고성능 대칭 슈퍼커패시터를 위한 혁신적 저비용 유연 rGO/MWCNT 필름 제조

요약

유연하고 전도성 있는 rGO 및 rGO/MWCNT 자립 필름을 제조하는 새롭고 단순하며 비용 효율적인 방법을 보고한다. MWCNT 첨가가 rGO/MWCNT 나노복합 필름 전기화학 성능에 미치는 영향을 KOH, LiOH, NaOH 등 강염기 수용액 전해질에서 3전극 시스템으로 조사. 순환 볼타메트리(CV), 갈바노스태틱 충방전(GCD), 전기화학 임피던스 분광법(EIS)으로 슈퍼커패시터 거동 탐구. X선 회절, 라만 분광, 표면적 분석, 열중량 분석, 전계방사 주사전자현미경, 투과전자현미경으로 구조·형태 분석. 10 wt% MWCNT 함유 rGO/MWCNT 필름(GP10C)은 2 M KOH 전해질에서 비용량 200 F g⁻¹, 15,000 사이클 후 92% 유지, 작은 이완 시간 상수(~194 ms), 높은 확산 계수(7.8457×10⁻⁹ cm² s⁻¹) 나타냄. GP10C 양극/음극 대칭 슈퍼커패시터 코인셀(2 M KOH)은 0.1 A g⁻¹에서 에너지 밀도 29.4 Wh kg⁻¹, 전력 밀도 439 W kg⁻¹, 0.3 A g⁻¹ 10,000 사이클 후 85% 용량 유지. GP10C 필름의 우수 성능은 넓은 표면적, K⁺ 양이온의 작은 수화 반경과 KOH 전해질 내 높은 이온 전도도에 기인.

서론

그래핀은 초고 비표면적, 탁월한 전기전도도, 우수한 기계적 유연성, 독특한 열/화학적 안정성으로 2004년 발견 후 소재과학 최고 연구 소재. 하지만 균일 대면적 단일/이중층 프리스틴 그래핀 필름 제조는 어렵고 고가, 상용화 걸림돌. 따라서 친수성 그래핀 산화물(GO) 화학적/열적 환원으로 얻는 환원 그래핀 산화물(rGO)을 대안으로 활용. 최근 저렴, 신뢰성, 휴대, 굴곡 가능 전자소기 수요 폭증. 유연 에너지 저장 소자(슈퍼커패시터, 리튬이온 배터리)가 유연 전자소자 통합 목표로 연구 중심. 자유입지 종이형 변환 가능 소재가 바람직. 기계적/화학적 안정성, 우수 전기전도도, 대면적 박막 변환 용이성 갖춘 rGO가 유망 후보. 자립 rGO 종이형 필름/멤브레인 제조 두 접근: rGO 분산액 직접 여과, 또는 GO 분말 합성 후 GO 종이 환원제나 불활성/환원 분위기 어닐링으로 rGO 종이 전환. 다양한 유연 자립 rGO 종이 제조법 보고. Xiao 등 프린팅+CO₂ 버블링 박리법으로 55 F g⁻¹(1 A g⁻¹). Rath 등 GO 현탁액 진공여과 후 HI(55%) 환원으로 ~80 F g⁻¹(0.5 A g⁻¹). Li 등 GO 수용액 현탁액 진공여과 후 암모니아 용액 중 Zn 분말 환원으로 130 F g⁻¹(0.1 A g⁻¹). Hu 등 GO 수용액 분산 진공여과 후 전기화학적 환원으로 106 F cm⁻³(1 mV s⁻¹). 문헌 근거로 π-π 상호작용과 강한 반데르발스 힘으로 rGO 나노시트 재적층·응집, 표면적 감소와 전기화학 성능 저하 초래 결론.

본 연구에서는 다중벽 카본 나노튜브(MWCNTs)를 rGO 시트 사이에 삽입한 유연 전도성 rGO 필름 제조 새롭고 용이하며 비용 효율적 방법 보고. 적량 MWCNTs로 rGO/MWCNT 나노복합 필름 형성 시 rGO 나노시트 재적층 효과적 방지, 전기화학 성능 향상 입증. 최적량 HI 후 250 °C 환원 분위기(3% H₂+97% N₂) 2시간 어닐링으로 GO/MWCNTs 환원. 필름 두께는 GO 분산액 양 조절로 쉽게 제어. 0, 5, 10, 15 wt% MWCNTs 함량 rGO/MWCNT 나노복합 유연 필름 전기화학 성능 조사. 10 wt% MWCNTs 합성 필름이 2 M KOH 수용액 전해질에서 0.25 A g⁻¹ 비용량 200 F g⁻¹로 다수 선행 연구치 상회. 최적화 자립 나노복합 필름을 양극/음극 대칭 슈퍼커패시터 소자 적용, 2 M KOH 수용액 전해질에서 에너지 밀도 29.4 Wh kg⁻¹, 10,000 사이클 후 85% 유지 우수 안정성 입증.

