폐면장갑으로부터 제조된 계층적 활성탄소 섬유: 슈퍼커패시터용 고성능 전극

초록

바이오매스 유래 나노탄소를 슈퍼커패시터에 활용하는 데 가장 큰 걸림돌 중 하나는 활성화 과정에서 고유 구조가 손실되는 것입니다. 본 연구에서는 폐면장갑(CG)을 전구체로 이용해 새로운 종류의 활성탄소 섬유(ACF)를 소개합니다. 셀룰로오스로 주로 구성된 CG는 열분해와 KOH 활성화 시 섬유 형태를 자연스럽게 유지하며, 3차원 상호연결 프레임워크와 고도로 계층적인 기공 시스템을 가진 소재를 생성합니다. 그 결과 CG 유래 ACF(CGACF)는 1,435 m² g⁻¹의 뛰어난 BET 비표면적을 보이며, 1.3 nm 미세기공과 2.7 nm 중기공이 주를 이루고 원래 섬유 골격을 보존합니다. 이 구조는 전해질과 전자 확산 저항을 동시에 최소화하면서 전하 저장 용량을 극대화합니다. 결과적으로 CGACF는 0.1 A g⁻¹에서 218 F g⁻¹ 비용량을 보이며, 놀랍게도 20 A g⁻¹ 초고전류 밀도에서 용량의 88%를 유지해 상용 활성탄(AC)보다 우수합니다.

배경

다공성 탄소 소재(PCM)는 높은 전력 밀도, 급속 충방전, 장기 안정성을 제공해 현대 슈퍼커패시터의 초석이 되었습니다. 그러나 성능은 본질적으로 나노구조와 연관: 잘 정의된 미세/중기공은 효율적인 전기이중층 형성을 가능케 하고, 중/대기공은 신속한 이온 수송을 돕습니다. 탄소 나노스피어, 나노튜브, 나노로드 등 기존 고성능 PCM은 다단계 합성과 유해 산화제 필요로 확장성 제한.

바이오매스 유래 활성 다공성 탄소 소재(APCM)는 저비용과 단순한 공정으로 가장 상업적으로 실행 가능한 옵션입니다. 그러나 코코넛 껍질, 목재, 담배 필터, 차 잎, 어류 비늘 등에서 유래한 많은 APCM은 불충분한 중/대기공과 열악한 구조 계승으로 고속에서 비표면적 활용도 저하. 본래 섬유상 상호연결 구조를 가지며 활성화 중 붕괴되지 않는 전구체 선택이 결정적입니다.

여기서 우리는 흔한 섬유 폐기물인 폐면장갑을 전구체로 활용합니다. 셀룰로오스 섬유가 신중한 활성화를 통해 형태를 보존하며 탄소로 직접 전환되어, 우수한 계층적 기공 네트워크와 견고한 전도성 골격을 가진 CGACF를 생성합니다.

실험

CGACF 제조

CGACF는 KOH 보조 활성화 경로로 합성. 면장갑 섬유를 밀리미터 단위 절단, 500 °C에서 3시간 N₂ 하 예비 탄화, KOH와 혼합(KOH/PCCG = 1.5 wt%) 후 900 °C(5 °C min⁻¹, 3시간, N₂) 탄화. 생성물을 HCl과 DI 물로 중성 pH까지 반복 세척, 80 °C 12시간 건조. 비활성화 대조군(CGCF) 동일 조건이나 KOH 없이 제조. 상용 AC(Kuraray) 벤치마크로 사용.

구조 특성화

X선 회절(D/MAX 2200 VPC)과 라만 분광법(Renishaw inVia 2000)으로 터보스트라틱 탄소 구조와 CGACF의 결함 밀도 증가 확인. 형태와 나노구조는 SEM(JSM-6330F)과 TEM(JEOL JEM-2010) 관찰. 77 K 질소 흡착-탈착 등온선(Micrometrics ASAP 2460)으로 BET 비표면적과 t-plot, BJH, DFT 분석으로 기공 크기 분포 측정.

전기화학 측정

1 M H₂SO₄에서 대칭 2전극 셀로 전기화학 성능 평가. 작동 전극은 활성 물질, 카본 블랙, PVDF(8:1:1 wt%)를 Ti 포일(10 MPa) 프레스, 120 °C 12시간 건조. 갈바노스태틱 충방전(GCD) 0.1–20 A g⁻¹(Neware CT2001A). 순환 볼타메트리(CV) 200 mV s⁻¹, 전기화학 임피던스 분광법(EIS)(5 mV, 0.001–100 kHz) IM6ex 워크스테이션 기록. 비용량(C_g) 방전 곡선 표준 공식으로 계산.

