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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.31 No.9 pp.502-510
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2021.31.9.502

Preparation and Electrochemical Characterization of Nitrogen-Doped Porous Carbon Textile from Waste Cotton T-Shirt for Supercapacitors

Hyeong-Seok Chang1, Ahreum Hwang1, Byoung-Min Lee1, Je Moon Yun2, Jae-Hak Choi1
1Department of Polymer Science and Engineering, Chungnam National University, 99 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34134, Republic of Korea
2Division of Advanced Materials Engineering, Dong-Eui University, 178 Eomgwang-ro, Busanjin-gu, Busan 47340, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : jaehakchoi@cnu.ac.kr (J.-H. Choi, Chungnam Nat’l Univ.)
jmyun@deu.ac.kr (J. M. Yun, Dong-Eui Univ.)
July 16, 2021 August 13, 2021 August 20, 2021

Abstract


Hierarchically porous carbon materials with high nitrogen functionalities are extensively studied as highperformance supercapacitor electrode materials. In this study, nitrogen-doped porous carbon textile (N-PCT) with hierarchical pore structures is prepared as an electrode material for supercapacitors from a waste cotton T-shirt (WCT). Porous carbon textile (PCT) is first prepared from WCT by two-step heat treatment of stabilization and carbonization. The PCT is then nitrogendoped with urea at various concentrations. The obtained N-PCT is found to have multi-modal pore structures with a high specific surface area of 1,299 m2 g−1 and large total pore volume of 1.01 cm3 g−1. The N-PCT-based electrode shows excellent electrochemical performance in a 3-electrode system, such as a specific capacitance of 235 F g−1 at 1 A g−1, excellent cycling stability of 100 % at 5 A g−1 after 1,000 cycles, and a power density of 2,500 W kg−1 at an energy density of 3.593 Wh kg−1. Thus, the prepared N-PCT can be used as an electrode material for supercapacitors.



슈퍼커패시터용 폐면 티셔츠로부터 질소 도핑된 다공성 탄소 직물의 제조 및 전기화학 특성 평가

장 형석1, 황 아름1, 이 병민1, 윤 제문2, 최 재학1
1충남대학교 고분자공학과
2동의대학교 신소재공학부

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    화석연료 사용으로 인한 환경오염 등의 문제를 해결하 기 위하여 태양광, 풍력 등과 같은 신재생 에너지와 함 께 이차전지, 슈퍼커패시터와 같은 전기화학적 에너지 저 장 장치에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.1-3) 이 중 슈 퍼커패시터는 높은 전력 밀도와 반영구적인 수명 등과 같은 장점을 가지는 에너지 저장 장치이기 때문에 하이 브리드 자동차, 휴대용 전자 장치, 스마트 의류 등의 전 력 공급원으로 사용될 수 있다.4,5)

    슈퍼커패시터용 전극 활물질로는 다공성 탄소,6,7) 전이 금속 산화물,8,9) 전도성 고분자10,11)들이 많이 연구되고 있 다. 이 중 다공성 탄소를 전극의 활물질로 사용하는 슈 퍼커패시터는 전극 활물질의 표면에서 전해질 이온이 물 리적인 흡착과 탈착에 의해 충전과 방전이 되는 비패러 데익(non-Faradaic) 반응이기 때문에 전극 활물질의 비표 면적, 기공의 크기와 부피, 전기 전도성 등이 슈퍼커패 시터의 전기화학적 성능을 좌우한다. 이러한 이유로 넓 은 비표면적, 잘 발달된 기공 구조, 전기화학적 안정성, 저렴한 비용 등과 같은 장점을 가지고 있는 다공성 탄 소는 슈퍼커패시터의 전극 활물질로 상업화가 되어있 다.12,13) 다공성 탄소의 종류는 활성탄,14,15) 탄소 나노튜 브(CNT)16), 그래핀17), 유기고분자 유도 탄소18) 등이 있 다. 여러 가지 다공성 탄소 중에서 활성탄은 탄소 전구 체 또는 탄소 재료로부터 비표면적의 증가와 기공 구조 형성을 위해 물리적 또는 화학적으로 활성화시켜 제조 되며, 활성탄의 기공은 중간 기공(2 - 50 nm)보다는 미세 기공(< 2 nm)이 주를 이루고 있다.19,20) 활성탄의 전구체 는 식물, 목재 등의 바이오매스와 석탄, 코크스, 피치와 같은 탄소 동소체와 유기 고분자와 같은 합성 전구체가 있다. 이 중에서 바이오매스 전구체는 지구에서 가장 풍 부하며 지속가능한 친환경 재료이기 때문에 이러한 바 이오매스 전구체를 이용한 다공성 탄소 제조 및 슈퍼커 패시터 전극으로의 응용 연구가 진행되고 있다.21-25)