실험 방법

재료

모든 시약 분석급. 천연 흑연 미분말(No.15553, 리델-드 하엔), MWCNTs(Ctube-120, 길이 5-20 µm) 수령(CNT Co., Ltd., 한국). 요오드화수소산(57% w/w 수용액, 알파 에사). 폴리비닐알코올(PVA, MW 89,000~98,000, 시그마-알드리치). 모든 분산액/용액은 25 °C에서 18 MΩ cm 이상 저항률 DI 물(밀리-Q 정수 시스템) 사용.

그래핀 산화물 제조

전구체 GO는 흑연 분말 강산화로 합성(H₂SO₄:H₃PO₄=9:1 혼합물). 생성물(GO 플레이크) 45 °C 진공 건조 수분 제거.

MWCNTs 정제

상용 MWCNTs(비표면적 40-300 m² g⁻¹, 길이 5-20 mm) 70% 질산 용액 90 °C 24시간 환류. 환류 후 나일론 멤브레인 필터(0.45 mm) 여과, pH 중성까지 DI 물 과량 세척. 여과 고체 100 °C 오븐 24시간 건조해 정제·기능화 MWCNTs 획득.

rGO/MWCNT 유연 자립 필름 합성 및 제조

계산된 양 GO 플레이크 강렬한 초음파로 DI 물에 잘 분산해 8 mg/mL 균질 GO 분산액 제조. 0, 5, 10, 15 wt% MWCNTs를 최적량(20 mL) GO 분산액과 각각 ~1시간 강렬 초음파 혼합. 최적량 HI 환원제를 GO-MWCNT 혼합물에 방울방울 첨가. 혼합물을 지름 ~9.5 cm 페트리디시에 붓고 기류 건조. 에탄올 존재 시 건조 rGO/MWCNT 필름 페트리디시서 쉽게 분리. 얻어진 자립 필름 에탄올로 수회 세척 미반응/잔류 HI 제거, 35 °C 공기 중 12시간 재건조. 최종 자립 필름 250 °C 환원 분위기(3% H₂+97% N₂) 2시간 어닐링. 전체 합성 공정 개요 그림 1. MWCNTs 함량 0, 5, 10, 15 wt% 제조 필름을 각각 GP, GP5C, GP10C, GP15C라 명명.

rGO/MWCNT 전극 제조

전기화학 테스트용 작업전극: 제조 필름 1×1 cm² 조각 Ni 폼에 균일 ~10 mPa 압력 2분 압착. 마이크로밸런스(PRECISA XR125M-FR, 정확도 ~0.1 µg)로 측정한 Ni 폼 위 활물질 로딩량 ~1.1 mg. 합성 공정 및 전극 제조 그림 1.

GP10C 필름 기반 대칭 코인셀 및 고체상 유연 소자 제조

GP10C 전극 기반 대칭 슈퍼커패시터 2 M KOH 전해질로 2전극 코인셀 구성 성공. 동일 무게 원형 GP10C 전극 2개 CR2032 코인셀 조립. 작업전극 직접 접촉 방지 위해 유리 마이크로파이버 멤브레인(Whatman™) 분리막 삽입. 소자 내 활물질 총질량 ~3.5 mg. GP10C 전극 소재 유연 소자 호환성 확인 위해 PVA-KOH 겔 폴리머 전해질 사용 유연 고체상 대칭 소자(FSSSD) 설계. FSSSD 제조: 1 g PVA 5 mL DI 물 85 °C 1시간 교반 투명해질 때까지, 2 M KOH 용액 1 g 첨가, 3시간 지속 교반 준고체 겔 형태 획득. 소자 조립: 동일 무게 GP10C 전극 1×2 cm² 2개 유연 스테인리스 직물 부착(기계적 충격 방지, 외부 접촉 지지). 양 작업전극 균일 준고체 겔 전해질 코팅. 적절한 고체 겔층 위해 퓸후드서 공기 건조 수분 제거, 양면 맞대고 접착테이프 감싸기.

