[논문 리뷰] Two Dimensional heterostructure and its application in efficient quantum energy storage

Meenakshi Talukdar, Sushant Kumar Behera외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 01.

Supercapacitor Materials and Fabrication참고 문헌 62인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 고성능 평면형 마이크로 초평탄세라믹스를 위한 2차원 이종구조체를 제안한다. 그래피틱 탄소 질화물(g-C₃N₄)과 FeNi₃을 조합하여 전기 이중층(EDLC) 및 허위용량성 재료 간의 상호보완적 효과를 활용함으로써, 향상된 양자 용량, 초고에너지 밀도(0.30 mWh cm⁻³), 19.21 mF cm⁻²의 면적 용량, 94%의 유지율, 1000회 사이클 안정성 및 최소한의 열화를 달성하였다.

ABSTRACT

Portable miniaturized energy storage micro-supercapacitor has engrossed significant attention due to its power source and energy storage capacity, replacing batteries in ultra-small electronic devices. Fabrication with porous and 2D graphitic nanomaterials with high conductivity and surface area signify high performance of micro-supercapacitor. In order to satisfy the fast-growing energy demands for the next-generation, we report performance and design of a 2D heterostructure of EDLC (g-C$_3$N$_4$) & pseudocapacitive (FeNi$_3$) resulting low ionic diffusion path and prominent charge storage based on their synergic functionalities. This heterostructure system shows an enhanced quantum capacitance (38% enhancement) due to delocalized states near Fermi level. Having achieved the areal capacitance of 19.21 mFcm$^{-2}$, capacitive retention (94%), enhanced power density (17 fold) having ultrahigh energy density of 0.30 Wh.cm$^{-3}$ and stability of the material even without any obvious degradation after 1000 cycles, this smart heterostructure acts as a new platform for designing high-performance in-plane micro-supercapacitor.

연구 동기 및 목표

• 차세대 이동식 전자기기용 고성능 평면형 마이크로 초평탄세라믹스 개발
• 소형화 시스템에서 전통적인 에너지 저장 장치의 한계를 극복하기 위해 용량과 에너지 밀도를 향상시키기
• EDLC 및 허위용량성 재료를 조합한 2차원 이종구조체를 설계하여 상호보완적 전하 저장 기능 달성
• 재료의 열화 없이 초고출력 밀도와 장기 사이클 안정성 확보
• 효율적인 양자 에너지 저장을 위한 이온 확산 경로 및 전자 전도도 최적화

제안 방법

• 평면 기판에 g-C₃N₄(EDLC 재료)와 FeNi₃(허위용량성 재료)를 통합하여 2차원 이종구조체를 제조하였다.
• 2차원 이종구조체의 낮은 이온 확산 경로를 활용하여 이온 이동 및 전하 이동 동역학을 향상시켰다.
• Fermi 수준 근처의 비국소화된 전자 상태를 활용하여 양자 용량을 38% 향상시켰다.
• 다공성이며 고도로 전도성이 높은 2차원 나노재료를 활용하여 표면적과 전기 전도도를 최대화하였다.
• 전기화학적 임피던스 분석, 사이클릭 voltammetry, 일정 전류 충전-방전 시험을 통해 시스템을 특성화하였다.
• 고면적 용량과 고출력 밀도를 확보하기 위해 평면형 구조를 최적화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 g-C₃N₄와 FeNi₃의 2차원 이종구조체가 전자 구조 조절을 통해 양자 용량을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 EDLC 및 허위용량성 재료의 통합이 마이크로 초평탄세라믹스의 면적 용량과 에너지 밀도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 이온 확산 경로 길이의 감소가 전하 저장 동역학과 출력 밀도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 1000회 충전-방전 사이클 후 이종구조체의 성능 유지 정도는 어떠한가?
• RQ5 초고에너지 밀도를 확보하면서도 고출력 밀도와 안정성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 2차원 이종구조체는 Fermi 수준 근처의 비국소화된 전자 상태로 인해 양자 용량이 38% 향상되었다.
• 19.21 mF cm⁻²의 면적 용량을 달성하여 단위 면적당 높은 전하 저장 능력을 보였다.
• 1000회 사이클 후 94%의 용량 유지율을 보이며 뛰어난 장기 안정성을 확인하였다.
• 0.30 mWh cm⁻³의 초고에너지 밀도를 달성하였으며, 기존 시스템 대비 출력 밀도가 17배 향상되었다.
• 1000회 사이클 후에도 명백한 열화가 관찰되지 않아 구조적 및 전기화학적 안정성이 뛰어나다는 것을 입증하였다.
• g-C₃N₄와 FeNi₃ 간의 상호보완적 기능이 효율적인 이온 이동과 전자 이동을 가능하게 하여 전반적인 성능 향상을 이끌었다.