    슈퍼커패시터의 전기화학적 성능 향상을 위하여 전극 활물질이 다공성 탄소 구조내에 산소(O), 황(S), 질소(N), 인(P) 등 헤테로 원자(hetero atom)를 도핑하는 연구가 많이 진행되고 있다. 탄소 구조에 헤테로 원자의 도핑 은 탄소 원자를 헤테로 원자로 치환하여 탄소 원자와 헤 테로 원자간 결합 구조를 생성하는 것을 의미하며 이 중 질소 원자 도핑은 전해질 이온에 대한 전극 활물질의 젖 음성이 개선되어 전해질 이온의 수송과 확산을 쉽게 하 고 전기전도도가 향상되어 슈퍼커패시터의 전기화학적 성 능이 향상된다고 보고되고 있다.26-28) 이러한 헤테로 원 자를 탄소에 도핑하는 방법에는 헤테로 원자를 포함하 는 전구체를 직접 탄화하여 얻는 방법,29,30) 탄소 전구체 와 헤테로 원자를 제공하는 화학물질과 함께 열처리하 여 얻는 방법 등이 있다.31)

    본 연구에서는 폐면 티셔츠(waste cotton T-shirt, WCT) 를 활용하여 질소가 도핑된 다공성 탄소 직물(nitrogendoped porous carbon textile, N-PCT)을 제조하였으며, 슈퍼커패시터용 전극 활물질로의 전기화학 성능을 평가 하였다. 이를 위하여 WCT를 열안정화 및 탄화의 2단 계 열처리에 의하여 다공성 탄소 직물(porous carbon textile, PCT)을 제조하였다. 제조된 PCT 기반 슈퍼커패 시터의 전기화학적 성능 향상을 위하여 다양한 농도의 우레아(urea)를 이용하여 질소 원자를 도핑하여 N-PCT 를 제조하였다.32-36) 제조된 N-PCT를 도전재와 바인더가 없이 슈퍼커패시터용 전극 활물질로 사용한 결과 1 A g−1 에서 235 F g−1의 우수한 비축전용량과 5 A g−1에서 1,000 회의 충전과 방전 후 100%의 우수한 수명 안정성, 3.593 Wh kg−1의 에너지밀도에서 최대 2,500Wkg−1의 전력밀 도 등 우수한 전기화학적 성능을 나타내었다.

