나노탄소 복합구조체를 이용한 형태 가변형 슈퍼커패시터 제작에 관한 연구
Study on Fabrication of Deformable Supercapacitor Using Nano-Carbon Composite Structure
- 주제(키워드) Laser-Induced Graphene , Bamboo-like CNT , Deformable energy storage , Supercapacitor
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이재현
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000030739
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
세계적으로 에너지 공급 및 저장 장치의 수요가 증가함에 따라, 우수한 에너지 효율 과 더불어 경제적이며 친환경적인 에너지 저장 시스템에 관한 연구가 활발히 진행중이다. 그 중에서도, 슈퍼커패시터는 반영구적인 수명, 빠른 충 · 방전 속도 및 높은 출력 밀도로 인해 가장 유망한 매체로 주목 받고 있다. 본 연구에서는 고성능 슈퍼커패시터 개발을 목적으로 레이저 유도 다공성 그래핀에 대나무형 탄소나노튜브를 성장시켜 나노탄소 소재 기반 복합구조체를 제작하였다. 대나무형 탄소나노튜브는 구리 전기 도금된 레이저 유도 그래핀을 기판으로 하여 화학기상증착 방법으로 합성하였다. 합성된 나노탄소 복합소재는 레이저 유도 그래핀의 공극을 채워 전하 저장 공간과 전기 전도도 향상시켰다. 또한, 다공성 레이저 유도 그래핀의 마이크로 크기의 공극으로 인해 발생하는 낮은 패킹 밀도를 개선하여 기공 이용률을 극대화 하였다. 그 결과, 제작된 나노탄소 복합구조체는 1.87 μWh/cm2의 높은 비면적 에너지 밀도를 나타내었으며, 레이저 유도 그래핀 기반 슈퍼커패시터의 0.19 μWh/cm2 밀도보다 약 10 배 정도 향상된 성능을 보였다. 추가적으로, 유연 및 웨어러블 소자에 적용하기 위해 키리가미 패턴 형태의 전극을 설계하여 전고체 슈퍼커패시터를 제조하였다. 제작된 전고체 슈퍼커패시터는 다양한 기계적 변형 하에서도 우수한 전기화학적 및 기계적 안정성을 나타냈었다. 연구 결과, 레이저 유도 그래핀 기반 나노탄소 복합 소재의 고밀도화 전략은 차후 에너지 저장 장치 제조에 효과적으로 활용될 것이다.
more초록/요약
As the demand for energy supply and storage devices increased, the research of energy storage devices having economical, eco-friendly, and excellent energy efficiency have actively done. Among them, supercapacitors are attracting attention as the most promising next-generation energy storage system due to their ultra-long life, fast charging/discharging rate, and high power density. In this study, in order to develop a high performance supercapacitor, a nano-carbon -based composite material was fabricated by growing a bamboo-like carbon nanotubes on a laser-induced porous graphene. The bamboo-like carbon nanotubes were synthesized by a chemical vapor deposition method using a copper electroplated laser-induced graphene as a substrate. The synthesized nano-carbon-based composite material filled the voids of laser-induced graphene to improve charge storage space and electrical conductivity. This maximized the pore utilization efficiency by improving the low packing density due to the micro-size pores of the porous laser-induced graphene. As a result, the fabricated nano-carbon composite material exhibited a high specific area energy density of 1.87 μWh/cm2, and about 10 times higher than the 0.19 μWh/cm2 density of laser-induced graphene-based supercapacitors. Additionally, a solid state supercapacitor was fabricated by designing an electrode in the form of a kirigami pattern for application to flexible and wearable devices. The fabricated solid state supercapacitor showed excellent electrochemical and mechanical stability even under various mechanical deformations. As a result of the study, the strategy for densification of laser-induced graphene-based nano-carbon composite materials will be effectively utilized in future energy storage device applications.
more목차
1. 서론 (INTRODUCTION) 1
2. 이론적 배경 (THEORETICALLY BACKGROUND) 4
2.1 에너지 저장 소자 4
2.2 나노탄소 전극 소재 6
3. 실험 방법(EXPERIMENTAL) 9
3.1 소재/소자 합성 및 제조 9
3.1.1 나노탄소 기반 복합전극의 제조 9
3.1.2 슈퍼커패시터의 제작 9
3.2 소재/소자 특성평가 11
3.2.1 구조 분석 11
3.2.2 현미경 분석 15
3.2.3 전기화학적 분석 16
4. 결과 및 고찰 (RESULT AND DISCUSSION) 18
4.1 나노탄소 복합구조체의 특성 분석 18
4.2 나노탄소 복합구조체의 전기화학적 분석 34
5. 결론 (CONCLUSION) 45
참고문헌 (Reference) 46
