Applied Chemistry,

Vol. 15, No. 1, May 2011, 77-80

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비대칭 하이브리드 커패시터 전극으로서의 전도성고분자-CNT

복합재료 합성 및 특성화

안지은*,**⋅문지훈*,**⋅김현종*,†⋅한명근*⋅설용건**⋅김성빈***

*한국생산기술연구원, **연세대학교, ***애니캐스팅

Synthesis and Characterization of Conductive Polymer-CNT

Composite Materials as a Asymmetric Hybrid Capacitor Electrode

Jieun Ahn*,**⋅Ji-Hoon Moon*,**⋅Hyun-Jong Kim*,†⋅M.K. Han*⋅Yong-Gun Shul**⋅Sung Bin Kim***

*Korea Institute of Industrial Technology, **Yonsei University, ***AnyCasting

(hjkim23@kitech.re.kr)

Abstract

Polypyrrole-CNT as supercapacitor was composed with MnO2-CNT for asymmetric hy-

brid capacitor. To improve the voltage characteristics were used of polypyrrole-CNT,

compared to the conventional capacitor was ascertained that the high voltage range.

Polypyrrole-CNT composite electrodes formed the peaks by the doping-dedoping for

Li-ion.

1. 서 론

최근 휴대용 전자⋅통신기기 및 전기자동차 등의 구동용 전원은 고에너지 밀도뿐만 아니라 고출력의

에너지원을 요구하고 있다. 리튬계 이차전지의 경우 이러한 고출력의 에너지를 제공할 수 있는 능력이

부족하며, 이와 같은 가혹한 환경에서 작동 시 전지수명의 현저한 저하를 초래한다. 반면, 커패시터의

경우는 이차전지에 비해 에너지밀도는 떨어지나, 월등히 높은 출력밀도를 보유하고 있어 고출력의 에너

지를 공급할 수 있으며, 또한 충⋅방전시간 및 그 수명에 있어서도 월등히 우수한 값을 가진다. 커패시

터가 대용량화됨에 따라 기존의 리튬 2차전지를 병용하거나 대체하여 사용할 수 있는 새로운 에너지원

으로 부각되고 있다. 이러한 고용량, 고출력 밀도를 가진 커패시터에 관한 많은 연구들이 진행되고 있으

며, 그 중에서도 단위셀 전압과 동력밀도가 향상된 하이브리드 슈퍼커패시터가 각광받고 있다. 하이브

리드 커패시터의 경우 충⋅방전 속도가 매우 빠르며, 넓은 작동온도 범위에서 충⋅방전 효율이 매우 높

은 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 커패시터의 전압특성을 향상시키기 위해 전도성 고분자-CNT

복합전극을 사용하여 비대칭 하이브리드 커패시터를 구성하였고, 이렇게 제조된 전극을 가지고 특성 및

전기화학적 분석을 수행하였다.

2. 실 험

전극은 카본나노튜브(CNT)를 표면처리 후 화학 산화 중합반응을 거쳐 폴리피롤-CNT 복합체를 합

성하였다. 합성된 복합체를 음극 물질로, MnO2-CNT 전극을 양극물질로 사용하여 하이브리드 커패시

터를 구성하였다. 전기화학적 특성은 폴리피롤-CNT 복합전극, 상대전극(Ni mesh), 그리고 기준전극

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포화 칼로멜 전극(saturated calomel electrode, SCE)을 사용하여 순환 전류법으로 -1.0 V에서 1.0

V의 영역에서 100, 300, 500, 1000, 3000, 5000mA/g의 속도로 축전용량을 측정하였다. 이때 사용

한 전해질은 1M의 Li2SO4 용액을 사용하였다.

3. 결과 및 토론

Fig. 1은 폴리피롤-CNT와 MnO2-CNT의 XRD 결과이다. (a)의 경우 CNT 위에 폴리피롤이 코팅

됨에 따라 카본의 001면의 intensity가 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이것으로 CNT위에 폴리피롤

이 잘 코팅되었다는 것을 확인할 수 있다. (b)의 경우에는 MnO2-CNT 전극 결과로 CNT위에 MnO2

입자가 잘 형성되었음을 피크를 통해 확인할 수 있다.

Fig. 1. 폴리피롤-CNT(a)와 MnO2-CNT(b)의 XRD 그래프.

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Fig. 2는 폴리피롤-CNT와 MnO2-CNT의 SEM 결과이다. SEM 결과로 보아 CNT 위에 폴리피롤

과 MnO2가 CNT의 구조 변화 없이 잘 코팅 된 것을 확인할 수 있었다. 이 전극을 가지고 음극 전극물

질로 폴리피롤-CNT와 양극 전극물질로 MnO2-CNT를 사용하여 커패시터를 측정하였다. 폴리피롤을

CNT위에 잘 분산시켜 커패시터를 측정해 본 결과 리튬 이온에 의해 doping-dedoping되는 피크가 형

성되는 것을 확인할 수 있었다. 벌크 상태 일 때는 피크가 형성되지 않다가 CNT 표면 위에 코팅된 후

리튬 이온이 도핑되는 것으로 보아 표면에서 도핑이 되는 표면반응인 것으로 판단된다. 반면

MnO2-CNT 전극의 경우 MnO2가 CNT 위에 분산된 후 리튬 이온의 intercalation 반응 피크가 사라

지는 것을 확인 할 수 있었다. 이것은 리튬 이온의 intercalation이 벌크 내에서 일어나는 반응이기 때

문에 표면이 넓어져 MnOOH가 생성되어 커패시터의 특성을 보이는 것으로 판단된다.

Fig. 2. 폴리피롤-CNT (a)와 MnO2-CNT (b)의 SEM.

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4. 결 론

본 연구에서는 폴리피롤-CNT 복합전극을 사용하여 비대칭 하이브리드 커패시터를 구성하였고, 이

렇게 제조된 전극을 가지고 전극의 특성 및 전기화학적 분석을 수행하였다. 전압 범위 특성을 향상시키

기 위해 폴리피롤-CNT 복합전극을 사용하였고, 기존의 커패시터에 비해 높은 전압범위를 가짐을 확인

하였다. 또한 폴리피롤-CNT 복합전극의 경우 Li 이온에 의해 doping-dedoping되는 피크가 형성되는

것을 확인할 수 있었다. 벌크상태 일 때에는 doping 피크가 형성되지 않다가 CNT 표면에 전도성 고분

자가 코팅된 이후 Li 이온이 doping 되는 양상을 보였다. 이는 폴리피롤-CNT 표면에 리튬 이온이

doping 되는 표면반응으로 판단된다.

참고문헌

1. O. Ghodbane et al. Appl. Mater. Inter. 1(5), 1130 (2009).

2. K. W. Nam et al, J. of Power sources 188, 323 (2009).