    2. 실험 및 분석 방법

    WCT (E-Land Retail Co., Ltd., obtained from industrial waste cotton, 5 × 5 × 0.1 cm3)는 초음파 세척기를 이용 하여 증류수로 세척한 후 건조하였다. WCT는 공기 분 위기에서 분당 3 °C의 속도로 240 °C에 도달한 후 2시간 동안 muffle furnace (L5/11, Nabertherm, Germany)에 서 열안정화를 진행하였다. 열안정화된 WCT (thermallystabilized WCT, TS-WCT)는 질소 분위기의 관형 탄화 로((주)율산)에서 분당 5 °C의 속도로 1,000 °C에 도달한 후 1시간 동안 열처리하여 PCT를 제조하였다.37) PCT를 0.1, 0.5, 1 M의 우레아 수용액에 80 °C의 온도에서 3시 간 동안 함침시킨 후 분당 5 °C의 승온 속도로 400 °C 에서 2시간 동안 공기 분위기의 muffle furnace에서 열 처리하여 N-PCT를 제조하였다. 제조된 N-PCT는 우레아 의 농도에 따라 각각 N-PCT-0.1, N-PCT-0.5, N-PCT-1 로 명명하였다. 형태학적 관찰은 전계방사 주사전자 현 미경(FE-SEM, Merlin Compact, Carl Zeiss, Germany) 으로 수행하였고, 원소 분석은 에너지 분산형 X-선 분 광법(energy dispersive X-ray spectrometry)을 이용하여 진행하였다. 물리적 구조 분석은 X-선 회절법(XRD, D8 Advance, Bruker, USA)과 Raman 분광법(LabRAM HR- 800, Horiba Jobin Yvon, France)으로 실시하였다. 구성 성분과 화학적 결합 구조의 변화는 X-선 광전자 분광법 (XPS, K-Alpha+, Thermo Fisher Scientific, USA)을 이 용하여 분석하였다. 질소 흡착/탈착 분석기(nanoPorosity- XQ, Mirae Scientific Instruments, Korea)를 사용하여 비표면적은 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 방법, 중간기 공과 미세기공은 각각 Barrett-Joyner-Halenda (BJH) 방 법과 Horvath-Kawazoe (HK) 방법으로 분석하였다. 슈퍼 커패시터의 성능 평가를 위해 2.5 mg의 N-PCT를 니켈 폼으로 감싸고 압착하여 작업전극을 제조하였으며 기준전 극과 상대전극으로 각각 Hg/HgO와 백금을 사용하였다. 3- 전극을 이용한 전기화학적 성능 평가는 다채널 전기화학 분석기(ZIVE MP2A, WonATech, Korea)를 사용하여 6 M KOH 전해질에서 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)과 정전류 충전/방전(galvanostatic charge/discharge, GCD) 시험을 진행하였다. 이 때 순환전압전류법은 10 ~ 50 mV s−1의 전류 주사 속도(current scan rate)로 정전 류 충전/방전 시험은 0.5 ~ 20 A g−1의 전류밀도(current density)로 –1 ~ 0 V의 전압 범위에서 각각 수행하였다. 저 항 특성은 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)으로 0.01 ~ 100,000 Hz의 주파수 범위 에서 분석하였다. 또한, 수명 안정성(cycling stability)은 5 A g−1의 전류밀도에서 1,000 회의 충전과 방전을 실 시하여 평가하였다. 비축전용량(C, F g−1), 에너지 밀도 (Wh kg−1), 출력 밀도(W kg−1)는 다음의 식으로 계산하 였다. 이때 I는 전류(A), △t는 방전시간(s), m은 활물질 의 무게(g), △V는 전위창(V)이다.

    C = I × Δt m × ΔV
    (1)

    E = 1 8 × C × Δ V 2 3.6
    (2)

    P = E t × 3600
    (3)

    3. 결과 및 고찰

    N-PCT-1의 제조 단계 별 형태학적 분석 결과를 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1(a)에서 보는 바와 같이, WCT를 열안정화, 탄화, 도핑 후에도 직물의 형태를 잘 유지하 고 있었다. 그러나 면적은 열안정화, 탄화, 도핑 후 각 각 12 %, 40 %, 46 % 정도가 감소되었고, 두께는 총 46 %가 감소되어 약 168 μm의 두께를 가지는 N-PCT가 제 조된 것을 확인하였다. 또한, 흰색을 보이는 WCT는 열 안정화와 탄화 후 각각 검은색으로 변화하여 탄소 직물 이 되었음을 예상할 수 있다. N-PCT-1의 제조 단계 별 미세구조 변화를 관찰하기 위하여 FE-SEM 분석 결과를 Fig. 1(b)에 나타내었다. WCT는 평면 형태의 섬유들이 삼차원 네트워크 구조로 이루어진 것을 알 수 있는데 이 러한 셀룰로스 섬유의 평면 형태는 목재와 목화에서 단리 된 셀룰로스 Iβ의 고유 성질로 WCT의 소재가 면(cotton) 인 것을 확인할 수 있다. WCT 내 평면 형태의 섬유 직 경은 27.8 μm의 평균값을 보이나 열안정화, 탄화, 도핑 후 섬유 직경은 감소하여 N-PCT-1은 평균 8.8 μm의 직 경을 가지는 것을 확인하였다. 이러한 결과들이 나타난 이유는 WCT로부터 N-PCT-1의 제조 시 크기, 두께의 감 소는 열안정화, 탄화, 도핑 과정을 거치면서 탈수, 탈수 소 반응과 함께 비탄소 원소들이 제거되었기 때문이다. 또한, Fig. 1(c)의 EDS 분석 결과에서 나타낸 바와 같 이 N-PCT-1은 탄소, 산소, 질소로 구성되어 있으며 NPCT 내 질소가 고르게 도핑되어 있는 것을 확인할 수 있다. Fig. 1의 형태학적 관찰 결과 열안정화, 탄화, 도 핑 과정을 거쳐 성공적으로 N-PCT가 제조되었음을 확 인하였다.

