염 주형을 이용한 나노다공탄소 제조와 포타슘이온 배터리-슈퍼커패시터 하이브리드 장치로의 응용
Salt template guided synthesis of nanoporous carbon materials for application in potassium ion battery-supercapacitor hybrid devices
- 주제(키워드) 포타슘이온 저장 장치 , 배터리-슈퍼커패시터 하이브리드 장치 , 비정질 탄소 , 다공성 물질 , 울트라마이크로기공 , 산소 포함 기능기
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 황종국
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032669
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
배터리-슈퍼커패시터 하이브리드 장치는 배터리와 슈퍼커패시터의 장점을 융합한 에너지 저장 장치이다. 배터리-타입 음극재, 커패시터-타입 양극재와 포타슘이온이 포함된 전해질을 사용함으로써 두 에너지 저장장치의 전하 저장방식을 융합할 수 있다. 배터리와 슈퍼커패시터의 작동 전압대를 모두 사용할 수 있어 우수한 에너지/출력 밀도 및 수명 특성을 구현할 수 있는 가능성이 있다. 최근 대용량 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 급증함에 따라 리튬 이온 시스템에 대안 중 하나로 낮은 표준 환원 포텐셜, 저렴한 비용 및 풍부한 자원으로 인해 포타슘이온이 주목받고 있다. 그러나, 리튬이온 시스템에서 사용되고 있는 흑연 음극의 경우 포타슘이온의 삽입·탈리 과정에서 수명 특성과 안정성이 떨어진다. 따라서 흑연 대신 큰 층간 간격과 풍부한 활성점을 가진 비정질 탄소 개발 연구가 활발히 일어나고 있다. 특히 다공성 구조를 가진 비정질 탄소는 큰 부피 변화로 인한 열화를 완화하고 고체 상 확산 길이를 단축할 수 있다고 알려져 있다. 이러한 비정질 탄소 개발 연구가 활발히 일어나고 있지만 음극재 다공 구조-포타슘이온 저장 성능의 상호관계에 대한 이해가 부족하며 특히 크기가 다른 기공의 정확한 역할에 대한 이론이나 실험 결과가 미비한 실정이다. 따라서, 다공 구조와 포타슘이온 배터리 성능 간의 상관관계 규명 연구가 필요하다. 본 연구에서는 염 주형(ZnCl2)과 바이오매스 탄소 전구체(커피 폐기물)를 이용하여 포타슘이온 배터리-슈퍼커패시터 하이브리드 양극재와 음극재를 통합적으로 개발하였다. 염 주형의 사용량을 조절하여 다공구조의 분율(울트라마이크로기공, 슈퍼마이크로기공, 메조기공)과 비표면적 (1109 - 2768 m2 g-1) 제어가 가능함을 확인하였다. 제조한 탄소재의 물성을 thermogravimetric analysis(TGA), x-ray diffraction(XRD), Raman spectroscopy, x-ray photoelectron spectroscopy, gas physisorption를 통해 분석하였다. 결과적으로 SCW-2가 0.1 A g-1에서 220 mA h g-1의 높은 용량을 나타내었으며 이는 풍부한 울트라마이크로기공으로 인한 포타슘이온의 증가된 활성점과 적절한 메조기공으로 인한 향상된 이온 접근성과 물질전달에 기인한 것으로 여겨진다. 배터리-타입 음극에서는 울트라마이크로기공이 가장 많아 표면제어반응 용량이 크게 개선된 SCW-2를 사용하였고, 커패시터-타입 양극에서는 용량 극대화를 위해 높은 비표면적을 가진 P-SCW-5를 사용하였다. 그 결과, 최대 에너지 밀도 128 W h kg-1및 최대 출력 밀도 6200 W kg-1와 우수한 수명 특성을(6000 사이클 후 83.8 % 용량 유지) 달성하여 PIHC의 실제 적용 가능성이 크다는 것을 입증하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 나노 다공 구조의 제어가 필요한 포타슘이온 저장 장치에서 널리 활용될 수 있을 것이라 기대된다.
more초록/요약
The battery-supercapacitor hybrid devices are an advanced energystorage system that integrate the advantages of high energy ofbatteries and high power of capacitors. Especially, potassium ion battery-supercapacitor device(PIHCs) have attracted much attention because of their low standard reduction potential, low cost and abundant resources in earth. Amorphous carbons stand out as one of the most promising anode materials for potassium ion batteries due to their large interlayer spacing and abundant active sites. The porous structure of amorphous carbons can buffer the large volume change and shorten the diffusion length for the solid-state K+ migration. Despite considerable research progress made in this field, there is a lack of understanding of the interrelationship between porous structures of anode materials and performance of potassium ion storage. In this work, a series of electrode materials with tunable pore structures and defined pore size distributions were synthesized for dual carbon PIHCs. We selected salt template ZnCl2 as porogen forgeneration of ultramicropores, supermicropores and mesopores. The relative mass ratio of ZnCl2/CW was varied to prepare salt-templated carbons (SCWs) with different surface area (1109-2768 m2 g-1) and pore size (~10 nm). We demonstrated that SCW-2 with abundantultramicopores and adequate mesopores presented a highly enhanced potassium storage behavior, such as 220 mA h g-1 at 0.1 A g-1. PIHCs full cell was fabricated by using SCW-2 with the highest capacity as anode materials and P-SCW-5 with the larges specific surface area as cathode materials. The resulting PIHCs achieved a high energy density of 128 W h kg-1 and a power density of 6200 W kg-1 with 6000cycle life, 83.8 % capacity retention. This work provides an efficient and easily controllable electrode design strategy for future practical applications of PIHCs.
more목차
제 1장 서론 (Introduction) 1
제 1절 포타슘 기반 에너지저장장치의 필요성 1
제 2절 포타슘이온 배터리-커패시터 하이브리드(PIHC) 5
제 3절 커피폐기물 선정 배경 8
제 4절 당면과제 및 연구의 목적 9
제 2장 실험 (Experimental) 13
제 1절 전극 재료 제조 13
제 2절 물리적 특성 평가 14
제 3절 전극 제조 15
제 4절 반쪽전지 및 완전지 조립 15
제 5절 전기화학적 특성 평가 16
제 3장 실험 및 결과 분석 (Results and discussion) 20
제 1절 SCW 소재 물성 분석 20
1. SCW 제조 20
2. TG, Raman, XRD 25
3. 염과 CW의 질량비에 따른 질소 가스 물리 흡탈착 28
4. 투과전자현미경 (TEM) 34
5. 표면 특성 분석 36
제 2 절 전기화학 성능 평가 41
1. 음극재 반쪽전지 성능평가 41
2. 음극재 포타슘이온 저장·방출 메커니즘 46
3. SCW-2 음극 성능향상 원인 논의 52
4. 양극재 반쪽전지 성능평가 56
5. 배터리-슈퍼커패시터 하이브리드 완전지 성능평가 59
제 4장 결론 (Conclusion) 62
제 5장 참고문헌 64
