하이드로젤/활성탄 복합체 전극 기반의 연성 슈퍼캐패시터 제작에 관한 연구

Abstract

세계적으로 에너지 수요가 증가함에 따라, 환경 친화적이며 우수한 에너지 효율, 긴 충방전 안정성이 요구되는 에너지 저장 장치에 관한 연구가 활발히 진행중이다. 그 중 하이드로젤을 이용한 에너지 저장 장치는 유연하기 때문에 기계적 외부 자극 (인장, 압축, 구부림 등)에도 안정적이며 우수한 전기적 특성이 나타난다. 본 연구에서는 하이드로젤인 agarose를 이용하여 전극을 형성 하였다. Agarose 하이드로젤은 온도에 따라 고온에서는 액체, 저온에서는 젤 상태가 되는 가역적인 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용하여 molding, stamping, extrusion 공정을 통하여 마이크로 스케일에서부터 센티미터 스케일까지 원하는 모양으로 성형이 가능하다. 탄소계 전도성 물질인 활성탄을 넣어도 온도에 따라 상태가 변화하는 특성은 유지된다. 활성탄은 하이드로젤 내에 고르게 분산되어 있음을 열중량분석기 (thermogravimetric analysis, TGA)를 통하여 확인하였고, 활성탄의 함량이 증가할수록 전기적 특성이 향상되었다. 전기 전도도는 deionized (DI) water를 사용한 경우 5.11 x 10-4 S/cm로 측정되었고, phosphate-buffered saline (PBS) 용액을 사용한 경우 약 두배 가량 증가하였다. 전극을 얇은 필름으로 성형하여 구부렸을 때 곡률에 따른 전기적 특성 변화는 없었다. 활성탄이 없는 agarose 젤은 분리막을 형성하고 전해질로 염화소듐을 사용하였다. Current collector로는 유연 소자에서 많이 사용되는 carbon cloth를 이용하여 슈퍼캐패시터를 조립하였다. 측정 전압 범위는 0 – 0.8 V로 측정하였고, 전류 밀도가 0.5 mA/cm2일때, 슈퍼캐패시터의 전기 용량은 155.31 mF/cm2로 측정 되었다. 이러한 전기 용량은 1000회의 충방전 cycle후에도 큰 변화없이 유지됨을 확인하였다.