탄소 중립으로의 전환으로 인해 에너지 저장 장치에 대한 수요가 증가하였지만, 낮은 에너지 밀도의 기존 에너지 저장 소재는 그 수요를 충족시키는 데 어려움이 있다. 또한, 이러한 재료를 제작하기 위한 전통적인 합성 방법은 주로 고비용, 장시간의 단계가 수반되어야 해서 대량생산이 어렵다. 이러한 단점을 극복하기 위해 에너지 저장 장치를 위한 새로운 소재 및 합성 방법을 개발이 필요하다. 본 논문에서는 자가전파 연소반응을 통한 탄소 및 금속 산화물 복합체의 합성 및 에너지 저장 장치용 고성능 전극 재료에 대한 적용을 논의한다. 먼저, 슈퍼커패시터의 전극 재료로서 TiO₂/RuO₂ 하이브리드 복합체를 합성하기 위한 방법으로 자가전파 연소반응을 적용하였다. 이 방법에서는 가연성 니트로셀룰로오스 및 TiO₂ 나노입자를 전구체로 사용하여 최외각에 기능성 금속 산화물의 희생층 역할을 하는 탄소 템플릿을 생성하였다. 니트로셀룰로오스의 초기 비율을 조절함으로써 잔류 탄소를 제어할 수 있었다. 조절 가능한 TiO₂/RuO₂ 하이브리드 복합체를 만들기 위해 형성된 탄소 템플릿을 RuO₂ 로 치환하여 코어-쉘 TiO₂@RuO₂ 나노 구조 또는 TiO₂ 나노 입자가 삽입된 RuO₂ 클러스터를 생성하였다. 이러한 하이브리드 복합체는 슈퍼커패시터의 전극으로 적용되었으며, 최적의 두께의 수화 RuO₂ 가 상호 확산 및 양성자 수송을 용이하게 하여 높은 비용량을 나타내었다. 또한 가장 바깥쪽 RuO₂ 의 비정질 특성과 내부 TiO₂ 안정성은 충전-방전 사이클의 가혹한 응력에 대한 견고성을 제공하여 높은 내구성을 가지게 되었다.
둘째, 슈퍼커패시터의 전극 재료로 사용하기 위한 염화소듐 보조제를 사용한 자가전파 연소반응을 통해 질소 도핑된 큐브 형태의 계층형 다공성 탄소 쉘(N-C-HPCS)을 합성하는 방법을 개발하였다. 니트로셀룰로오스 연료층 및 템플릿인 염화소듐 입자로 구성된 하이브리드를 준비하고, 자가전파 연소반응을 일으키면 몇 초 내로 필름 전체를 통과하여 조절 가능한 질소 도핑된 다공성 탄소(N-PC) 구조를 생성할 수 있었다. 그 후, 물로 간단하게 세척하여 템플릿을 제거한 후, 니트로셀룰로오스 투입량을 변화하면 열화학 반응의 세기를 조절하여 N-C-HPCS 구조 제작할 수 있다. 다른 전구체는 밀도가 높거나 낮은 N-PC 구조를 생성할 수 있다. 슈퍼커패시터 전극으로 개발된 N-C-HPCS 의 전기화학적 성능은 반쪽 전지와 대칭형 2 전극 전지 구성을 통해 측정되었다.
다음으로, 탄소나노뉴브(CNT)에 의해 유도된 자가전파 연소반응을 사용하여 산화철과 CNT 의 복합체를 합성하는 방법을 제안하였다. 이 공정은 Multi-walled CNT(MWCNT), 철 질산염 및 가연성 니트로셀룰로오스로 구성된 필름을 제작 후 자가전파 연소반응을 발생시키면 수 초 만에 복합체를 합성할 수 있다. 복합체는 MWCNT 네트워크에 의해 얽힌 수백 나노 크기의 입자의 산화철로 구성된다. 합성된 복합체를 리튬이온 배터리의 음극 재료로 활용하고, 최적화된 복합체 조합을 확보하였다. 제작된 배터리 셀의 우수한 안정성을 형태적, 그리고 전기화학적 분석에 의해 분석하였고, 그 결과 MWCNT 네트워크에 의해 포착된 분쇄된 나노입자가 산화환원 및 유사 커패시턴스의 하이브리드로 부터의 용량을 증진시킨다는 사실을 확인하였다.
본 논문에서는 탄소 및 금속 산화물로 구성된 새로운 에너지 저장 물질과 합성 방법에 대해 논의한다. 본 논문에서 제시된 내용은 고성능 에너지 저장 물질 개발뿐만 아니라 다양한 전기화학적 응용에도 기여할 잠재력이 있다.