초대용량전기화학축전기전극용 MnO₂/그라펜 나노복합물의 합성과 전기화학적특성

경애하는 김정은동지께서는 다음과 같이 말씀하시였다.

《첨단과학기술분야에서 세계적경쟁력을 가진 기술들을 개발하기 위한 투쟁을 힘있게 벌려야 합니다.》

경애하는 김정은동지의 말씀을 높이 받들고 우리는 세계적으로 첨단재료로 인정되고있는 그라펜을 전기화학적으로 제조하고 MnO₂/그라펜 나노복합물을 만들어 새형의 록색에네르기저장장치인 초대용량축전기의 전극재료로 도입하기 위한 연구를 진행하였다.

초대용량전기화학축전기(SuperCapacitor:SC)는 일종의 신형록색에네르기저장장치이다.

SC는 높은 출력밀도, 고속충방전, 매우 긴 사용수명 등과 같은 우점들로 하여 사람들의 큰 관심을 모으고있다.

이러한 우수한 특성들로 하여 SC는 전기자동차를 비롯한 혼합형동력차들, 휴대용전자제품들 등에서 전도유망한 응용잠재력을 가지고있다.

SC의 응용잠재력을 충분히 발휘하자면 록색형의 값눅은 전극재료를 선택하는것과 함께 비용량특성을 훨씬 개선하여야 한다.

우리는 MnO₂/그라펜 나노복합물전극재료의 합성방법을 새롭게 개발하여 전극의 비용량특성을 개선하였다.

우리는 먼저 그라펜과 MnO₂을 따로따로 합성하였다.

합성된 그라펜과 이산화망간을 각각 에틸렌글리콜용액에 분산시키고 5h동안 초음파처리한 후 교반하면서 일정한 질량비로 혼합하였다.

그라펜과 MnO₂의 배합비가 1:2, 1:4, 1:6인 복합물을 만들고 80℃에서 10h동안 진공건조하였다.

복합물의 결정구조는 X선회절분석기로 검토하였는데 2θ=23°에서는 그라펜의 회절봉우리가, 2θ=12, 37, 66°에서는 MnO₂의 회절봉우리가 뚜렷하게 나타났다.

복합물의 SEM분석으로부터 우리가 만든 복합물이 잘 발달된 기공구조와 100nm이하의 크기를 가진 구형물질이라는것을 확인하였다.

3전극체계에서 70mA/g의 정전류조건으로 전극의 비용량을 결정하였는데 배합비가 1:4인 경우에 287F/g으로서 1:2(225F/g)와 1:6(234F/g)인 경우보다 훨씬 더 컸다.

MnO₂/그라펜복합재료의 비용량은 순수한 그라펜전극의 비용량(200F/g)보다 훨씬 더 큰 값을 가진다.

이것은 전도성이 좋고 비표면적이 큰 나노그라펜의 정전기적전하흡착과 함께 그라펜알갱이겉면에 피복된 나노MnO₂에서 다음과 같은 준파라데이반응이 진행되기때문이다.

MnO₂ + X⁺ + e^-⇔ MnOOX

(X⁺ = Na⁺, H₃O⁺)

우리가 새롭게 합성한 MnO₂/그라펜 나노복합물전극재료는 원가가 눅으면서 성능이 높은 SC의 실용적인 전극재료로서 의의가 대단히 크다.