Development of electrochemical capacitor using NiCo_(2)O_(4) nanomaterials

Abstract

현대 사회의 출현과 에너지의 수요 증가에 따른 화석 연료의 부족으로 인해 새로운 종류의 에너지 전환 및 저장 장치의 개발에 대한 관심이 높다. 에너지 저장 장치 중에서 슈퍼커패시터는 베터리를 대체 할 수 있는 저장 장치로 주목되어 왔다. 그러나 낮은 전기 용량 및 저 에너지 밀도를 갖는 물질로 인해 슈퍼커패시터 개발은 어려웠다. 본 학위 논문에서는 높은 페러데이 반응을 갖는 에너지 저장 장치용 전극인 이차 금속 산화물(NiCo_(2)o_(4))을 사용하였다. 첫 번째 실험에서는 쉬운 저온 수열 합성과 열적 어닐링 방법을 사용하여 (NiCo_(2)o_(4)) 나노 플레이트를 제작했고 슈퍼커패시터에 적용했다. 제작 된 재료의 물리 화학적 특성을 X선 회절 분석, 푸리에변환 적외선 분광 분석(FTIR) 및 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM)을 통해 분석하였다. 그 결과 전기화학 측정에서 (NiCo_(2)o_(4)) 나노플레이트 전극은 5mVs^(-1)의 스캔 속도에서 332 Fg^(-1)의 높은 비정전용량을 나타냈으며 2.5Ag^(-1)의 전류 밀도에서 2000 사이클의 후에도 초기 비정전용량의 약 86%을 유지함을 보여주었다. 두 번째 실험에서는 성능을 향상시키기 위해 니켈 폼 위에 견고한 접착력을 발휘하는 계층적 다공성 니켈-코발트 화형(porous hierarchical flower-shaped nickel, PFNC) 나노시트를 단순 수열 합성법 및 열처리를 통해 제작하였다. 재료 물질의 다공성 구조는 전기 활성을 증가 시키고 전기화학 측정을 하는 동안 빠른 전자 이동 및 이온 전도를 촉진시킨다. 제작 된 재료를 충•방전 분석 및 순환 전류 분석을 통해 측정한 결과 각각 5 mAcm^(-2)의 전류 밀도에서 최대 비정전용량은 2061 Fg^(-1)(표면정전용량 : 4.16Fcm^(-2))이고 5mVs^(-1)의 스캔속도에서 최대 비정전용량은 2100Fg^(-1)(4.24Fms^(-2))으로 측정되었다. 두 실험을 통해 바인더 물질이 혼합하지 않은 PFNC 전극이 슈퍼퍼캐시터 제작을 위한 좋은 양극 물질이 될 수 있음을 시사한다.

The emergence of modern era and rising call for the need of energy urges the development of new kinds of energy conversion and storage devices due to lack of fossil fuels. Among the energy storage devices, supercapacitors have been considered as alternate energy storage devices for batteries. However, it suffers from low energy density due to the low capacitance materials. In the present thesis, we present a binary metal oxides, NiCo_(2)O_(4) as an excellent electrode material for energy storage device due to its rich faradic reaction. In this first experimental, we present a preparation of NiCo_(2)O_(4) nanoplates by a facile, low temperature, hydrothermal method, followed by thermal annealing and used supercapacitor applications. The physico-chemical characterizations of as-prepared materials were investigated by means of X- ray diffraction (XRD), Fourier transform infra-red spectroscopy (FT-IR) and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). The electrochemical measurements demonstrate that the NiCo_(2)O_(4) nanoplates electrode exhibits a high specific capacitance of 332 Fg^(-1) at a scan rate of 5mVs^(-1) and also retained about 86% of the initial specific capacitance value even after 2000 cycles at a current density of 2.5 Ag^(-1). In order to improve the performance, we demonstrate a large-scale growth of porous hierarchical flower-shaped nickel cobaltite (PFNC) nanosheets on Ni foam with robust adhesion as a high performance electrode material for supercapacitors via a simple hydrothermal method and post annealing treatment. The presence of porous architecture increases the electroactive cites and facilitates the fast electron and ion conduction during electrochemical measurements. The prepared material shows a maximum specific capacitance of 2061 Fg^(-1) (areal capacitance of 4.16 Fcm^(-2)) at the current density of 5mAcm^(-2) and 2100 Fg^(-1)(4.24 Fcm^(-2) at the scan rate of 5mVs^(-1) cfrom charge discharge analysis and cyclic voltammetry analysis respectively. Overall results suggest that the prepared binder-less PFNC electrode will be a promising candidate as a positive electrode for supercapacitor applications.