높은 준비

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 16221(2023) 이 기사 인용

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슈퍼커패시터를 기반으로 한 에너지 저장 시스템의 중요성으로 인해 다양한 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 CuO, NCNO 및 CuO/NCNO와 같은 꽃이 이 분야의 새로운 재료로 연구되었습니다. 결과는 합성된 CuO 나노구조물이 FE-SEM 분석에 의해 연구된 꽃과 같은 형태를 가짐을 보여주었습니다. 또한, XRD 패턴을 통해 CuO/NCNO 나노복합체의 결정성 특성을 확인하였고, Raman을 통해 CuO/NCNO 나노복합체 구성성분의 작용기와 진동을 확인하였다. 전류밀도 4A/g의 2전극 시스템에서 정전용량, 전력밀도, 에너지밀도는 각각 450F/g, 3200W/kg, 98Wh/kg이었다. CuO 전극과 NCNO/CuO 전극의 전하 이동 저항은 각각 8Ω과 2Ω으로 나타났으며, 이는 나노복합체의 전도성과 초용량 특성이 순수 구성 요소보다 우수하다는 것을 보여줍니다. 또한 안정성과 낮은 전하 이동 저항은 2대칭 전극 조사에서 얻은 또 다른 장점입니다. 안정성 조사에 따르면 3000회 연속 사이클 후에 CuO/NCNO 전극의 초기 정전용량이 4%만 감소한 것으로 나타났습니다.

배터리 및 기존 커패시터와 같은 에너지 저장 장치는 큰 크기, 낮은 전력 밀도, 낮은 정전 용량, 긴 충전 시간, 짧은 수명 및 환경 오염으로 인해 사용이 제한되어 왔습니다1,2,3,4,5,6 ,7,8,9. 슈퍼커패시터는 초고밀도, 고속 충방전 속도, 고용량, 생체적합성 등 우수한 특성을 지닌 개발된 전기화학 커패시터로서 산업 규모의 응용(전기자동차, 전기설비, 공장의 전력지원) 등을 소개합니다. 에너지 저장 장치10,11,12,13,14,15,16,17 사용 분야에서 발생하는 문제를 부분적으로 해결했습니다. 전기화학적 슈퍼커패시터는 전극 구조에 사용되는 물질의 유형에 따라 두 가지 전하 저장 메커니즘을 가지고 있습니다. 전극-전해질 계면의 전하 저장 메커니즘은 전기 이중층 커패시터(EDLC)18,19의 이온 흡착으로 인해 발생합니다. EDLC 전기화학적 슈퍼커패시터 시스템은 주로 활성탄, 탄소나노튜브, 그래핀20,21,22,23,24,25,26과 같은 높은 표면적과 다공성 구조를 가진 탄소 재료로 구성됩니다. 의사 커패시터에서 전하 저장 메커니즘은 산화환원 반응 또는 전자 전달(패러데이 반응)을 기반으로 합니다. 전도성 고분자, 금속 및 전이 금속 산화물은 구조27,28,29,30,31에 자주 사용됩니다. 탄소나노재료는 접근성이 용이하고, 화학적, 기계적 안정성이 높으며, 표면적이 크고, 전기 전도성이 뛰어나 전기화학적 슈퍼커패시터용 전극에 가장 적합한 재료입니다. 전기화학 분야, 특히 에너지 저장 분야에서 순수 탄소 나노물질의 풍부한 사용에도 불구하고, 낮은 정전용량 및 에너지 밀도로 인해 상업적 용도가 제한되었습니다. 탄소 매트릭스 구조에 인(P), 질소(N), 산소(O), 황(S), 불소(F)와 같은 헤테로원자를 도핑하는 것은 전기화학적 특성을 개선하고 상용화하는 데 적합한 변형 접근법 중 하나입니다. 탄소나노재료32,33,34. 질소(N) 헤테로원자는 탄소 나노물질의 구조 내 통합의 용이성, 다양한 화학적 형태의 구조 내 배치, 산화환원 반응을 위한 활성 부위 생성으로 인해 다른 헤테로원자보다 더 많이 연구되어 왔습니다. 또한, C 및 H 원자에 비해 전기음성도가 높은 N 원자는 인접한 탄소 원자에 양전하를 유도하여 전극 표면의 활성 부위를 증가시켜 전해질 이온을 결합시키고 전극 습윤성을 향상시킵니다. 탄소 나노 양파(CNO)는 SP2 혼성화를 통해 여러 층의 그래핀을 포함하는 탄소 입자입니다. CNO 구체의 층상 구조는 많은 이온 채널과 기공을 생성할 뿐만 아니라 구조의 외부 표면에 대한 접근성을 증가시키며 이러한 구조적 특징은 전기촉매 활성을 증가시킵니다. 우수한 전기화학적 활성과 높은 충방전 속도에도 불구하고 CNO 구조에서는 정전용량과 비에너지가 낮습니다. CNO 구조의 비정전용량과 저항을 높이기 위한 기본적인 접근 방식은 구조에 N 원자를 도핑하는 것입니다. 이는 표면의 전해질 이온 흡착을 위한 활성 표면 중심을 증가시켜 정전용량을 증가시킬 수 있습니다. N 도핑된 CNO 구조의 적용에 대해 제공된 몇 가지 보고서를 기반으로 슈퍼커패시터 분야에서 이러한 탄소 구조의 적용을 개선하려면 많은 노력이 필요합니다. 전극 구조에 전이 금속 산화물(TMO)을 사용하면 가역적 산화환원 반응, 에너지 밀도 및 커패시턴스가 증가합니다. 전극 구조(의사 용량성 전극)에 TMO를 사용하면 비정전용량이 증가하지만 제한된 전위 창으로 인해 에너지 밀도를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 일차적이고 실용적인 해결책은 의사 커패시터 재료인 TMO와 EDLC 재료인 탄소 나노재료를 결합하고 금속 산화물/탄소 나노구조 기반 나노복합체를 전기화학적 슈퍼커패시터의 전극 재료로 적용하는 나노복합체 제조입니다. 언급된 나노복합 재료로 만든 커패시터는 EDLC 커패시터와 유사 커패시터의 하이브리드로, 두 가지 유형 모두 우수한 특성을 가지고 있습니다.