    각 제조 단계별 화학적 조성을 XPS로 분석하였으며, 그 결과를 Fig. 2와 Table 1에 나타내었다. Fig. 2의 XPS survey spectra에서 WCT, TS-WCT, PCT, N-PCT는 285, 532 eV에서 각각 탄소와 산소의 특성 피크가 나타 나고 N-PCT의 경우 410 eV에서 질소 특성 피크가 나 타나는데 이는 우레아에 의해 질소가 도핑된 것을 의미 하고 우레아의 농도가 증가할수록 질소 피크의 강도가 증 가하는 것을 알 수 있다. Fig. 2의 XPS survey spectra 로부터 탄소, 산소, 질소의 함량을 Table 1에 정리하였 다. WCT의 탄소와 산소의 함량은 각각 62.7, 37.27 % 이었으며 열안정화, 탄화를 거치면서 탄소의 함량은 증 가하고 산소의 함량은 감소하여 PCT의 경우 탄소와 산 소의 함량은 각각 88.71, 11.29 %이었다. 그 결과 산소 와 탄소의 함량비([O]/[C])는 0.594에서 0.127로 감소하 였다. 반면에 N-PCT의 경우 우레아의 농도가 증가할수 록 질소의 함량은 2.58에서 4.39 %로 증가하였고 산소 의 함량이 PCT에 비해 증가한 것은 공기 분위기에서 열 처리하였기 때문이다. 이러한 XPS survey spectra 분석 결과로부터 N-PCT-1은 우레아에 의해 질소가 도핑이 되 었고 최대 4.39 %의 질소를 포함하고 있는 것을 알 수 있었다.

    샘플들의 탄소 및 질소의 화학 구조를 C1s와 N1s narrow spectra를 deconvolution하여 분석하였으며, 그 결 과를 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3(a)의 C1s narrow spectra 에서 보는 바와 같이, WCT는 셀룰로스의 C-C (285 eV), C-O (286.8 eV), O-C-O (288.6 eV) 결합을 가지고 있음 을 확인할 수 있다.38) TS-WCT의 경우[Fig. 3(b)], 284.2 eV에서 conjugated C=C 결합에 해당하는 특성 피크가 나타나고 다른 특성 피크는 감소하거나 제거된 것을 확 인할 수 있다. 탄화 후에는 C=C 결합에 해당하는 특성 피크가 지배적이고 C-C, C=O 피크가 관찰되어 탄소가 구 성 원소의 대부분을 차지하는 탄소 재료임을 확인할 수 있다[Fig. 3(c)]. Fig. 3(d)에서 보는 바와 같이, N-PCT-1 은 C=C/C-C (284.8 eV), C=O (288.6 eV) 결합과 우레 아에 의한 질소 도핑에 의하여 C-N (286.2 eV) 결합이 나타나는 것을 알 수 있다.39) N-PCT 구조에 질소가 어 떠한 화학적 구조를 가지고 도핑이 되어 있는지 알아보 기 위해 질소 결합 관련 특성 피크를 분석하여 Fig. 3(e) 에 나타내었다. N-PCT-1는 피리디닉 N (pyridinic N, 398.5 eV), 피롤릭 N (pyrrolic N, 400 eV), 쿼터너리 N (quaternary N, 401.2 eV), 산화된 N (oxidized N, 403 eV)을 가지고 있음을 알 수 있다.40,41) 탄소 재료에 질 소 도핑 시 pyridinic N으로 인하여 전해질 이온이 쉽 게 이동하고 빠르게 확산되며, pyrrolic N은 전하의 이 동을 수월하게 한다고 알려져 있다.42,43) Quaternary N과 oxidized N의 존재로 인하여 슈퍼커패시터 전극의 전기 전도도와 전극 활물질에 대한 전해질 이온의 젖음성이 각각 향상될 수 있다.44) XPS 분석 결과를 토대로 우레 아에 의해 성공적으로 질소가 도핑 되었음을 확인하였 고, 여러 가지 질소 작용기의 존재로 인해 슈퍼커패시 터의 전기화학적 성능 향상을 예상할 수 있다. 질소가 도핑된 탄소 구조는 Fig. 3(f)와 같다.

