Fabrication of alpha-nickel hydroxide composite with non-oxidized graphene for supercapacitor application

Abstract

그라파이트 층간 화합물을 이용한 고 품질 그래핀의 합성 및 슈퍼커패시터 특성 분석 커패시터는 앞으로 차세대 에너지 연구분야에 중요한 역할을 하는 에너지 저장장치이며 일상생활에서 널리 사용되고 있다. 기존 커패시터는 현재 에너지 분야에서 가장 많이 사용하여 온 리튬 이온전지보다 cycle 보존율이 월등하게 높을 뿐 아니라 높은 출력밀도를 가지지만 상대적으로 낮은 에너지 밀도 때문에 그 사용성이 제한되어왔다. 이 단점들을 극복하기 위하여 출력밀도와 보존율을 유지하면서 에너지밀도를 높여 넓은 분야에 사용 가능한 슈퍼커패시터를 개발하기 위한 연구가 진행되어왔다.

슈퍼커패시터를 이루는 전극 물질로써 탄소계 물질로는 활성탄, 탄소나노튜브, 그래핀 등 의 물질이 사용되고 있다. 특히, 그래핀은 2차원 벌집모양의 탄소 구조체로 이루어진 물질로 뛰어난 전기전도도와 높은 비표면적을 가지기 때문에 이를 다양한 분야에 적용하고 있으며 특히 에너지 분야에서 전극용 물질로 그래핀을 많이 사용하고 있다.

Top-down 방식의 그래핀 합성 방법 중 일반적으로 가장 많이 사용하고 있는 방법은 Hummer’s method로, 그라파이트를 산화 시켜 그라파이트 층간 사이가 넓어진 산화 그래핀를 제조하고 이를 다시 환원시켜 환원된 산화 그래핀(Reduced Graphene Oxide)을 이용하는 방법이다. 그러나 이 방법은 그라파이트 층간 간격을 늘이기 위해 산화방법을 사용하므로 그래핀 표면에 결함이 심해지고, 환원하여도 산소 함량이 10% 이상으로 매우 높기 때문에 그래핀의 본연의 성질을 잃어버려 그래핀이 가진 장점을 제대로 이용하지 못하는 단점이 존재한다.

이러한 단점을 보완하기 위해 본 연구에서는 그라파이트를 산화시키지 않고 그래핀을 박리 하는 방법으로 실험을 진행하였다. 수화물 염을 그라파이트 사이에 층간삽입물로 활용하여 그라파이트 층간 화합물을 생성하고 이를 유기용매에 박리하여 비산화 방법의 고품질 그래핀을 제조하였다. 이렇게 합성한 그래핀의 품질은 기존 환원된 산화그래핀보다 산소함량이 낮을 뿐 아니라 분산성이 뛰어나 다양한 용매에 분산이 가능함으로써 넓은 분야에 이용이 가능한 장점을 가지고 있다.

본 연구는 이 고품질 그래핀을 이용하여 수산화 니켈-그래핀 합성물을 만들고 이를 슈퍼커패시터 전극으로 활용하는 실험을 진행하였다. 슈퍼커패시터 중 가짜커패시터는 리튬이온전지와 마찬가지로 산화-환원 반응을 이용하여 에너지를 저장하는 장치이므로 기초적으로 전이금속 산화물을 전극물질로 사용하였다. 그러나 충-방전이 진행될수록 전극이 쉽게 손상될 뿐만 아니라 전기전도도가 매우 낮으므로 다른 전도성 물질과 같이 합성물로 만들어 이용 해야한다.

이 이론을 기본으로 하여 합성물의 합성 방법 중 손쉽게 사용할 수 있는 방법인 마이크로웨이브 합성법을 이용하여 그래핀 위에 수산화니켈을 합성한다. 이 합성물은 수산화니켈의 높은 용량과 고 품질 그래핀의 뛰어난 전기전도도를 활용하여 기존에 보고된 수치를 상회하는 결과를 나타내었으며, 품질의 변화나 저하 없이 수산화니켈과 그래핀이 가진 고유의 특성과 장점을 유지할 수 있는 연구를 보고하였다.