[논문 리뷰] Influence of aqueous electrolytes on electrochemical performance of vertical graphene nanosheets supercapacitor electrode

Subrata Ghosh, Bhavana Gupta외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 28.

Supercapacitor Materials and Fabrication참고 문헌 53인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 수용성 전해질(Na2SO4, KOH, H2SO4)을 사용하여 수직 그래핀 나노시트(VGN)를 슈퍼커퍼시터 전극으로 활용하는 것을 조사한다. H2SO4 전해질이 188 µF/cm²의 최고의 특정 면적 용량을 제공하고, 200회 사이클 후 96.8%의 용량 유지율을 보이며, 저항 변화가 최소화됨을 입증한다. VGN는 마이크로파 플라즈마 증착화학기상법(MPECVD)을 통해 합성되었으며, SEM, TEM, 라만 분석 및 접촉각 측정을 통해 구조와 전기화학적 성능 간의 상관관계를 분석하였다.

ABSTRACT

Vertical graphene nanosheets (VGN) grown as controlled porous network are studied and demonstrated as a promising electrode material for supercapacitors. The VGN synthesized by microwave plasma enhanced chemical vapor deposition using CH4/Ar gas mixture as precursor are considered for electrochemical performance in Na2SO4, KOH, and H2SO4 to delineate the electrolyte effect. Among the electrolytes, H2SO4 exhibited excellent specific areal capacitance (188 microfarad/cm2) and good capacitance retention (96.8%). No significant change is observed in impedance spectra even after 200 cycles. An electric equivalent circuit for the system is simulated from Nyquist plot to elucidate the behavior of electrode/electrolyte interface. This potential supercapacitor electrode material is well characterized by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, and contact angle measurement. Utilization of aqueous electrolytes for potential supercapacitors is also discussed in relation to improved performance observed in H2SO4 medium.

연구 동기 및 목표

• 다양한 수용성 전해질에서 수직으로 정렬된 그래핀 나노시트(VGN)의 전기화학적 성능을 평가하는 것.
• VGN 기반 슈퍼커퍼시터에서 용량과 안정성을 극대화하는 최적의 전해질을 규명하는 것.
• VGN의 미세구조 및 표면 특성과 전기화학적 거동 간의 상관관계를 규명하는 것.
• 임피던스 스펙트로스코피 및 등가 회로 모델링을 통해 전극/전해질 계면 거동을 이해하는 것.

제안 방법

• CH4/Ar 기체 혼합물을 사용하여 마이크로파 플라즈마 증착화학기상법(MPECVD)을 통해 수직 그래핀 나노시트(VGN)를 합성하였다.
• 순환 voltammetry 및 일정 전류 충·방전 측정을 통해 세 가지 수용성 전해질(Na2SO4, KOH, H2SO4)에서 전기화학적 성능을 평가하였다.
• 전기화학적 임피던스 스펙트로스코피(EIS)를 수행하여 전하 이동 저항 및 계면 거동을 분석하였으며, Nyquist 도표에 기반한 등가 회로 모델을 적합시켰다.
• 표면 거칠기 및 형상 특성을 스캐닝 전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM), 라만 분석을 통해 분석하였다.
• 이온 접근성 및 계면 전하 이동과의 상관관계를 위해 접촉각 측정을 통해 표면의 습윤성능을 평가하였다.
• 장기 안정성을 평가하기 위해 200회 충·방전 사이클 동안 용량 유지율과 쿠론 효율을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Na2SO4, KOH, 또는 H2SO4 중 어떤 수용성 전해질이 수직 그래핀 나노시트 전극에서 가장 높은 특정 면적 용량을 제공하는가?
• RQ2 임피던스 스펙트로스코피를 통해 VGN과 다양한 수용성 전해질 간의 계면 전하 이동 거동은 어떻게 다를까?
• RQ3 반복적인 사이클링 이후 VGN 전극의 장기 전기화학적 안정성은 각 전해질에서 어떻게 나타나는가?
• RQ4 VGN의 미세구조 및 표면 화학은 이온 이동 및 용량 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 등가 회로 모델은 VGN 기반 슈퍼커퍼시터의 전극/전해질 계면을 얼마나 정확하게 표현하는가?

주요 결과

• H2SO4 전해질이 188 µF/cm²의 가장 높은 특정 면적 용량을 제공하여 Na2SO4 및 KOH를 뛰어넘었다.
• H2SO4에서 VGN 전극은 200회 충·방전 사이클 후 96.8%의 뛰어난 용량 유지율을 보였다.
• 200회 사이클 후에도 임피던스 스펙트럼에 유의미한 변화가 관찰되지 않아 높은 전기화학적 안정성을 나타냈다.
• Nyquist 도표에서 유도된 등가 회로 모델이 전극/전해질 계면 거동을 효과적으로 기술하였다.
• 접촉각 측정 결과 H2SO4에서 표면 습윤성이 향상되어 이온이 VGN 표면에 쉽게 접근함을 확인하였다.
• 라만 분석을 통해 낮은 결함 농도를 가진 고순도 그래핀의 존재를 확인하였으며, 이는 효율적인 전하 이동을 뒷받침한다.