고압축성 그래핀/폴리아닐린 에어로겔: 초탄성과 713 F g⁻¹ 정전용량의 만남, 전고체 슈퍼커패시터용

요약

초탄성 그래핀 에어로겔은 놀라운 압축성을 제공하지만, 실용에는 정전용량이 부족합니다. 초탄성 그래핀 스캐폴드에 폴리아닐린(PANI)을 전기화학적으로 증착하여, 90% 회복 변형률을 유지하면서 3전극 구성에서 713 F g⁻¹의 비정전용량을 제공하는 이중 기능 소재를 구현했습니다. 결과적인 그래핀/PANI 에어로겔은 전고체 슈퍼커패시터 전극으로 사용되어 424 F g⁻¹ 중량 정전용량과 65.5 F cm⁻³ 부피 정전용량을 달성했습니다. 이 값들은 90% 압축 하에서도 원래 용량의 96%를 유지합니다. 여러 소자를 직렬 연결하여 작동 전압을 높일 수 있어, 유연 고성능 에너지 저장을 위한 플랫폼의 잠재력을 입증했습니다.

배경

휴대용 및 착용형 전자기기는 특히 압축에 대해 상당한 기계적 변형을 견딜 수 있는 에너지 저장 솔루션을 요구합니다. 슈퍼커패시터(SC)는 높은 출력 밀도, 빠른 충방전 속도, 긴 사이클 수명으로 이러한 응용에 이상적입니다. 그러나 기존 SC 전극 대부분은 압축 후 부피의 50~75%만 회복되어 실용적 배치를 제한합니다.

초탄성 그래핀 에어로겔은 벌집형 또는 기포 구조 기공을 특징으로 하며, 부피의 90~99%를 회복할 수 있습니다. 높은 압축성은 밀접하게 적층된 다층 그래핀 벽과 정렬된 기공 네트워크에서 기인합니다. 그러나 탄소 고유의 이중층 저장 메커니즘으로 인해 비정전용량은 제한적입니다(37~90 F g⁻¹).

Co₃O₄, MnO₂, PANI, PPy 같은 의사정전용량 소재를 그래핀 에어로겔에 통합하면 정전용량을 높일 수 있습니다. MnO₂를 이용한 선행 연구는 약한 입자 부착으로 106 F g⁻¹과 50% 변형률에 그쳤습니다. PANI는 그래핀과의 강한 π-π 상호작용과 높은 의사정전용량으로 이 한계를 극복할 유망한 경로입니다.

본 연구에서는 순환전압전류법으로 초탄성 그래핀 에어로겔에 PANI를 증착하여, 스캐폴드의 탄성을 보존하면서 상당한 의사정전용량을 추가한 복합체를 만들었습니다. 결과 전극은 전고체 SC에서 검증된 뛰어난 기계적 탄성과 전기화학적 성능을 보여줍니다.

방법/실험

초탄성 그래핀 에어로겔 제조

그래핀 산화물(GO)은 변형 휴머스 법으로 합성했습니다. 아이스 템플릿 접근법으로 GO 분산액(5 mg mL⁻¹)에 L-아스코르브산을 혼합하고 90°C에서 환원, 동결-해동, 추가 환원하여 완전 환원 그래핀 하이드로겔을 얻었습니다. 투석과 60°C 건조로 초탄성 에어로겔을 생산했습니다.

초탄성 그래핀/PANI 에어로겔 제조

PANI는 순환전압전류법(-0.2~0.8 V, 50 mV s⁻¹)으로 에어로겔에 전기화학적으로 중합시켰습니다. 1 M H₂SO₄/0.05 M 아닐린에서 100~400 사이클 수행했습니다. PANI 질량 분율은 증착 전후 중량으로 결정했습니다. 예를 들어 200 사이클(그래핀/PANI-2)은 63 wt% PANI 로딩을 산출했습니다.

압축 가능 전고체 SC 제조

전해질 겔(PVA/H₂SO₄)을 제조(4:5:50 질량비)하고 80°C에서 교반했습니다. 에어로겔을 30분 담근 후, 100 nm Au를 코팅한 PET 기판 사이에 조립했습니다. 전해질 겔로 포화된 셀가드 3501 분리막으로 샌드위치를 완성하고, 압착 후 45°C에서 24시간 경화했습니다.