물리화학적 특성 분석 및 전기화학 측정

제조 rGO/MWCNT 필름 XRD(브루커 D2 PHASER, CuKα λ=1.54184 Å, 10 mA, 30 kV), 전계방사 SEM(히타치 SU8010)로 결정·표면 형태 분석. 라만 스펙트럼 514.5 nm Ar 레이저 40 mW(호리바 조빈 이본 Labram HR 800). BET 비표면적 분석기(ASAP 2020). 열중량 분석(TGA, TA Instruments Q500) 30-900 °C, 3 °C min⁻¹, N₂ 분위기. 4점 탐침법(NAPSON RT-7) 옴 저항 측정, 전기전도도 식 (1) 계산. rGO/MWCNT 필름 전극 전기화학 특성 CV, GCD, EIS로 CHI 616B 전기화학 분석기 상온 측정. 3전극 구성: 포화 칼로멜 기준전극(SCE), 백금판 대극, rGO/MWCNT 필름 작업전극. KOH, LiOH, NaOH 전해질 사용. GCD 곡선 비용량(Cs) 식 (2) 계산. EIS 결과 0.1 Hz-100 kHz, 5 mV 교류 진폭 적용. 슈퍼커패시터 단순 회로: 직렬 저항(ESR)과 커패시터. 순 임피던스 식 (3). 고주파수 ESR 지배, 저주파수 커패시티브 거동. EIS 데이터 복소 전력 식 (4)-(6) 활용. 확산 계수 식 (7) 계산.

결과 및 토의

구조 및 형태 특성

효율적 원스텝 화학법으로 rGO/MWCNT 나노복합 필름 합성. 일반적으로 rGO 나노복합체 에너지 저장 소재로 잘 알려짐. 문헌에서 MWCNTs 물질 내 전도 채널 형성 역할 보고. 따라서 MWCNTs 첨가가 자립 rGO 필름 전기화학 성능에 미치는 영향 연구. HI(환원제) 양이 연속 전도성 자립 rGO/MWCNT 필름 얻기 위해 중요. 최적값보다 약간 많으면 필름 크랙 발생: 과량 HI 더 많은 I₂ 방출(HI+H₂O→H₃O⁺+I⁻, 2I⁻=I₂+2e⁻)로 크랙 유발(그림 2).

구조 및 형태 특성화

GO, rGO 필름, MWCNT, GP10C XRD 패턴(그림 3a). 종합적 XRD 분석으로 제조 필름 탈산소화 확인. GO 필름 날카로운 회절 피크 2θ=10.4°, 특성 (001) 회절, 층간 거리 d=0.8465 nm로 흑연(~0.34 nm)보다 큼: GO 시트 표면 산소함유 관능기(에폭시, 하이드록실)와 시트 사이 단일 분자층 물분자 존재 때문. rGO, MWCNT, GP10C 샘플 회절 피크 2θ=26.24°, 25.49°, 25° 등장. rGO 층간 거리 ~0.3475 nm, GP10C ~0.36 nm로 현저 축소, 산소함유 관능기 파괴로 GO 환원 성공 입증. 라만 분석(그림 3b) GO, rGO, MWCNT, GP10C 특성 G, D 밴드(결함, 무질서 관련)로 구조 탐구. D 밴드(1350 cm⁻¹)와 G 밴드(1590 cm⁻¹) 강도비(I_D/I_G) 일반적으로 결함 관찰용. I_D/I_G 비(인셋) GO 필름 0.9685에서 rGO 종이 1.2123, MWCNTs 1.0807, GP10C 1.1649 증가 → 순수 GO보다 rGO, MWCNT, GP10C 필름 결함 많음. 결함 증가는 산소함유 기 분해로 그래핀 시트 작은 sp² 도메인 분해, 탄소 원자 손실 탓. GP10C I_D/I_G(1.1649)가 rGO 필름(1.2123)보다 낮음 → 카본 나노튜브 도입으로 sp² 도메인 증가 탓. rGO, GP10C 필름 N₂ 흡착-탈착 등온선(균일 10.0 MPa 5분 가압 후) 그림 3c. GP10C BET 비표면적 0.9869 m²/g로 rGO 필름(0.2229 m²/g) 4배 이상. 높은 비표면적은 전해질 이온과 전극 활물질 계면적 증가 예측, 전기화학 성능 향상 가능. 높은 비표면적은 rGO 층 사이 샌드위치된 MWCNTs가 외부 압력 시 rGO 시트 재적층 방지 덕분. 열안정성 조사 위해 N₂ 분위기 3 °C min⁻¹ 30-900 °C TGA(그림 3d). 30-255 °C 3.2% 중량 손실: 표면 흡착수, 층간 물분자 제거. 302-810 °C ~18.6% 중량 손실: 정제·합성 중 부착 친수성 관능기 분해, rGO 및 카본 나노튜브 열분해. GP10C 필름 열안정성 순수 rGO 필름보다 우수, 순수 MWCNTs 존재 탓.

