액상환원공정 및 자발적 치환반응에 의해 제작된 망간계 슈퍼커패시터 소재의 성능 안정화에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

초고용량 커패시터는 전기화학 커패시터는 electrical double layer capacitors (EDLCs) 와 pseudo-capacitors 로 크게 두 종류로 나눌 수 있으며 고출력 전기에너지 저장장치로 리튬이차전지와 함께, 기존의 콘덴서와 이차전지가 수용하지 못하는 각각의 에너지, 출력 특성 영역을 채울 수 있는 고출력 에너지 저장 장치이다. 고속 충전/방전 특성의 전기에너지 저장 장치로 이차전지와 비교시 고출력, 장수명 특성을 가지고 있으며, 초고용량 커패시터 산업은 부품·소재 원천기술과 셀 제조 공정이 융합된 산업으로서 전기에너지 품질, 활용/저장 효율 향상을 유발하는 저탄소 녹색에너지 산업이다.
의사커패시터는 슈퍼커패시터의 전극으로 현재까지 가장 많은 연구의 대상이 되었던 루테늄은 높은 비용량값을 가지는 전이금속산화물이지만 가격이 매우 비싸며 상업적 적용에 어려움이 따른다. 따라서 저가의 전극물질로 바꾸는 다양한 시도가 요구되어져 왔다. 대표적인 물질로는 철, 바나듐, 코발트, 망간, 니켈 등의 금속 산화물을 들 수 있다. 이중 망간은 자원이 풍부하고 루테늄 및 니켈, 코발트에 비해 비교적 저가의 소재이며 친환경적인 장점을 가지고 있고 비교적 큰 용량을 보이지만 기계적 강도가 약해 충·방전 반복수명이 다른 전극소재에 비해 길지 못한 단점이 있다. 또한 이산화망간은 입자접촉에 의해 형성된 접촉저항의 증가로 출력밀도를 저하시키므로 고출력이 요구되는 조건에서는 사용이 제한된다. 이러한 문제점을 개선하고 망간의 기계적 강도를 높이기 위해 니켈 및 코발트의 alloy 및 코어-쉘 형태의 소재에 대한 요구가 높아지고 있다.
금속 나노 분말의 제조 방법에는 크게 고상, 습식, 기상 법으로 구분되는데 본 연구에서는 고비용, 고진공의 장치를 이용하지 않는 다음의 두 가지 습식공정을 이용하여 망간 분말을 제조하였다. 망간분말은 환원제와 분산제를 이용한 액상환원공정에 의해 입자형 및 판상형의 분말을 제조하였고, 니켈 및 코발트 반응을 시켜 alloy을 형성하였다. 또한 두 가지 물질의 alloy 뿐 아니라 니켈과 코발트를 동시에 반응시켜 3개의 성분의 alloy의 제작하였다. 그 외의 다양한 구조의 망간 분말은 환원력이 강한 알루미늄 호일과 금속간의 환원력 차이에 의한 자발적 치환 반응을 이용하여 형성하였다. 제작된 망간에 전처리 과정을 포함한 니켈 무전해 도금을 진행해 Mn-Ni core-shell 구조의 분말을 제작하였다.
이렇게 제작된 여러 망간계열분말을 슈퍼커패시터 전극으로 이용하였고, 커패시터의 성능을 알아보기 위한 Cyclic voltameter 실험은 Electrochemical Work Station(ZahnerⓇR Elektric IM6ex, Germany)을 사용하였으며 Field Emission-Scanning Electron Microscope(FE-SEM, JSM-7000F, JEOL, Japan)와 이에 내장되어있는 Energy Dispersive Spectroscopy(EDS, Oxford)로 망간의 구조를 관찰하였고, X-ray Diffraction (XRD, D8 ADVANCE, Bruker, Germany), ICP-Atomic Emission Spectrometer (ICP-AES, OPTIMA 4300 DV, PerkinElmer, USA), X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS, Shimadzu, Japan) 를 통해 정성 분석을 진행하였다. 또한 의사 커패시터의 용량 및 안전성 테스트는 WPG100(Wonatech, Korea) 을 이용하여 측정하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론
• 제 1절. 연구배경
• 1. 연구방법론
• 가. 에너지효율 향상에 대한 국가적 관심 증가
• 나. Mn을 이용한 친환경적인 에너지 디바이스 커패시터 전극 소재
• 다. 커패시터의 전극으로 이용한 Mn의 현재 연구 동향
• 제 2 장 문헌조사 및 이론적 고찰
• 제 1절. 전기화학 커패시터의 특성
• 1. 전기이중층 커패시터
• 2. 의사 커패시터
• 3. 하이브리드 커패시터
• 4. 전기화학 커패시터의 특성 분석방법
• 가. 순환 전류법(CV : cyclic voltammetry)
• 제 2절. 고표면적의 금속 분말 제작
• 1. 액상환원공정(Wet chemical reduction)
• 2. 자발적 치환반응(Galvanic displacement reduction)
• 3. 무전해도금(Electroless Deposition)
• 제 3 장 실험 방법
• 제 1절. 고표면적의 금속 분말 제작
• 1. 액상환원공정(Wet chemical reduction)
• 2. 자발적 치환반응(Galvanic displacement reduction)
• 3. Core-shell 구조 제작의 위한 Ni Electroless deopsition
• 4. 슈퍼커패시터용 전극 제작
• 5. 슈퍼커패시터 전극을 위한 전기화학 테스트
• 제 4 장 실험 결과
• 제 1절. 액상환원공정의 제작된 금속분말과 전기화학적 성질
• 1. 액상환원공정의 제작된 금속분말
• 가. Citric acid를 분산제로 이용한 액상환원공정으로 제작된 Mn계 물질 및 전기화학적 성질
• 1) Citric acid를 분산제로 이용한 액상환원공정으로 제작된 Mn계 물질 제작
• 2) Citric acid를 분산제로 이용한 액상환원공정으로 제작된 Mn 계 물질의 전기화학적 성질
• 나. Citric acid를 분산제로 이용한 액상환원공정으로 제작된 Mn-Ni-Co alloy 물질 제작 및 전기화학적 성질
• 1) Citric acid를 분산제로 이용한 액상환원공정으로 제작된 Mn계 alloy 물질 제작
• 2) Citric acid를 분산제로 이용한 액상환원공정으로 제작된 Mn-Ni-Co alloy 물질의 전기화학적 성질
• 다. Tartaric acid를 분산제로 이용한 액상환원공정으로 제작된 Mn계 물질 및 전기화학적 성질
• 1) Mn-Ni과 Mn-Co alloy 분말 제작 및 전기화학적 성질
• 제 2절. 자발적 치환반응으로 제작된 금속분말과 전기화학적 성질
• 1. 자발적 치환반응으로 제작된 금속분말
• 가. 자발적 치환반응로 제작된 Mn 및 전기화학적 성질
• 1) 자발적 치환반응으로 제작된 Mn의 구조 및 정성분석
• 2) 자발적 치환반응으로 제작된 Mn의 전기화학적 성질
• 제 5 장 결 론
• 참고문헌