물질 특성 분석

라만 분광법, SEM/EDS, FTIR, XPS, 압축 시험(Instron-5566, 100 mm min⁻¹)을 사용하여 구조, 조성, 기계적 응답을 분석했습니다.

전기화학적 측정

CV, GCD, EIS를 CHI660E 워크스테이션으로 수행했습니다. 비정전용량(C_s)은 GCD 데이터에서 유도: C_s = I·Δt/(m·ΔV). 2전극 SC에서 중량(C_g)과 부피(C_vol) 정전용량은 C_g = 4IΔt/(mΔV), C_vol = ρC_g로 계산했습니다(ρ는 압축 하 에어로겔 밀도).

결과 및 논의

제조 공정 흐름은 그림 1에 나와 있습니다. 아이스 템플릿 환원은 벌집 구조의 고다공성 에어로겔을 생성하며, 그래핀 시트가 단단히 적층되어 견고한 셀 벽을 형성합니다(그림 2). 정렬된 구조는 탄성과 높은 표면적을 모두 제공합니다.

SEM 이미지(그림 3)는 PANI가 셀 벽을 따라 균일한 나노콘으로 성장하여 에어로겔 형태를 보존함을 확인합니다. 300 CV 사이클까지 코팅은 균일하게 유지되나, 그 이상에서는 과도한 PANI가 나노와이어 네트워크를 형성하여 세척 중 분리될 수 있습니다.

FTIR(그림 4a)은 PANI 특성 피크(C=C, C-N, C-H 진동)를 보여주며, XPS는 황산 이온으로 도핑된 PANI를 확인합니다. 높은 N⁺ 비율은 고도로 양성자화된 전도성 상태를 나타냅니다.

압축 시험(그림 5)은 그래핀/PANI-2가 잔류 변형 없이 90% 변형률을 회복하며, 90% 변형률에서 131 kPa의 피크 응력에 도달함을 보여줍니다. 이는 미개질 에어로겔(36 kPa)보다 높습니다. 60% 변형률에서 500 사이클 후에도 구조적 무결성을 유지하며 잔류 변형률은 5%에 불과합니다.

전기화학적 시험(그림 6)에서 PANI 기능화 에어로겔은 1 A g⁻¹에서 713 F g⁻¹의 비정전용량을 전달하여 테스트된 복합체 중 최고치를 기록했습니다. 10 A g⁻¹에서 정전용량 유지율은 82%, 1000회 GCD 사이클 후 사이클 안정성은 92%입니다.

전고체 SC에서 그래핀/PANI-2 전극은 영 변형률에서 424 F g⁻¹ 중량 정전용량과 65.5 F cm⁻³ 부피 정전용량을 유지하며, 90% 압축 하에서도 이 값들의 96%를 유지합니다. 부피 정전용량은 90% 변형률에서 85.5 F cm⁻³로 상승하는데, 밀도 증가하면서 중량 용량의 대부분을 보존하기 때문입니다.

정적 및 동적 압축 하 장기 사이클링에서 최소한의 정전용량 손실(≈1000 사이클 후 9%)을 보입니다. 라고네 분석 결과 0.4 kW kg⁻¹ 출력 밀도에서 9.4 W h kg⁻¹의 피크 에너지 밀도를 산출했습니다.

단일 셀의 낮은 전압을 극복하기 위해 3개 SC를 PET 위 Au 패터닝으로 직렬 연결했습니다. 통합 소자는 2.4 V에서 작동하며, 반복적인 압축 및 해제 사이클 중에도 적색 LED를 점등시켰습니다(그림 8).

결론

초탄성 그래핀 에어로겔에 PANI를 전기화학적으로 증착하여, 90% 회복 변형률과 713 F g⁻¹ 비정전용량을 동시에 제공하는 복합체를 만들었습니다. 전고체 SC에서 전극은 424 F g⁻¹와 90% 압축 하 85.5 F cm⁻³를 전달하여 다른 압축 가능 복합체를 능가합니다. 여러 유닛을 직렬 연결하여 작동 전압을 확장할 수 있어 유연 전자기기용 실용적 전력 공급을 가능하게 합니다. 이 연구는 차세대 압축 내성 에너지 저장 장치를 위한 견고한 플랫폼을 확립합니다.