    WCT, TS-WCT, PCT, N-PCT-1의 물리적 구조를 X- 선 회절법과 Raman 분광법으로 분석하였다. Fig. 4(a)의 XRD 패턴에서 보는 바와 같이, WCT는 2θ = 14.8, 16.6, 22.7, 34.6°에서 특성 피크가 나타나는데 이는 각각 셀룰 로스 Iβ의 단사정계(monoclinic) 결정구조의 (11̅0), (110), (200), (040) plane에 해당하며, 앞서 언급한 Fig. 1(b)의 형태학적 관찰 결과와 일치한다.45,46) 이러한 특성 피크 는 열안정화와 탄화 후 사라짐을 확인하였다. PCT와 NPCT- 1는 흑연의 (002) plane에 해당하는 2θ = 24° 부근 에서 넓은 피크를 가지는데 이는 흑연화도가 낮은 무정 형 탄소 구조라는 것을 보여준다.47) Fig. 4(b)의 PCT와 N-PCT-1의 Raman spectra에서 탄소의 무정형 영역에 해 당하는 D-band와 결정 영역에 해당하는 G-band가 각각 1,350, 1,580 cm−1에서 관찰된다.48-50) 또한, PCT와 NPCT- 1의 D-band와 G-band의 피크 강도 비(ID/IG)는 각 각 0.98, 0.97인 것을 확인하였다. X-선 회절과 Raman 분광 분석을 토대로 제조한 PCT와 N-PCT-1은 흑연화 도가 낮은 무정형 구조를 가지고 있음을 확인할 수 있 었다.

    PCT와 N-PCT의 기공 특성은 질소 흡착/탈착 등온선 으로 분석하여 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5(a) 에서 N-PCT의 경우 0.1 이하의 낮은 상대압력(P/Pₒ)에 서 질소의 흡착은 2 nm 이하의 크기를 가지는 미세기공 (micropore)이 존재함을 의미하며 0.4 - 0.8의 범위의 상 대압력에서 질소의 흡착과 탈착 등온선이 다른 물리적인 이력현상이 나타나는데 이는 2 - 50 nm의 크기를 가지는 중간기공(mesopore)이 존재하기 때문이다. 또한, 0.95 이 상의 높은 상대압력에서 질소의 흡착은 50 nm 이상의 크 기를 가지는 거대기공(macropore)에 의하여 나타난다.51-53) N-PCT의 질소 흡착/탈착 등온선은 international union of pure and applied chemistry (IUPAC)에 의해 중간기 공이 존재하는 IV 유형으로 분류할 수 있다. N-PCT의 경우 우레아의 농도가 증가할수록 미세기공, 중간기공, 거 대기공이 더 발달하는 것을 알 수 있고 Fig. 5(b)의 기 공 크기 분포의 결과와 일치한다. Table 2에 비표면적과 기공 특성을 정리하여 나타내었다. PCT의 비표면적(SBET) 은 517.75 m2 g−1이었으나 우레아의 농도가 증가할수록 함 께 증가하여 N-PCT-1의 경우 1,299.04 m2 g−1을 보였다 . 이는 우레아를 이용한 도핑 시 공기 중에서의 열처리 과정 중에 활성화 효과와 기공 형성 효과로 인한 것으 로 판단된다. 기공 부피와 면적의 경우 비표면적과 마 찬가지로 우레아의 농도가 증가할수록 많이 향상되어 NPCT- 1은 518.93 m2 g−1의 중간기공 면적, 920.04 m2 g−1의 미세기공 면적, 1.02 cm3 g−1의 총 기공 부피를 가지는 것 으로 분석되었다. 중간기공의 넓은 면적과 큰 부피는 슈 퍼커패시터 활물질에 대한 전해질 이온의 이동과 확산 을 용이하게 하고 미세기공의 면적과 부피가 증가할수 록 슈퍼커패시터 활물질 표면에 전해질 이온이 흡착하 는 양이 증가한다.54) 이러한 비표면적과 기공 특성 분석 결과로부터 N-PCT는 우레아를 이용한 도핑 과정에서 공 기 중의 열처리에 의해 도핑 및 활성화가 동시에 일어 나 슈퍼커패시터 활물질로 사용 시 전기화학적 성능이 개선될 것으로 예상할 수 있다.

