전이 금속 산화물(TMO)은 높은 이론적 용량, 풍부함, 환경 친화성으로 슈도커패시터 전극 물질로 주목받아 왔습니다. 그러나 실제 비축전 용량은 이론에 미치지 못하는 경우가 많고, 사이클링 중 부피 변화가 안정성을 해칩니다. 코어-쉘 구조는 코어의 빠른 전자 경로와 쉘의 풍부한 산화환원 부위를 시너지적으로 결합해 이러한 문제를 완화할 수 있습니다. 여기서 우리는 니켈 폼(NF) 위에 2차원 분지형 코어-쉘 구조를 형성하는 NiO 플레이크@CoMoO₄ 나노시트(NSs)의 2단계 수열 합성을 보고합니다. 수직 배향된 CoMoO₄ NSs는 충분한 활성 부위, 효율적 이온 채널, 향상된 전자 수송을 제공합니다. 양극 전극으로 NiO 플레이크@CoMoO₄ NSs/NF는 1A g⁻¹에서 인상적인 1,097F g⁻¹ 비축전 용량을 보이며 2,000사이클 후 97.5% 유지합니다. AC/NF 음극과 조립한 비대칭 슈퍼커패시터(ASC)는 894.7W kg⁻¹에서 25.8Wh kg⁻¹ 달성하며 3,000사이클 동안 100% 용량 보존. 이 결과는 2차원 분지형 코어-쉘 설계가 고성능 TMO 전극을 위한 강력한 전략임을 강조합니다.
재생 에너지의 급속한 채택으로 안전, 고출력, 장수명 에너지 저장 솔루션 수요가 급증하고 있습니다. 슈퍼커패시터는 빠른 충방전 사이클, 높은 출력 밀도, 견고한 안전성으로 점점 더 중요해지고 있습니다. 전통적으로 전기 이중층 커패시터(EDLC)와 슈도커패시터로 나뉘며, 후자는 표면 산화환원 반응으로 전하를 저장해 더 높은 에너지 밀도를 가능하게 합니다.
TMO는 높은 이론적 용량, 저비용, 환경 적합성으로 슈도커패시터 소재로 매력적입니다. 그러나 실제 용량은 물질 활용 불완전과 사이클링 중 부피 팽창으로 제한됩니다. 두 가지 효과적 전략이 이 과제를 해결합니다: (1) 활성 물질을 전도성 기판(예: 니켈 폼)에 직접 성장시켜 '데드' 층 제거와 전도성 개선; (2) 코어-쉘 구조 같은 나노구조 공학으로 시너지적 전자 및 이온 수송 경로 활용.
기존 코어-쉘 설계는 쉘 차폐로 코어 접근성이 제한되는 문제가 있습니다. 이를 극복하기 위해 CoMoO₄ 나노시트가 NiO 플레이크 위에 수직 성장하는 2차원 분지형 코어-쉘 구조를 개발했습니다. 이 구성은 표면 접촉을 최대화하고 전자 경로를 향상시키며 전해질 확산 수용과 사이클링 중 응력 완화를 위한 다공성 채널을 생성합니다. 결과적인 NiO 플레이크@CoMoO₄ NSs/NF 전극은 뛰어난 전기화학적 성능을 보여 분지형 코어-쉘 구조가 차세대 슈퍼커패시터 전극에 유망함을 입증합니다.
니켈 폼(NF, 1.5×3.5cm²)을 3M HCl에서 2시간 에칭해 표면 산화물 제거, 60°C에서 12시간 건조. 전처리된 NF를 32mL 탈수에 담그고 40mL 스테인리스 오토클레이브로 이송. 밀봉 후 140°C에서 24시간 가열(1단계). 자연 냉각 후 세척, 60°C 건조, 400°C에서 2시간 어닐링(2단계)으로 β-Ni(OH)₂를 NiO로 전환. 절차는 그림 1에 도시.
NiO 플레이크@CoMoO₄ NSs 전극 합성 개략도
CoCl₂·6H₂O(65.1mg)와 Na₂MoO₄·2H₂O(50.8mg)를 23mL 탈수에 교반 용해. NiO 플레이크/NF를 30분 침지 후 40mL 오토클레이브에 넣고 160°C에서 6시간 가열(3단계). 후처리: 초음파 세척, 60°C에서 12시간 진공 건조, 최종 400°C 2시간 소성(4단계)으로 NiO 플레이크@CoMoO₄ NSs/NF 형성. CoMoO₄ 플레이크/NF는 베어 NF로 동일하게 제작.
