표제지
초록
ABSTRACT
목차
1장 서론 23
2장 이론적 배경 27
2.1. Sodium-ion capacitor (SIC) 27
2.1.1. SIC 등장 배경 27
2.1.2. Sodium Ion Capacitor (SIC) 작동 원리 31
2.2. SIC 연구 동향 34
2.2.1. SIC의 전기화학적 성능 감소 문제 34
2.2.2. SIC 성능 개선을 위한 전극 재료 연구 동향 36
2.3. Fe₂O₃/Fe₃O₄ 42
2.3.1. SIC 전극 재료로써 Fe₂O₃/Fe₃O₄ 장점 42
2.3.2. Fe₂O₃, Fe₃O₄ 기반 전극 재료 연구 동향 44
2.4. 레이저 유도 그래핀 (LIG) 49
2.4.1. 레이저 유도 그래핀 기반 전극 재료 연구 동향 51
3장 실험 설계 및 공정 55
3.1. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 전극 공정 설계 55
3.2. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 전극 제작 공정 61
4장 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 전극 분석 65
4.1. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 전극 성분 분석 65
4.1.1. FE-SEM 및 EDS 분석 65
4.1.2. XPS 분석 69
4.1.3. XRD 분석 72
4.1.4. TEM 분석 74
4.2. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 전극의 전기 화학적 성능 분석 76
4.2.1. 측정 장비 및 소자 특성 측정 방법 76
4.2.2. CV curve 측정 결과 78
4.2.3. Galvanostatic charge discharge (GCD) 측정 결과 82
4.2.4. Areal capacitance, Energy density 분석 85
4.2.5. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 전극의 retention 분석 91
4.3. 타 연구 결과와의 비교 92
5장 결론 94
참고문헌 97
표 1. 리튬과 나트륨의 질량, 이온반경, 가역용량, 생산 비용 비교 26
표 2. CO₂ 레이저의 파워에 따른 LIG 면저항 측정 결과 58
표 3. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG의 제작 공정 62
표 4. 3 전극 실험 준비 과정 77
표 5. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극과 LIG 전극의 스캔 속도에 따른 단위 면적당 평균 용량 및 표준 편차 88
표 6. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극과 LIG 전극의 전류 밀도에 따른 단위 면적당 평균 용량 및 표준 편차 88
표 7. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극과 LIG 전극의 전력 밀도에 따른 평균 에너지 밀도 및 표준 편차 90
표 8. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극과 타 연구와의 성능 비교 93
그림 1. LIC와 EDLC를 비교하기 위한 개략도 (a) graphite와 Lithium source 전극으로 구성된 LIB 개략도 (b) active carbon 전극으로 구성된 EDLC 개략도 28
그림 2. 에너지 저장 장치에 대한 에너지 밀도와 전력 밀도 비교 30
그림 3. 나트륨 이온 배터리의 국제 간행물 증가 추이 30
그림 4. 전해질 소비 메커니즘으로 동작하는 SIC 개략도 31
그림 5. 나트륨 이온 이동 메커니즘으로 동작하는 SIC 개략도 32
그림 6. 혼합 메커니즘으로 동작하는 SIC 개략도 33
그림 7. SIC의 전극 재료로 사용되는 다양한 물질들을 나타내는 개략도 35
그림 8. PIGC//NBEG의 전기 화학적 테스트 그래프 (a) PIGC//NBEG 충방전 곡선. (b) PIGC//NBEG와 PIGC//AC 에너지 밀도 비교. 38
그림 9. TiO₂@CNT@C 전극 기반 SIC와 에너지 저장 소자와 전력 밀도 비교. 41
그림 10. 아령 형태의 Fe₃O₄/C를 확인하기 위한 SEM 및 EDS 분석 (a) Fe₃O₄/C SEM 이미지. (b) Fe 원소를 표시한 EDS 매핑 이미지 (c) O 원소를 표시한 EDS 매핑... 45
그림 11. Fe₃O₄/C의 전기 화학적 테스트 (a) Fe₃O₄/C의 capacitances 그래프 (b) Fe₃O₄/C의 에너지 밀도 그래프 45
그림 12. 마이크로 웨이브를 이용해 Fe₃O₄/Fe₂O₃/NG를 제작하는 공정에 대한 개략도 47
그림 13. Fe₃O₄/Fe₂O₃/NG와 Fe₂O₃/NG의 (a) 용량 비교 그래프 (b) 사이클 성능 비교 테스트 48
그림 14. LIG 제작 공정 그림과 제작된 LIG의 형태를 확인하기 위한 SEM 이미지 그림(a) 폴리이미드 필름에 올빼미 형상의 LIG 패턴을 만들기 위해 올뺴미 형상의... 50
그림 15. 다양한 굳힘 조건에서 진행한 MoS₂-LIG의 전기화학적 특성 테스트 (a) 다양한 굽힘 조건에서 MoS₂₋LIG의 CV 곡선, (b) 다양한 굽힘 조건에서 retention 그래프 52
그림 16. 태양전지와 슈퍼 커패시터 MoS₂-LIG를 결합하여 팬 모터 구동이 가능한 독립형 자체 전원 시스템 (a) 독립형 자체 전원 시스템의 충전 테스트 (b)... 54