rGO, rGO/MWCNT 필름 FESEM 미세사진(그림 4). 단면(그림 4a) rGO 필름서 rGO 시트 정렬 재적층, 산소 등 기체 종 방출로 기포 존재 → 전기전도도 및 전기화학 성능 저하. MWCNTs 첨가 시(그림 4b-d) rGO 층 더 정렬, 기포 감소: MWCNTs 필러 역할, 기체 종 대체 배출 경로 제공.

전기전도도 측정

전기전도도는 제조 rGO, rGO/MWCNT 필름 전기화학 성능 조사 중요 매개변수. GP, GP5C, GP10C, GP15C 두께 약 0.01, 0.015, 0.014, 0.0165 mm, 4점 탐침 측정 옴 저항 각각 2.94, 2.71, 1.93, 2.66 mΩ/sq.(그림 5a). 식 (1) 계산 전기전도도 각각 41.7×10⁻², 51.4×10⁻², 82.9×10⁻², 62.9×10⁻² S cm⁻¹(그림 5b). MWCNT 비율 0→10 wt% 증가 시 전기전도도 증가: 필름 내 MWCNTs 형성 전도 네트워크 탓. MWCNTs 첨가로 3D 네트워크 형성, 필름 내 전하 수송 채널 역할, 전기전도도 향상. MWCNTs 로딩 증가 시 정렬도 저하(그림 4b-d). 고농도(15 wt%)서 MWCNTs 응집 경향 유효, 필름 전체 전도 네트워크 형성 감소, 전기전도도 저하(접촉 저항 증가 탓). 합성 필름 중 GP10C 최저 옴 저항(1.93 mΩ/sq.) 최고 전기전도도 82.9×10⁻² S cm⁻¹. GP10C 전기전도도 향상은 rGO-MWCNT 간 강한 π-π 커플링으로 양쪽 전자 밀간 비편재화 이동성 캐리어 증가 덕분.

다양한 알칼리 전해질에서 GP10C 필름 전기화학 성능

GP10C 필름 전기화학 특성 CV, GCD, EIS 상온 수용액 전해질 측정. 전해질은 슈퍼커패시터 전기화학 특성 크게 영향 미치는 핵심 요소. GP10C 전극에 가장 적합한 알칼리 전해질 찾기 위해 KOH, NaOH, LiOH 3종 조사(그림 6). 전해질별 CV 곡선 면적 차이(그림 6a). 50 mV s⁻¹에서 GP10C CV 곡선 KOH서 준직사각형 큰 면적, NaOH, LiOH보다 큼. GCD 곡선(그림 6b) 3 A g⁻¹에서 KOH 방전 시간 더 김. 식 (2) 따라 방전 시간(Δt) 길수록 비용량 높음. 따라서 2 M KOH서 2 M LiOH, NaOH보다 높은 비용량 획득(그림 6c). GCD 곡선 비대칭(그림 6b)은 복합 필름 표면 산소함유 관능기와 기능화 MWCNTs 일부 패러데이 반응 탓. EIS는 이온 전송과 전기전도도 측면 전기화학 성능 실행. GP10C 나이퀴스트 플롯 0.1 Hz-100 kHz, 5 mV 교류 진폭(그림 6d). 실수부 Z', 허수부 Z'' 두 주요 성분: Z' 옴 거동, Z'' 커패시티브 거동. 고주파(임피던스 아크), 저주파, 중주파(워버그 임피던스) 3영역 이론적 설명 가능. 고주파 슈퍼커패시터 순수 저항 유사, 저주파 급격한 허수부 증가 수직선으로 순수 커패시터 거동. 중주파 전해질 이온과 필름 전극 다공성 활성 부위 상호작용 대표. EIS서 전해질 이온 저항, 집전체·활물질 내부 저항, 전극-집전체 계면 접촉 저항이 유효 직렬 저항(ESR) 또는 용액 저항(Rs) 결정 핵심. 고주파 나이퀴스트 곡선 실축 교차점에서 ESR 관측. Rs 값 KOH ~1.1 Ω로 NaOH ~1.6 Ω, LiOH ~1.9 Ω보다 작음. 고주파 반원 지름과 중주파 45° 기울기 선 길이는 각각 확산 저항, 워버그 저항 대표. GP10C KOH서 LiOH, NaOH 대비 작은 확산 저항, 워버그 저항. GP10C 전극 KOH서 우수 성능은 K⁺ 이온 작은 수화 이온 반경, 높은 이온 전도도(64.3 Ω⁻¹ cm² mol⁻¹) 덕분(Na⁺ 43.5, Li⁺ 33.5). 낮은 수화 이온 반경으로 이온 이동도 향상, 전극 표면 접근 용이해 전기화학 성능 개선. K⁺, Na⁺, Li⁺ 수화 이온 반경 232, 276, 340 pm 도식 그림 7. 실질 이온 반경 쿨롱 힘에 반비례(F=KQ₁Q₂/r²). 이온 반경 순서 rK⁺(138 pm)>rNa⁺(102 pm)>rLi⁺(76 pm) → 쿨롱 힘 순서 K⁺