결과 및 논의

CGCF와 CGACF XRD 패턴(Fig. 2a) 23.5°와 44°(2θ) 넓은 피크, 터보스트라틱 흑연 (002)와 (100) 면 지시. CGACF 피크 강도 감소는 KOH 활성화로 도입된 광범위한 다공성 반영. 라만 스펙트럼(Fig. 2b) CGACF에서 더 높은 I_D/I_G 비율, 결함 밀도 증가와 다공성 향상 상관관계 확인.

CGACF 제조 공정 개략도.

SEM과 TEM 이미지(Fig. 3) 원시 CG ~3 µm 매끄러운 표면 섬유. 예비 탄화 후 직경 ~2 µm 수축, 매끄러움 유지. KOH 활성화는 섬유 골격 보존하며 거친 3D 상호연결 표면 생성, 풍부한 미세/중기공 호스팅(Fig. 3c-d). TEM CGACF 표면 나노기공 다수 확인, 상용 AC는 큰 비다공성 탄소 블록(Fig. 3f).

(a) 원시 CG, (b) CGCF, (c) CGACF, (d) CGACF 표면, (e) CGACF TEM, (f) 상용 AC SEM/TEM 이미지.

N₂ 흡착-탈착 등온선(Fig. 4a) CGACF 저 P/P₀에서 현저히 높은 흡착량, 미세기공 증가 반영. 중간 P/P₀에서 히스테리시스 루프로 소형 중기공 존재 확인. DFT 기공 크기 분포(Fig. 4b) 1.3 nm(미세기공), 2.7 nm(중기공) 피크, TEM 관찰과 일치. 상용 AC는 주로 미세기공 비표면적 1,282 m² g⁻¹.

CGACF(적색), CGCF(청색), AC(흑색) N₂ 흡착-탈착 등온선과 PSD 곡선.

전기화학 평가는 CGACF 유리한 구조 확인. 200 mV s⁻¹ CV 곡선 CGACF 근직사각형, AC 왜곡(Fig. 5a) 우수한 이온 접근성 지시. EIS 나이퀴스트 플롯(Fig. 5b) 직렬 저항(0.42 Ω vs 1.03 Ω), 전하전달 저항(0.94 Ω vs 2.90 Ω) CGACF 낮아 효율적 전해질/전자 수송 입증.

200 mV s⁻¹ CV와 CGACF(적색), AC(흑색) EIS.

GCD 테스트(Fig. 6) CGACF 0.1 A g⁻¹서 218 F g⁻¹, AC 175 F g⁻¹ 상회. 극한 20 A g⁻¹에서도 CGACF 용량 88% 유지(192 F g⁻¹), AC 70% 하락.

0.1 A g⁻¹ GCD 곡선과 전류 밀도별 용량 유지율 CGACF(적색), AC(흑색).

단위 면적당 용량(C_S)은 비표면적 활용도 지표. 저전류 밀도서 CGACF와 AC 유사 C_S(~13–15 µF cm⁻²)이나 20 A g⁻¹서 CGACF >13 µF cm⁻² 유지, AC 9 µF cm⁻² 하락. 1 A g⁻¹ 5,000 사이클 순환 안정성 테스트 CGACF 96.3% 용량 유지(Fig. 7).

C_S 대 전류 밀도와 순환 안정성 CGACF(적색), AC(흑색).

요약하면 CGACF 탁월한 성능은 두 시너지 특성에서 기인: (1) 1,435 m² g⁻¹ 비표면적 제공하는 계층적 미세/중기공 네트워크, (2) 3D 상호연결 표면 가진 견고한 섬유형 골격으로 고속에서 특히 신속한 이온/전자 수송 촉진.

결론

폐면장갑에서 계층적 나노구조 갖춘 새로운 활성탄소 섬유 계열 성공적 제조. CG 유래 ACF 원래 섬유 형태 보존, 1.3 nm 미세기공과 2.7 nm 중기공 구성 1,435 m² g⁻¹ 비표면적, 전도성 3D 프레임워크 달성. 결과적으로 CGACF 0.1 A g⁻¹서 218 F g⁻¹ 비용량, 20 A g⁻¹서 88% 유지로 상용 AC 능가. 또한 1 A g⁻¹ 5,000 사이클 후 96.3% 용량 유지. 본 연구는 폐면장갑이 고성능 바이오매스 유래 슈퍼커패시터 전극용 실행 가능 저비용 전구체임을 입증.