그림 17. LIG 제작에 사용한 CO₂ 레이저 장비 VLS2.30DT-30W 56
그림 18. LIG 면저항 측정 실험에서 멀티미터 측정 위치 57
그림 19. CO₂ 레이저의 파워에 따른 LIG 면저항 측정 결과 그래프 58
그림 20. 전극 제작에 사용한 산소 플라즈마 장비는 COVANCE-1MP 60
그림 21. 산소 플라즈마 처리한 LIG와 산소 플라즈마 처리하지 않은 LIG 위에 DI.water를 떨어뜨려 습윤성이 개선됐는지 확인한 사진 60
그림 22. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG의 제작 개략도 62
그림 23. CO₂ 레이저를 조사하여 생성된 LIG의 평면도 63
그림 24. PI 필름 위에 레이저 공정으로 제작된 LIG의 사진 63
그림 25. Iron chloride solution 제작에 사용한 시약 사진 (a) 실험에 사용한 Iron chloride (b) 제작된 2 M Iron oxide chloride solution 64
그림 26. 레이저 조사에 의해 형성된 LIG 섬유 형태의 구조 표면에 Fe₂O₃/Fe₃O₄ 나노 입자들이 붙어있는 모양을 보여주는 SEM 이미지 67
그림 27. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 전극 표면의 (a) 기공구조를 보여주는 SEM 이미지. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 전극 표면의 (b) 탄소 (c) 철 (d) 산소 (e) 염소의 분포를 확인하는... 68
그림 28. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 전극 내 C, O, Cl, Fe의 함량을 보여주는 EDS 분석 결과 69
그림 29. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG의 화학적 결합을 분석하기 위한 XPS 분석 (a) Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극에서 Fe-O, C-O, Fe-O-C 결합 피크를 나타내는 O1s... 71
그림 30. Fe 2p₃/₂피크 와 Fe 2p₁/₂ 피크를 나타내는 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극의 Fe 2p 스펙트럼 분석 그래프[이미지참조] 71
그림 31. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극의 결정 구조를 확인하기 위해 진행한 XRD 스펙트럼 분석 그래프 73
그림 32. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극 내 Fe₂O₃/Fe₃O₄ 나노 입자를 확인하기 위해 진행한 TEM 분석 (a) Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극 TEM 이미지 (b) (206) 평면의 Fe₂O₃... 75
그림 33. 작동 전극 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG, 기준전극 Ag/Agcl, 상대 전극 백금 호일, 전해질 Na₂SO₄ 수용액을 사용하여 구성한 3 전극 실험 구성 사진 77
그림 34. 3 전극과 IVIUM potentiostat 을 연결한 개략도 79
그림 35. CV 곡선을 측정하는 IVIUM 설정 화면과 각 항목에 대한 설명 80
그림 36. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극과 LIG의 CV 측정 그래프 (a) Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극의 CV 그래프 (b) LIG 전극의 CV 그래프 80
그림 37. 50mV s⁻¹의 스캔속도에서 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극과 LIG 전극의 CV 곡선 비교 그래프 81
그림 38. 충방전 곡선을 측정하는 IVIUM 설정 화면과 각 항목에 대한 설명 83
그림 39. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극과 LIG의 충방전 그래프 (a) Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극의 충방전 그래프, (b) LIG 전극의 충방전 그래프 83
그림 40. 0.5 mA cm⁻²의 전류 밀도에서 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극과 LIG 전극의 충방전 곡선을 비교 84
그림 41. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극과 LIG의 areal capacitance 비교 그래프 (a) Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG, LIG 4개 전극의 스캔 속도에 따른 단위 면적당 용량 비교 그래프... 87
그림 42. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG, LIG 4개 전극의 전력 밀도에 따른 에너지 밀도 비교 90
그림 43. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극과 LIG 전극의 사이클링 안정성 테스트 결과 그래프 91
그림 44. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극과 타 연구와의 성능 비교 그래프 93