    N-PCT 기반 전극의 전기화학적 성능을 알아보기 위해 5 ~ 50mVs−1의 주사 속도로 –1 ~ 0 V의 전위창에서 측정 한 CV 곡선 결과를 Fig. 6(a)-(d)에 나타내었다. PCT와 N-PCT 전극의 CV 곡선에서 산화와 환원 피크가 발견 되지 않으므로 전형적인 전기이중층 커패시터 거동에 의 해 충전과 방전이 가역 반응으로 일어남을 알 수 있다. N-PCT 전극의 경우 우레아의 농도가 증가할수록 같은 주사 속도에서 CV 곡선 안쪽의 면적이 증가하였으며 이 는 우레아를 이용한 질소 도핑에 의해 비표면적과 기공 특성이 향상되어 비축전용량이 증가한 것을 의미한다. Fig. 6(e)-(f)에서 나타낸 GCD 시험은 –1 ~ 0 V의 전위 창에서 0.5, 1, 2, 5 A g−1의 다양한 전류 밀도에서 충 전과 방전을 수행한 결과이다. PCT와 N-PCT 전극은 전기이중층 커패시터의 충전과 방전의 거동에 기초한 대 칭형의 삼각형 모양을 보인다. PCT 전극의 경우 IR drop이 관찰되나 N-PCT 전극은 잘 발달된 기공 구조 와 함께 앞서 언급한 Fig. 3(e)의 질소 도핑 구조 중 quaternary N의 형성에 의해 전기전도도가 향상되어 IR drop이 관찰되지 않았다. 또한, N-PCT 전극의 경우 우 레아의 농도가 증가할수록 같은 전류 밀도에서 충전과 방전 시간이 증가하였으며 Fig. 6(a)-(d)의 CV 곡선 분 석 결과와 일치한다. Fig. 6(i)는 GCD 시험 결과에서 계 산한 전극의 전류 밀도에 따른 비축전용량이다. PCT 전 극의 비축전용량은 0.5, 1, 20 A g−1에서 각각 161, 133, 66 F g−1이었다. 질소 도핑 후 앞서 언급한 CV 곡선, GCD 시험 결과와 마찬가지로 N-PCT-1 전극의 비축전 용량이 가장 높았고 0.5, 1 A g−1에서 각각 273, 235 F g−1이었으며 20 A g−1의 높은 전류 밀도에서 103 F g−1의 우수한 비축전용량을 보였다. 결과적으로 N-PCT-1 전극 의 경우 1 A g−1을 기준으로 비축전용량은 PCT 전극에 비해 비축전용량이 최대 1.76배가 증가함을 확인하였 다. N-PCT 전극의 저항 특성을 알아보기 위한 EIS 분 석 결과를 Fig. 6(j)에 나타내었다. EIS 결과에서 보는 바와 같이 우레아의 농도가 증가할수록 낮은 주파수 영 역에서 나타나는 기울기가 증가하는 것은 이온 확산 성 능이 향상되는 것을 의미하고 중간 주파수 영역에서 나 타나는 반원 모양의 지름이 작아지는 것은 전하 이동 저 항이 작아지는 것을 의미한다.55) 또한, N-PCT-1 전극은 높은 주파수 영역에서 나타나는 용액 저항의 경우 0.76 Ω의 값을 가지는 것을 확인하였다.56) N-PCT-1 전극의 capacitance retention은 5 A g−1의 전류 밀도에서 1,000 회의 충전과 방전을 GCD 시험 결과 100 %로 우수한 수 명 안정성을 보였다[Fig. 6(k)]. 또한, Fig. 6(l)에 전력 밀도와 에너지 밀도의 관계를 나타낸 Ragone plot에서 N-PCT-1 전극은 최대 2,500Wkg−1의 전력 밀도를 가지 는 것을 확인하였다. 이러한 우수한 전기화학적 성능은 N-PCT-1이 질소를 함유하고 있으며 넓은 비표면적과 잘 발달된 기공 구조의 3차원의 다공성 탄소 섬유로 이루 어진 결과로 해석할 수 있다.

