[논문 리뷰] Graphene based Supercapacitors with Improved Specific Capacitance and Fast Charging Time at High Current Density

Santhakumar Kannappan, K. Karthikeyan외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 06.

Supercapacitor Materials and Fabrication인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 2.5 A g⁻¹에서 특정 용량 195 Fg⁻¹ 및 에너지 밀도 83.4 Whkg⁻¹를 달성하여 약 25초 내에 빠른 충전을 이룬 그래핀 기반 슈퍼커퍼시터를 제시한다. 64.18 Whkg⁻¹의 에너지를 방출하는 데 소요되는 시간은 약 25초이다. 성능 향상의 원인은 이온 접근성 향상과 고전류 밀도에서의 안정된 작동을 가능하게 하는 최적화된 전류 수거 방법을 갖춘 고도로 다공성이며 재결합되지 않은 그래핀 구조에 기인한다. 10,000회 사이클 후에도 용량 유지율이 98%에 이르며, 고전류 밀도에서 안정적인 작동이 가능하다.

ABSTRACT

Graphene is a promising material for energy storage, especially for high performance supercapacitors. For real time high power applications, it is critical to have high specific capacitance with fast charging time at high current density. Using a modified Hummer's method and tip sonication for graphene synthesis, here we show graphene-based supercapacitors with high stability and significantly-improved electrical double layer capacitance and energy density with fast charging and discharging time at a high current density, due to enhanced ionic electrolyte accessibility in deeper regions. The discharge capacitance and energy density values, 195 Fg-1 and 83.4 Whkg-1, are achieved at a current density of 2.5 Ag-1. The time required to discharge 64.18 Whkg-1 at 5 A/g is around 25 sec. At 7.5 Ag-1 current density, the cell can deliver a specific capacitance of about 137 Fg-1 and maintain 98 % of its initial value after 10,000 cycles, suggesting that the stable performance of supercapacitors at high current rates is suitable for fast charging-discharging applications. We attribute this superior performance to the highly porous nature of graphene prepared with minimum restacking due to crimple nature wrinkles and the improved current collecting method.

연구 동기 및 목표

• 고특정 용량과 빠른 충전 성능을 갖춘 고출력 응용을 위한 그래핀 기반 슈퍼커퍼시터 개발.
• 기존 그래핀 슈퍼커퍼시터에서 고전류 밀도에서 용량 감소 및 느린 반응 동역학 문제 해결.
• 구조적 공학을 통해 그래핀 전극 내 이온 전해질 접근성 향상.
• 고속성능을 지원하기 위한 전류 수거 효율성 향상.
• 고전류 밀도 작동 조건에서 안정적이고 장기적인 사이클링 성능 확보.

제안 방법

• 재결합을 줄이고 주름을 유도하기 위해 수정된 히머 방법을 통해 그래핀 합성 후 톱 소닉을 실시.
• 이온 이동성과 전해질 접근성을 향상시키기 위해 고도로 다공성인 그래핀 구조를 형성하고 천연 주름을 유도.
• 저항을 최소화하고 전자 이동을 향상시키기 위해 최적화된 전류 수거 방법을 적용.
• 다양한 전류 밀도에서 사이클릭 voltammetry, 일정 전류 충·방전 및 사이클링 안정성 시험을 통한 전기화학적 특성 분석.
• 최대 7.5 A g⁻¹까지의 고전류 조건에서 특정 용량, 에너지 밀도 및 충·방전 시간 측정.
• 형태학적 특성과 성능 간의 상관관계를 분석하기 위해 구조적 및 전기화학적 특성 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수정된 히머 방법과 톱 소닉을 조합하여 재결합이 감소하고 다공성이 향상된 그래핀을 얻을 수 있는가? 이는 슈퍼커퍼시터 성능 향상에 기여하는가?
• RQ2 주름진 다공성 그래핀 구조의 존재가 고전류 밀도에서 이온 접근성 향상과 이온 확산 저항 감소에 중대한 기여를 하는가?
• RQ3 최적화된 전류 수거 방법이 그래핀 기반 슈퍼커퍼시터의 고속성능 향상과 극성 저감에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 특정 용량과 에너지 밀도가 고전류 밀도(예: 2.5–7.5 A g⁻¹)에서도 유의미한 열화 없이 유지될 수 있는가?
• RQ5 고전류 밀도 조건에서 장기적인 사이클링 안정성은 어떠한가? 특히 10,000회 사이클 후 성능은 어떻게 되는가?

주요 결과

• 2.5 A g⁻¹ 전류 밀도에서 슈퍼커퍼시터는 특정 용량 195 Fg⁻¹ 및 에너지 밀도 83.4 Whkg⁻¹를 달성하였다.
• 5 A g⁻¹ 조건에서 64.18 Whkg⁻¹의 에너지를 방출하는 데 약 25초가 소요되었다.
• 7.5 A g⁻¹에서 특정 용량은 약 137 Fg⁻¹를 유지하였으며, 10,000회 사이클 후에도 98%의 용량 유지율을 기록하였다.
• 고도로 다공성이며 재결합되지 않은 그래핀 구조에 주름진 미세 구조가 포함되어 있어 이온 전해질 접근성 향상과 더 빠른 이온 이동이 가능했다.
• 최적화된 전류 수거 방법이 내부 저항 감소와 고속성능 향상에 기여하였다.
• 구조적 공학과 인터페이스 최적화의 조합이 극한의 전류 조건에서도 안정적이고 고출력 작동을 가능하게 하였다.