X선 회절(Rigaku D/Max-02400, Cu Kα)로 상 순도 확인. FESEM(Zeiss Gemini, Hitachi SU8100)과 HRTEM(JEM-2100F)으로 형태와 결정 구조 관찰. XPS(Thermo ESCALAB 250Xi)로 원소 상태 확인. Brunauer-Emmett-Teller(BET) 분석(BELSORP-max)으로 비표면적과 기공도 측정.
모든 전기화학 테스트는 6M KOH에서 μIII Autolab 워크스테이션 사용. 3전극 테스트에 포화 Ag/AgCl(기준), Pt 포일(대향), NiO 플레이크@CoMoO₄ NSs/NF 작업 전극(1cm²). GCD와 CV로 용량 측정; EIS 100kHz-0.01Hz. 질량 로딩은 합성 전후 중량 변화로 결정(NiO 플레이크 0.79mg cm⁻², CoMoO₄ NSs 1.14mg cm⁻², 복합체 1.93mg cm⁻²). 비대칭 슈퍼커패시터(ASC) 셀은 6M KOH에 NiO 플레이크@CoMoO₄ NSs/NF 양극, AC/NF 음극 사용. 질량 균형은 식 (2)로 각 전극 전하 용량 매칭.
XRD 패턴(그림 2a)은 소성 후 NiO 형성과 26.5°, 29.1°, 32.1°, 33.7°에서 CoMoO₄ 피크 출현 확인, 각각 (002), (310), (±1 31), (±2 22) 면에 대응. 불순물 피크 없음으로 상 순도 확인. XPS 스펙트럼(그림 2b-f)은 Co²⁺/Co³⁺, Mo⁶⁺, Ni²⁺/Ni³⁺, 격자 산소 보여 성공적 복합체 형성 검증.
a Ni(OH)₂ 플레이크/NF(곡선 a), NiO 플레이크/NF(곡선 b), NiO 플레이크@CoMoO₄ NSs/NF(곡선 c) XRD 패턴. b XPS 서베이. c Co 2p. d Mo 3d. e Ni 2p. f O 1s.
SEM 이미지(그림 3a-i)는 다공성 Ni(OH)₂ 플레이크에서 메조포러스 특징 가진 NiO 플레이크로, 마지막으로 플레이크를 빽빽이 덮는 분지형 CoMoO₄ 나노시트로 진화 과정 보여줌. HRTEM은 NiO(111과 220) 0.242nm, 0.148nm 격자 간격과 CoMoO₄(±4 03, ±5 11) 0.199nm/0.196nm 확인. BET 분석(그림 4g-i)은 Ni(OH)₂, NiO, 복합체 비표면적 각각 28.2, 45.3, 53.5m²/g, 평균 기공 크기 6.13, 6.57, 4.16nm. 복합체의 높은 표면적과 작은 기공은 전해질 접근과 이온 수송 촉진.
a-c Ni(OH)₂ 플레이크/NF, d-f NiO 플레이크/NF, g-i NiO 플레이크@CoMoO₄ NSs/NF SEM 이미지(배율별).
HRTEM 이미지 a,b Ni(OH)₂ 플레이크, c,d NiO 플레이크, e,f NiO 플레이크@CoMoO₄ NSs; g-i Ni(OH)₂, NiO, 복합체 질소 흡착-탈착 등온선. 인셋은 기공 크기 분포.
비축전 용량은 식 (3)으로 계산. 복합체는 1A g⁻¹에서 1,097F g⁻¹ 달성, NiO 플레이크(349F g⁻¹)와 CoMoO₄ 플레이크(316F g⁻¹) 크게 상회. 10A g⁻¹에서도 500F g⁻¹ 이상 유지로 우수한 속도 특성 입증. CV 곡선(그림 5b)은 뚜렷한 산화환원 피크와 큰 포함 면적으로 슈도커패시티브 거동 확인. GCD 곡선(그림 5c) 대칭적 형태와 긴 방전 시간 보임. 2차원 분지 구조가 풍부한 활성 부위와 짧은 이온 확산 경로 제공해 성능 향상(그림 5f).
a 1A g⁻¹에서 반응 시간별(2h, 4h, 6h, 8h) GCD 곡선. b 100mV s⁻¹에서 세 전극 CV 곡선. c 1A g⁻¹에서 세 전극 GCD 곡선. d 복합체 다양한 주사 속도 CV 곡선. e 다양한 전류 밀도 GCD 곡선. f 구조적 이점 개략도. g 2,000사이클 사이클링 안정성. h EIS 스펙트럼.
