Applied Chemistry,
Vol.12,No.1,May 2(뼈， 73-76
Activated Carbon/Graphite & TiO :J CNT 복합전극에 기 초한 비대칭 커패시터
결훌윌·양정진·이정원·김한주·박수길 충북대학교 공업화학과
Asymmetric Capacitor based on Activated Carbon/Graphite & TiOz!CNT Composite Electrode
HonlI-ll Kim . jeong-jin Yang' jeong-Won Lee' Han-j∞ Kim . Soo-Gil Park Dept. of Industrial Engineering Chemistry,Chungbuk National University
Abstract
AC/graphite capacitor has been designed in organic electrolytes. This kind of capacitor has some advantages over the traditional electric-double layer capacitor
(EDLC) in the terms of high energy. And we tried to develop the titanium oxide to be used as carbon-based composite materials by using ultrasound. The performances of the cells with such composited materials have been compared with the ones with an activated carbon mixed with carbon nanotubes and electrochemically deposited titanium oxides. Electrolytes using Li' and TEABF4 have been picked up for this investigation. The state of Li‘ dissolved in PC (propylene carbonate) solvent has also been clarified. Composite electrode showed relatively g∞d electrochemical behaviors better than Activated carbon electrode and during cycling, composite electrode present
O.34F/c며 of specific capacitance in LiPFt!PC
1. 서 론
전기화학 커패시터 (electrocheical capacitor)는 전극의 전기이중총 (electric double layer)
또는 가역적인 redox 반웅에 의해서 전기를 저장하는 장치이다. 이러한 전기화학 커패시 터는 대부분의 전지보다 높은 specific power를 갖지만 specific energy는 현저히 낮은 특성을 보이고 있다[I-2]. 이러한 이유로 많은 연구자들은 전기화학 커패시터의 용량을 증가시키기 위한 노력을 하고 있다. 활성탄에 기초한 EDLC(electric double layer
capacitor)의 경우 비표면적이 증가하면 직선형으로 용량이 증가하는 현상이 보고되어졌 고 [3] 비표면적을 증가시키기 위한 노력을 하여 왔다. 하지만 비표면적이 증가하면서 저 항의 증가， 전도도의 감소 및 젤제조 공정의 어려움 풍 문제점을 유발시켰다. 또한 구동 시 발생하는 분극현상은 이온의 전도 및 축적을 방해하는 요인으로 작용하고 있다[4].
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최근， 전기화학커패시터의 에너지밀도를 향상시키기 위한 방법으로 graphite 와 Li‘계 전 해액을 이용한 연구가 진행되고 있다. 높은 비표면적을 가지지 않는 탄소계를 이용하여
layer에 L( 염의 intercalation 을 통하여 용량을 향상시켰다 [5-61 그러나 graphite 의 첨가
량이 증가할수록 용량이 중가하지만 전기화학커패시터의 특정인 파워밀도 (power density) 와 사이클 성능이 감소하는 현상올 보인다.
본 연구에서는 파워밀도 및 수명의 희생 없이 에너지 밀도를 향상시키기 위해서 활성탄 과 graphite 를 혼합하여 사용하고 분극현상을 줄여주고 전기전도도를 향상시켜주기 위해 서 본 연구실에서 제조한 Ti02lCNT 복합물을 첨가하여 Li‘계 전해액과 TEABF4!PC에 서 전기화학적 특성을 고찰하고 전기화학 커패시터 전극으로 응용성을 검토하였다.
2. 실 험
본 연구에서 사용한 Ti02lCNT 나노 복합체는 본 연구실에서 Sol-Gel 방법을 사용하여 제조하였다. CNT(mu1ti-wall type,Iljinnanotech. Co., Korea) 의 평균 직경은 15-20 nm
이며 길이는 10-20 11m이다. Titanium isopropoxide (AIψ1ch)를 초기 물질로 하여 2-propanol에서 용매를 사용하여 초음파를 인가한 후 펼터링을 거쳐 중류수로 세척하여 진공오븐에서 건조한 후 소성시켜 Ti02lCNT 나노 복합체를 제조하였다. 제조한 나노복 합체룹 첨가하여 전극을 제조하였다. 활성탄(MSP-20， Kuraray Chemical Co., Ltd.) 과
Ti02lCNT 나노 복합체를 혼합한 전극과 활성 탄과 graphite<Aldrich Chemical Co., Inc.) 플 5:1의 비율로 N-methyl-2-pyπolidione(NMP)를 용매로 사용하여 전극을 제조하고 또 한 Ti02lCNT 나노 복합체를 혼합하여 전극을 제조하였다. 전기화학적 측정은 반웅변적 4x4cof의 작엽 전극을 제조하고 f띠1 cell 평가는 파우치 형태로 제조하여 특성평가 하였 다. 충·방전을 특성을 평가하기 위하여 전류밀도는 1mNc마와 10mNc며에서 그리고 구동 전압을 2.5V 와 2.7V로 하여 특성을 평가하였다. 전해질로서는 TEABF4, LiBF4 및 LiPF6
을 PC 용매로 하여 사용하였다-
3. 결과 및 고찰
표면관찰 및 구조부석을 위해서 SEM image9t XRD pattern 을 그림 l 에 도시하였다.