rGO/MWCNT 필름 전기화학 성능

2 M KOH 전해질 3전극 셋업에서 MWCNT 첨가 효과 추가 조사. 그림 8a 50 mV s⁻¹, -0.9~0.0 V 전위 범위 rGO, GP5C, GP10C, GP15C 전극 CV 곡선. GP10C CV 곡선 GP, GP5C, GP15C 대비 큰 면적, 준직사각형 → 이중층(EDL) 용량 거동, 높은 비용량 의미. 그림 8b 1 A g⁻¹, -0.9~0.0 V GCD 곡선. 유사 삼각형 형태로 EDLC 거동 검증. GP10C 현저히 긴 방전 시간(Δt), 합성 필름 중 최고 비용량. GCD 곡선 비용량-방전 전류 밀도(그림 8c). GP10C 0.25, 0.5, 1, 2, 3, 5, 7, 10 A g⁻¹서 200, 161, 147, 137, 134, 123, 120, 114 F g⁻¹, 초기값(200 F g⁻¹) 0.25→10 A g⁻¹ 57% 유지. rGO 비용량 MWCNT 첨가 후 유의 증가(GP5C, GP10C). 복합체 성능 향상: CNTs rGO 시트 재적층 방지, 전해질 이온 필름 깊은 곳 이동 촉진. CNTs 최적량 초과 시 비용량 감소: MWCNTs 제한적 분산성, 낮은 비용량(~20 F/g) 탓.

모든 합성 필름 비용량 전류 밀도 증가 시 감소: 고전류 밀도서 전해질 이온 필름 내 확산 느려짐 탓. 그림 8d 모든 전극 나이퀴스트 플롯, MWCNT 함량 증가 시 내부 저항 감소 시작. 내부 저항: 전해질 이온 저항, 기판·활전극 물질 고유 저항, 활전극-기판 계면 접촉 저항 합. GP10C 전극 최소 내부 저항 1.14 Ω, rGO, GP5C, GP15C 각각 ~2.2, 1.41, 1.19 Ω. GP10C 작은 내부 저항은 더 나은 접촉, 높은 전기전도도 탓. '니(free) 주파수'는 시스템 임피던스 커패시티브 자연 지배 최고 주파수. 확산 계수, 유효 확산 길이 관련. 니 주파수 이상 주파수 반무한 확산, 이하 유한 확산. GP5C, GP10C, GP15C 니 주파수 각각 1.37, 1.49, 1.10 Hz. GP10C 높은 니 주파수 → 전하 종 계면 축적 시간 적음 의미. 고-중주파 큰 반원 큰 전하 전송 저항(Rct) 대응. GP15C Rct GP10C보다 꽤 높음: 낮은 전기전도도, 수용액 전해질 높은 접촉 저항 탓.

