나노 입자를 이용한

Supercapacitor용 Nickel Oxide 전극 제조

김두현, 송기창, 신경희．, 김종휘．

건양대학교 화학공학과

．한국에너지기술연구원 에너지저장연구센터

Preparation of Supercapacitor Electrode

by Using Nickel Oxide Nanoparticles

Du Hyun Kim, Ki Chang Song, Kyung Hee Shin．, Jong Huy Kim．

Department of Chemical Engineering, Konyang University

．Energy Storage Center, Korea Institute of Energy Research

서론

현대 기술사회가 지속적인 기술축적을 이루고 있는 가운데 고도정밀을 요하거나 강력한 에너지를 요구하는 system이 점차 증가하고 있다. 이에 따라 신뢰성있는 에너지를 공급할 수 있는 효율적인 에너지의 공급 system의 개발은 필수 불가결한 상태이다. 또한 석유에너지의 고갈에 의한 대체에너지의 개발이라는 요구가 꾸준히 진행되어 오고 있다. 이러한 관점에서 최근 대두되고 있는 새로운 형태의 에너지저장장치가 바로 초고용량축전지 (supercapacitor) 이다.             초고용량축전지의 전극소재로 사용되는 것은 EDLC용의 탄소계, Pseudocapac-itor로 사용되는 금속산화물계와 전도성 고분자계의 세가지 형태로 나뉘어진다. Pseudocapacitor의 전극활물질로서는 Ruthenium oxide (RuO2)가 보편적으로 많이 사용되고 있으나 RuO2 전극은 우수한 전기 화학적 거동을 보이는 반면 고가의 출발물질로 인하여 경제성이 떨어지는 단점을 보이고 있다. 따라서 저렴한 비용의 물질을 이용하면서도 Capacitance를 향상시키는 전극제조 방법이 연구되어지고 있는데 이는 NiO, Co2O3, MnO, TiO2 등의 다가 금속을 이용하는 방법이다.

Pseudocapacitor의 축전용량은 전극물질의 표면적에 비례한다고 알려져 있다. 따라서 전극활물질의 크기가 작을수록 비표면적이 커져 축전지의 용량이 커지므로 전극활물질의 나노입자화가 요구되고 있다. 본 연구에서는 Supercapacitor용 전극을 개발하기 위해 나노미터 크기의 NiO 분말을 제조한 후 이를 물에 분산시키고, 전극용 기판인 Ni-foam에 Dip-coating 시켜 전극을 제조한 후 그 전극특성을 살펴보았다.

실험

출발물질로는 Nickel acetate tetrahydrate (Aldrich 98%)를 사용하였다. Nickel acetate tetrahydrate를 100℃에서 건조시킨 다음, 증류수를 가해 0.2M수용액을 제조한 후 상온에서 하루동안 교반시켰다. 이렇게 얻어진 수용액을 10000rpm에서 30min동안 원심 분리시켜  응집된 형태의 나노입자를 얻고, 이 응집체에 일정부피의 증류수를 더한 후, 나노입자를 수용액 내에서 재 분산시켜 코팅용 졸로 사용하였다. 본 연구에서는 전극용 기판으로서 다공성 물질인 Ni foam을 사용하였으며, 재 분산시킨 졸을 Dipping method를 이용하여 10cm/min의 속도로 Ni foam 위에 5회  코팅하였다. 코팅된 Nickel foam을 각각 200℃, 250℃, 300℃, 350℃로 열처리 시켜 전극을 제조하였다. 단위셀 캐패시터의 전해액으로는 7.5M KOH 수용액을 사용하였다. 코팅이 되고 남은 수용액은 100℃에서 24hr동안 건조시킨 후 막자사발로 분쇄하여 분말화시킨 후  여러  온도에서 열처리하여 XRD, FT-IR, BET측정 등의 실험자료를 얻었다.

결과

Fig.1은 원심분리에 의해 얻어진 응집체를 건조시켜 제조한 NiO 나노입자의 SEM사진이다. 전반적으로 30nm크기의 일정한 크기의 구형 입자들이 응집되어 있는 미세구조를 나타내고 있다.

표1은 제조된 NiO 전극의 축전용량을 정리한 결과이다. 0-0.9V 전압범위의 충방전 테스트 결과에서 소성온도가 높아질수록 축전지의 비축전용량이 증가하여 250℃에서  가장 높은 비축전용량을 보였고, 300℃에서는 오히려 감소하는 경향이 관측되었다.

Fig.2는 여러 온도에서 열처리시킨 분말에 대해 400-4000cm-1 범위에서의  FT-IR분석 결과를 나타낸 것이다 100℃와 200℃의 곡선에서 3620cm-1에서 볼 수 있는 Ni-OH peak와 1460cm-1이하에서 볼 수 있는  acetate peak가 250℃ 이상의 온도에서 현저히 사라지는 것으로부터 250oC이상의 온도에서 결정화가 일어났음을 예측할 수 있다.

Fig.3은 여러 온도에서 열처리된 분말의 XRD결과로 100, 200oC에서는 비정질을 보이다 250oC이상의 온도에서 결정상을 보임을 알 수 있다.  이상의 결과는 Fig.2의 FT-IR결과와 잘 일치됨을 알 수 있다.

Table1 The properties of nickel oxide thin film.

	전극			Unit-Cell 총용량 F (cell)	Unit-cell의 비축전용량		ESR
	소재	면적 (cm2)	중량(g)		비축전용량(F/g)	F/cm	AC (m□)
200℃	NiO	2×2	0.006	0.049	33.2	0.0123	178
250℃	NiO	2×2	0.0055	0.219	159.4	0.0548	153
300℃	NiO	2×2	0.0057	0.194	136.4	0.0485	140

Fig.1. SEM morphology of Nickel-oxide powder dried at 100oC

Fig.2. FT-IR spectra of nickel oxide powders calcined at several temperatures

Fig.3. X-ray diffraction patterns of nickel oxide powders calcined

at several temperatures