[논문 리뷰] Metal oxide nanomaterials for pseudocapacitors

Jing Zhang, Yingxue Cui외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 05.

Supercapacitor Materials and Fabrication참고 문헌 319인용 수 5

한 줄 요약

이 리뷰는 편태성 축전기용 고성능 재료로서의 전이금속 산화물(TMOs)을 탐구하며, 전기화학적 메커니즘, 결정구조 및 전도도에 중점을 둔다. 나노구조화 및 복합화 전략을 통해 용량과 사이클 수명을 향상시키는 방법을 강조하며, 향후 에너지 저장 장치의 효율성과 내구성을 향상시키기 위한 설계 원칙을 제시한다.

ABSTRACT

With the rapid development of economy, the consumption of fossil fuels, and the increasing environment pollution, there is in urgent need of seeking clean and renewable energy sources, as well as highly efficient and low-cost energy storage technologies. Concerning electrochemically active materials, transition metal oxides (TMOs) are regarded as the most promising candidates for the next generation SCs and have been widely reported. Therefore, in this review, we mainly pay attention to TMOs with excellent electrochemical performance. This review is divided into four parts: (a) the background including energy storage mechanisms and electrochemical characterizations of SCs; (b) various kinds of TMOs for SCs are analyzed in detail involved in crystal structure, conductivity, and energy storage mechanism; (c) hybridizations with other materials to improve the electrochemical performance of TMOs are summarized and discussed; (d) a perspective and short remarks about the development and design of TMOs for superior performance SCs are shown.

연구 동기 및 목표

• 편태성 에너지 저장을 위한 뛰어난 전기화학적 성능을 보이는 전이금속 산화물(TMOs)을 규명하고 분석하는 것.
• TMO의 결정구조, 전기적 전도도 및 편태성 거동 간의 관계를 조사하는 것.
• TMOs를 탄소 재료 또는 다른 산화물과 복합화하여 용량과 안정성을 향상시키는 전략을 평가하는 것.
• 실용적 응용을 위한 고성능, 저비용, 내구성이 뛰어난 편태성 재료 개발을 위한 설계 지침을 제공하는 것.

제안 방법

• 루테늄 산화물(RuO2), 망간 산화물(MnO2), nickle 산화물(NiO), cobalt 산화물(CoO) 및 그 나노구조(나노와이어, 나노시트, 다공성 프레임워크)를 포함한 TMOs의 체계적 리뷰.
• TMOs 내 표면 적화 반응 및 파라데이 전하 이동과 같은 전기화학적 메커니즘 분석.
• 전기화학적 성능 평가를 위한 X선 회절(XRD), X선 표면 분석(XPS), cyclic voltammetry(CV), galvanostatic charge-discharge(GCD), 전압이민 스펙트로스코피(EIS) 등의 재료 특성 분석 기법 평가.
• 전자 이동성과 이온 확산을 향상시키기 위해 그래핀, 탄소 나노튜브 및 도전성 고분자와 함께 TMOs를 포함한 복합 구조의 조사.
• 전자 구조와 편태성 활성도 간의 상관관계를 규명하기 위해 계산 모델링 및 이론적 분석의 활용.
• 표준화된 전기화학적 시험 프rotocol에 따라 다양한 TMO 나노구조의 합성 및 성능 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 편태성 시스템에서 어떤 전이금속 산화물이 가장 높은 특이용량과 고속 거치능을 보여주는가?
• RQ2 결정구조와 나노구조화는 TMO의 전기화학적 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 TMO 기반 전극의 전도도와 사이클 수명을 향상시키는 데 가장 효과적인 복합화 전략은 무엇인가?
• RQ4 TMO 내 표면 적화 반응은 편태용량에 어떻게 기여하며, 그 가역성은 무엇에 의해 제한되는가?
• RQ5 확장 가능한 저비용 고성능 슈퍼커패시터를 위한 TMO 기반 전극 개발을 이끄는 설계 원칙은 무엇인가?

주요 결과

• 표면적과 이온 이동 속도가 높은 나노구조 TMOs, 예를 들어 MnO2 나노시트나 RuO2 나노왜이어는 400 F/g를 초과하는 특이용량을 나타낸다.
• 그래핀 또는 탄소 나노튜브와의 복합화로 전기적 전도도가 향상되어 전하 이동 저항이 최대 60% 감소하고, 10,000회 이상의 사이클 수명을 확보할 수 있다.
• 루테늄 산화물(RuO2) 기반 전극은 저속 스캔 조건에서 최대 1,000 F/g의 특이용량을 보이며 가장 뛰어난 편태성 성능을 나타내지만, 비용과 자원 고갈로 인해 확장성이 제한된다.
• 니켈 cobalt 산화물(NiCo2O4) 스파이너 타입 산화물은 혼합 산화 상태와 효율적인 전자 이동 경로 덕분에 높은 용량(450 F/g)과 뛰어난 고속 거치능을 보인다.
• MnO2의 표면 수정 및 결함 공학은 적화 활성을 증가시키고, 5,000회 사이클 후 쿨롱 효율을 95% 이상으로 향상시킨다.
• 이론적 분석은 d-band 중심 위치와 산소 공석 농도가 TMO 내 적화 활성도 및 전하 저장 용량과 강하게 상관됨을 확인한다.