The Electrochemical Characteristics of Hybrid Capacitor Prepared by Chemical Activation of NaOH

Abstract

요 약 NaOH 화학적 활성화법을 사용하여 야자각 차로부터 고 비표면적과 미세기공이 발달된 활성탄을 제조하였다. 활성탄 제조 공정은 탄화과정에서 활성화 약품과 야자각 차의 비율과 불활성 기체 유량과 같은 실험변수들을 분석함으로서 수행되었다. 이와 같은 NaOH 화학적 활성화에 의한 2,481 m 2 /g의 고 비표면적과 2.32 nm의 평균 기공크기를 갖는 활 성탄이 얻어졌다. 양극으로 LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 와 음극으로 제조된 활성탄을 사용하여 하이브리드 커패시터의 전기화학 적 성능을 조사하였다. LiPF 6 , TEABF 4 의 유기 전해질을 사용한 하이브리드 커패시터의 전기화학적 거동은 정전류 충 방전, 순환 전류 전압법, 사이클과 누설전류 테스트에 의해 특성화 되었다. LiMn 2 O 4 /AC 전극을 사용한 하이브리드 커 패시터가 다른 하이브리드 시스템 보다 더 좋은 충방전 성능을 보였으며, 출력밀도 1,448 W/kg와 131 Wh/kg의 고 에 너지 밀도를 전달할 수 있다.Abstract − Active carbons with high specific surface area and micro pore structure were prepared from the coconut shell char using the chemical activation method of NaOH. The preparation process has been optimized through the analysis of experimental variables such as activating chemical agents to char ratio and the flow rate of gas during carbonization. The active carbons with the surface area (2,481m 2 /g) and mean pore size (2.32 nm) were obtained by chemical activation with NaOH. The electrochemical performances of hybrid capacitor were investigated using LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 as the positive electrode and prepared active carbon as the negative electrode. The electrochemical behaviors of hybrid capacitor using organic electrolytes (LiPF 6 , TEABF 4 ) were characterized by constant current charge/discharge, cyclic voltammetry, cycle and leakage tests. The hybrid capacitor using LiMn 2 O 4 /AC electrodes had better capacitance than other hybrid systems and was able to deliver a specific energy as high as 131 Wh/kg at a specific power of 1,448 W/kg. 1. 서 론 최근 환경문제와 더불어 석유자원의 고갈, 유가 상승 등이 문제로 대두되면서 신재생에너지 개발 및 관련 기술이 주목받고 있다. 이 중 에서 태양광, 조력, 풍력 등은 여러 가지 기상 상황에 따라 급격한 출 력 변동에 의해 전력의 안정적 공급 및 전력 확보에 지장을 초래하 고 있어 안정적이고 신뢰성 있는 에너지 저장 장치가 필수적으로 요 구되고 있다. 따라서 안정적인 전기에너지의 확보와 우수한 에너지 저장 장치로서 전기이중층 커패시터(Electric double layer capacitor, EDLC)가 주목받고 있으며 EDLC는 높은 충·방전 효율과 출력밀도, 반영구적인 사이클 수명 등의 우수한 특성을 가지고 있다[1,2]. 이러 한 EDLC의 전극활물질의 특성은 고 비표면적과 확산저항이 작은 기공 분포, 높은 전기전도도, 화학적 안정성 등이 필요하며 현재까지 활성탄이 가장 많이 사용되고 있다[3,4]. 최근에는 활성탄의 기공구 조와 같은 물리적 특성이 전기화학적 특성에 미치는 영향을 조사한 많은 연구가 진행되고 있는데, 활성탄의 물리적 특성을 변화시키는 방법으로는 강염기를 이용한 화학적 활성화 방법[5-7], 전이금속 및 희토류 금속을 촉매로 사용하는 이온 교환 방법[8], 고분자 블렌드를 탄화시키는 고분자 탄화법[9] 등이 있다. 활성탄 전극을 다양한 활성 화 방법에 의해 비표면적과 기공을 제어하는 많은 연구 중에서도 활 성탄 표면의 화학적 개질에 의한 전기화학적 특성을 증가시키는 연 구가 활발히 진행되고 있다. Lillo-Rodenas 등[10]은 NaOH를 사용