EIS 데이터로 이완 시간 상수(τ₀) 복소 전력 식 (8),(9) 이용 결정. 이완 시간 상수는 슈퍼커패시터 지표 중요 매개변수. 정규화 허수 인자(|Q|/|S|), 실수 인자(|P|/|S|) 대 주파수(로그 스케일) 플롯(그림 9). 두 곡선 공명 주파수(f₀)서 교차, 이완 시간 τ₀=1/2πf₀ 계산. 고주파 |P|/|S| 최댓값 → 최대 전력 소모, 슈퍼커패시터 순수 저항 유사. 주파수 감소 시 |P|/|S| 감소, |Q|/|S| 최댓값 점서 슈퍼커패시터 순수 커패시터 유사. 테스트 필름 GP(rGO), GP5C, GP10C, GP15C 모두 |P|/|S|, |Q|/|S| 곡선 주파수 변화에 반대 거동, 공명 주파수(f₀)서 교차. 공명 주파수 계산 이완 시간 상수: GP 1.3 s, GP5C 196 ms, GP10C 194 ms, GP15C 378 ms. MWCNTs 첨가 후 이완 시간 현저 감소: CNTs rGO 시트 재적층 방지, 전해질 이온 필름 내 빠른 이동 탓. MWCNTs 추가 증가(15 wt%) 시 이완 시간 증가: MWCNTs 작은 직경(10-20 nm) 높은 이온 확산 저항, 최적값 초과 시 유의해짐. EIS 결과 합성 필름 전해질 이온 확산 계수 결정 가능(그림 9d). 식 (7) 계산 계면 영역 전해질 이온 확산 계수(D_a): GP 1.0112×10⁻¹³, GP5C 8.0286×10⁻⁹, GP10C 7.8457×10⁻⁹, GP15C 2.1919×10⁻⁹ cm² s⁻¹(2 M KOH). GP5C, GP10C 이완 시간, 확산 계수 거의 동일하나 GP10C 비용량, 속도 특성 훨씬 우수. GP10C 작은 이완 시간, 높은 확산 계수 → 저장 에너지 빠른 방출, 높은 비용량으로 고전력 커패시터 엔지니어링 적합.

위 결과 GP10C 필름 기반 슈퍼커패시터 전극이 합성 필름 중 최적 전기화학 특성. GP10C 상세 전기화학 성능 조사. 그림 10a 5, 10, 25, 50, 100 mV s⁻¹, -0.9~0.0 V(Ag/AgCl 기준) GP10C CV 곡선. 모든 CV 곡선 거의 직사각형 대칭 → 완벽 EDL 용량 거동, 고속 충방전 특성. 인셋 평균 피크 전류 대 주사율 제곱근 선형 관계 R²=0.98878 → 확산 제어 공정. 그림 10b 0.25-10 A g⁻¹, -0.9~0.0 V GP10C GCD 곡선. 충방전 곡선 대칭. GP10C 내구성 평가 위해 2 M KOH 2 A g⁻¹ 장주기 테스트. 그림 10c 15,000 사이클 후 92.5% 유지 우수 장주기 안정성. 인셋 처음, 마지막 5 사이클 → 15,000 사이클 후에도 좋은 대칭 충방전 특성 유지, 전기화학적 내구성 우수 입증. 그림 10d 장주기 테스트 중 GP10C 전극 나이퀴스트 플롯. 내부 저항 사이클링 중 1사이클→15,000사이클 증가. 1사이클 최저 1.12 Ω, 10,000, 15,000사이클 후 전기화학 활성 부위 서서히 소모되며 2.64, 3.04 Ω 증가. 결과적으로 비용량 서서히 반복 감소(그림 10c). GP10C 필름 전극 장주기 테스트 후 형태 변화 확인 위해 엑스시투(FESEM, TEM) 연구, 결과 그림 11. 그림 11a 장주기 테스트 전 GP10C 전극 TEM, 11b-c 15,000사이클 후 FESEM, TEM. GP10C 전극 형태 15,000사이클 후에도 변화 없음 → 필름 지속적 화학적 안정성 입증. GP10C 필름 전극 관측 비용량 최근 보고 자립 그래핀 기반 슈퍼커패시터 전극 다수 상회(표 1).