Fig. 1. (a) 에서 CNT 표변에 Ti02 나노 입자들이 홉착되어 있는 것을 확인하였다. 입자 크기가 20nm 이하로 존재하며 CNT 표면에 충분히 홉착되어 있는 것을 확인하였다.
Fig. 1. (b) 의 XRD pattern 에서 구조를 확인하였다. 코탱전이 CNT와 비교하여 코탱 후 에는 CNT 및 Ti02의 anatase구조의 피크가 나타나는 것을 확인하였다. Ti02는 리륨과 반웅하여 리륨 티타늄 산화물을 형성하며 이러한 반웅은 식 (l)과 같이 반용한다[7].
xLi+ + xe- + TiOz •• LixTi02 x 드 0.5 (l) 식 (l)과 같은 반용에 의 해서 발생하는 가역 적 용량은 전체전인 용량의 증가플 가져온 다- 이러한 원리를 이용해서 본 연구에서는 CNT 표면 워에 TiOz를 코탱시키고 제조된
용용화학， 제 12 권 제 1호， 2008
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TiOZ/CNT 복합전극을 사용하여 첨가제로 사용하여 가역적 용량 뿐만 아니라 CNT 의 특 성을 이용해서 전도성을 향상시키고 Ti02플 이용하여 분극현상을 줄여 주고자 하였다.
특히 CNT 표면위에 Ti02 나노입자플 형성시킴으로써 생 저항에 영향올 최대한 주지 않 기 위해서 물리적으로 혼합하지 않고 물리화학적인 홉착올 시도하였다.
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(a) (b)
Fig. 1. SEM image(a) and XRD pattem(b) of TiOZ/CNT nanoparticle.
전기화학적 특성을 평가하기 위해서 충 · 방전 평가를 실시하였다. 전극을 제조하여
pouch 형태로 활성탄 및 도전재로 ketjeon black 올 첨가한 전극과 TiOz!CNT 플 첨가한 전극을 이용하여 10mNcnf로 2.5V 까지의 거동을 확인한 결과 Fig. 2. (a) 에서 IR drop 이 비교적 작은 것을 확인하였으며 기존에 사용되고 있는 4급 암모늄염인 TEABF 4!PC에서 커패시터적인 거동을 나타내는 것을 확인하였다. Fig. 2 (a) 에서 리륨염을 포함한 전해질 과 비교하여 거동을 확인한 결과 리륨전지용 전해질로 사용되는 LiPFf!PC 전해질에서 가장 우수한 용량을 보이는 것올 확인하였다.
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(a) (b)
Fig. 2. Galvanostatic charge and discharge curves of (a) AC-TiOνCNT electrode at lOmNcm2 in TEABF4!PC and (b) various electrolyte.
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Fig. 3에서 AC/Graphite의 비율을 5 : 1
하여 전극을 제조한 후 2.7V 까지 충 · 방전 평가 를 실시한 결과 초기 첫 사이클에서 리륨이온이 삽입되는 거동을 확인하였다- 또한 두 번째 사이 클부터는 커패시터적인 거동을 보이는 것을 확인 하였다. 이러한 결과는 초기 graphite의 층간 간 격이 초기에 리륨이온이 들어가면서 증가하였다 가 후에는 그 간격을 유지하는 것으로 보여진다.
결과적으로 graphite가 리륨이온이 들어가면서 전 기화학적인 활성화를 일으키고 이후 특성을 유지
Fig. 3. Galvanostatic charge and
」 것으로 이후 TiOz./CNT 나노 복합체플 첨가
discharge curve of (a) AC/Graphite
2 하여 시너지 효과를 기대할 수 있다.
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4. 절 론
본 연구에서는 기존에 커패시터용 전극으로 사용되는 활성탄 전극에 TiOz/CNT 복합체 룹 첨가하여 효과를 기대하였고 또한 graphite를 첨가하여 전기화학적 시너지 효과를 기 대하였다. LiPFt/PC의 전해질에서 AC-TiOz/CNT전극의 용량은 O.33F/e미를 보였으며
AC/Graphite 전극의 용량은 O.잉Fie따의 용량을 보임으로써 TiOZ/CNT복합체를 첨가하여 graphite를 첨가한 전극과 유사한 용량을 보였다. 따라서 추 후 AC/Graphite/TiOz/CNT
전극의 경우 전기화학적인 시너지 효과를 기대할 수 있다.
감사의 글
본 연구는 산업자원부에서 시 행한 에너지 •자원 기술개발사업의 지원으로 추진한 에너 지관리공단 학술진흥사업에 의해 수행되었습니다-
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용용화학， 제 12권 제 1호，2<뼈