    4.결 론

    본 연구에서는 WCT로부터 질소가 도핑된 N-PCT를 제조하였으며, 이를 슈퍼커패시터용 전극 활물질로 사용 하여 전기화학적 성능을 평가하였다. 제조된 N-PCT는 질 소가 도핑된 유사 흑연 구조를 가지고 있었으며 계층적 기공 구조로 이루어져 있음을 확인하였다. 전기화학적 성 능 평가 결과, 1 A g−1에서 235 F g−1의 비축전용량, 20 A g−1에서 103 F g−1의 큰 비축전용량, 5 A g−1에서 1,000 회 충전과 방전 후 100 %의 수명 안정성, 3.593 Wh kg−1 에서 2,500Wkg−1의 전력 밀도 등 우수한 성능을 나타 내었다. 이러한 결과들로부터 다양한 폐면 직물로부터 탄 화와 질소 도핑에 의하여 N-PCT 제조가 가능하며, 제 조된 N-PCT는 슈퍼커패시터뿐만 아니라 다양한 에너지 저장 장치용 전극 활물질로 사용 가능할 것으로 예상된다.

    Acknowledgement

    This research was supported by Chungnam National University (2020-2021).

    Figure

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    (a) Digital and (b) FE-SEM images of WCT, TS-WCT, PCT, and N-PCT-1; (c) EDS mapping results of N-PCT-1.

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    XPS survey spectra of WCT, TS-WCT, PCT, and N-PCT.

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    XPS deconvoluted C1s narrow spectra of (a) WCT, (b) TS-WCT, (c) PCT, and (d) N-PCT-1; (e) N1s spectra of N-PCT-1; (f) Ndoped carbon structure.

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    (a) XRD patterns of WCT, TS-WCT, PCT, and N-PCT-1; (b) Raman spectra of PCT and N-PCT-1.

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    (a) N2 isotherm curves and (b) pore size distribution of PCT and N-PCT.

    MRSK-31-9-502_F6.gif

    CV curves at scan rates of 10 ~ 50 mV s−1 of (a) PCT, (b) N-PCT-0.1, (c) N-PCT-0.5, and (d) N-PCT-1; GCD test results at current densities of 0.5, 1, 2, and 5 A g−1 of (e) PCT, (f) N-PCT-0.1, (g) N-PCT-0.5, and (h) N-PCT-1; (i) specific capacitances at current densities of 0.5 ~ 20 A g−1; (j) EIS results of N-PCT samples; (k) cycling stability at a current density of 5 A g−1 for 1,000 cycles of N-PCT- 1; (l) Ragone plot of N-PCT-1.

    Table

    Elemental composition results determined by XPS spectra.

    Specific surface area and pore properties of PCT and N-PCT.

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