대칭 슈퍼커패시터 전기화학 성능

GP10C 필름 실용 응용 조사 위해 동일 무게 GP10C 전극 2개, 2 M KOH 수용액 전해질 분리막 삽입 대칭 코인셀 슈퍼커패시터 제작. 그림 12a,b 2, 5, 10, 15, 25, 50, 75, 100 mV s⁻¹ 소자 CV 프로파일. 거의 동일 직사각형 → 완벽 EDLC 거동. 그림 12c 모든 전류 밀도 선형 GCD 곡선 → 높은 속도 응답. 작은 내부 저항 0.4 Ω → 소자 내 전하 수송 우수(그림 12d). 소자 CV 비용량(그림 12e) 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0 A g⁻¹서 53, 51, 49.8, 48, 46.7, 45 F g⁻¹. 비용량 프로파일(그림 12e) 0.1 A g⁻¹ 초기값 0.1→1.0 A g⁻¹ 85% 유지 → 좋은 속도 특성. 에너지 밀도(Wh kg⁻¹), 전력 밀도(W kg⁻¹) 식 (8),(9) 계산. 최대/최소 에너지 밀도 29.4, 25.0 Wh kg⁻¹, 전력 밀도 439, 4500 W kg⁻¹(그림 12f).

대칭 소자 0.3 A g⁻¹ 10,000 연속 사이클 후 ~85% 유지, 쿨롱 효율 92% 우수 사이클러빌리티(그림 13a). 소자 우수 사이클러빌리티는 활전극 물질 전기화학적 안정성 탓. GP10C 나노복합 필름 최적량 MWCNTs 주로 rGO 시트 재적층 방지, 전해질 이온 표면 흡착 더 노출된 영역 제공. 소재 구조 강화해 사이클링 구조 변형 저항. 테스트 전극 15,000사이클 후 엑스시투 TEM, FESEM(그림 11a-c) GP10C 전극 형태 동일 유지 → 합성 복합 필름 지속적 화학적 안정성 검증. 인셋 1, 5000, 10,000번째 충방전 프로파일 → 소자 대칭 충방전 특성. 10,000 연속 장주기 후 높은 유지율 탁월한 전기화학적 내구성 입증. 그림 13b 장주기 테스트 중 소자 나이퀴스트 플롯, 반복 사이클 중 워버그 영역(중주파) 증가. 슈퍼커패시터 전극 활물질 활성 부위 장주기 테스트 중 소모돼 내부 저항 증가 탓. 인셋(그림 13b) 단일 코인셀 적색 LED 점등 시연. GP10C 유연 필름 전극, 겔 전해질 설계 FSSSD 20 mV s⁻¹에서 0-180° 굽힘 시 CV 곡선 형태 유의한 변화 없음(그림 13c). 0°, 60°, 90°, 180° 굽힘 각도 디지털 사진 그림 13d-g.

위 결과 우리 합성 GP10C 필름 슈퍼커패시터 잠재 응용 입증. 이 용이 접근법 향후 에너지 저장 소자 응용 전망 열음.

결론

요약: 최단 화학 경로로 단순 비용 효율적 rGO/MWCNT 유연 필름 전극 합성. rGO/MWCNT 나노복합 필름 전기화학 성능에 미치는 MWCNT 첨가 효과 KOH, LiOH, NaOH 다른 알칼리 전해질 조사. 실험 결과 GP10C 2 M KOH서 비용량 200 F g⁻¹ 최고 전기화학 성능. 이 합성 필름 전극 2 M KOH 수용액 전해질서 15,000 장주기 테스트 92% 유지, 작은 이완 시간 상수(~194 ms), 높은 확산 계수(7.8457×10⁻⁹ cm² s⁻¹) 우수 내구성. GP10C 우수 전기화학 성능은 K⁺ 양이온 작은 수화 반경, 높은 이온 전도도 탓. GP10C 양극/음극, 2 M KOH 전해질 대칭 코인 슈퍼커패시터 셀 완벽 EDLC 거동, 최대 에너지/전력 밀도 29.4 Wh kg⁻¹, 4500 W kg⁻¹. 대칭 셀 0.3 A g⁻¹ 10,000 연속 사이클 후 85.3% 유지, 쿨롱 효율 92% 우수. GP10C 유연 필름 전극, 겔 전해질 FSSSD 20 mV s⁻¹ 0-180° 굽힘 시 CV 곡선 형태 유의 변화 없음. 우리 rGO/MWCNT 나노복합 필름 실용 응용 적합, 고전량 에너지 저장(슈퍼커패시터, 리튬 배터리), 변환, 웨어러블 소자 설계 적절.