2A g⁻¹에서 2,000사이클 후 복합체 97.5% 초기 용량 유지, NiO 플레이크 82.4%, CoMoO₄ 플레이크 70% 감소 대조. EIS 분석에서 복합체 직렬 저항(0.4Ω)과 전하 이동 저항(0.21Ω)이 구성 요소보다 낮아 우수한 전자 역학 입증.
ASC는 1.8V 창에서 동작(그림 6a). CV 곡선(그림 6b)은 AC의 EDLC 거동과 복합체의 슈도커패시턴스 나타내며 고주사 속도에서 형태 유지. GCD 곡선(그림 6d) 1-5A g⁻¹에서 894.7W kg⁻¹에서 25.8Wh kg⁻¹ 에너지 밀도 생성, 4,500W kg⁻¹에서 16.8Wh kg⁻¹ 유지. 단일 LED 10분 점등으로 실용성 입증. ASC 5A g⁻¹에서 3,000사이클 후 100% 용량 유지, 형태 변화 무시 가능(그림 6f).
a ASC 구조. b NiO 플레이크@CoMoO₄ NSs/NF와 AC CV. c ASC 다양한 주사 속도 CV. d ASC 다양한 전류 밀도 GCD. e 타 NiO/CoMoO₄ 전극과 라곤 플롯 비교. f 3,000사이클 사이클링 안정성. 인셋: 사이클링 전후 SEM.
2단계 수열법으로 니켈 폼 위 NiO 플레이크@CoMoO₄ 나노시트 코어-쉘 전극을 성공적으로 제작했습니다. 2차원 분지 구조가 1,097F g⁻¹ 높은 비축전 용량, 낮은 전하 이동 저항, 뛰어난 사이클링 안정성(2,000사이클 후 97.5%) 전달. AC와 조립 시 ASC는 894.7W kg⁻¹에서 25.8Wh kg⁻¹ 달성, 3,000사이클 완전 용량 유지. 이 발견은 분지형 코어-쉘 설계가 고성능 슈퍼커패시터용 TMO의 잠재력을 최대한 끌어낼 수 있음을 확인합니다.
모든 데이터는 제한 없이 완전히 이용 가능합니다.
나노물질
컨티뉴어스 컴포지트(Continuous Composites, 미국 아이다호 쿠르달레인)와 지멘스 에너지(Siemens Energy, 독일 뮌헨, 지멘스 그룹 가스·전력 부문 분사)가 연속 섬유 3D 프린팅(CF3D) 기술을 지멘스 에너지 발전기 부품에 성공적으로 적용했다고 발표했습니다. 다년간 협력으로 열경화성 유리 섬유 강화 폴리머(GFRP) 소재를 개발해 더 높은 온도에서 향상된 기계적 성능, 토폴로지 최적화 설계, 하중 방향에 맞춘 이방성 섬유 동적 조향으로 맞춤형 애플리케이션 구현이 가능해졌습니다. 기술적 혁신 컨티뉴어스 컴
출처 | 헥시온 헥시온(Hexion Inc., 미국 오하이오주 콜럼버스) 베이클라이트 폼셋(Bakelite FoamSet) 소재는 경량 구조 애플리케이션용 사출·압축 성형 가능 발포 소재. 저열팽창 열안정성, 나사 연결 강도, 내화성, 저연·저독성 제공. 추가 장점: 고난연성, 양호 단열 특성, 고내열성, 저비중, 고비강도·강성, 고내화학성, 추가 기술 불필요 자가 발포 포뮬레이션. 출처 | 헥시온 자유 유동 과립 형태로 공급, 사출·압축 성형 및 연속 압출 가공 가능. 1.5~30mm 두께 범위, 0.85g/cm³ 밀도 달성.
