1. 서 론

전 세계적인 인구 증가와 산업 발전, 그리고 에너지 소비의 가속화에 따라 석유, 석탄, 천연가스와 같은 기존 에너지원에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 하지만 화석연료의 지속적 사용은 화석연료의 고갈, 지구온난화 및 환경오염 등과 같은 문제에 직접적으로 맞닿아 있으며, 태양 복사, 풍력, 지상 열과 같은 재생가능한 친환경 에너지원으로부터의 에너지 공급으로는 요구되는 에너지 소비량을 충족시키기에 부족하다.^1,2) 따라서 배터리, 연료전지 및 전기화학 커패시터 등과 같은 효율적인 에너지 저장 장치가 필요하다. 이 중, 전기화학 커패시터는 초고속 충/방전 성능, 긴 수명 안정성 및 높은 출력 밀도 등의 장점으로 유망한 소자로 주목받고 있다.³⁾ 전기화학 커패시터는 에너지 저장 메커니즘에 따라 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor, EDLC), 의사 커패시터 (pseudocapacitor, PC), 하이브리드 커패시터로 분류된다. 전기 이중층 커패시터는 전극과 전해질 사이의 정전기적 힘에 의해 이온의 물리적 흡/탈착을 통해 에너지가 저장되며, 의사 커패시터는 산화/환원 반응을 통해 에너지가 저장되는 방식이다. 하이브리드 커패시터는 전기 이중층 커패시터와 의사 커패시터의 에너지 저장 방식을 결합한 방식으로 비대칭 전극 구조 방식의 소자이다.^4,5) 이러한 전기화학 커패시터 소자 중 전기 이중층 커패시터는 물리적 흡/탈착에 의해 에너지가 저장되기 때문에 충/방전 과정 시 빠르고 가역적 이온 수송이 가능하여 초고속 충/방전을 가능하게 하고, 긴 수명 안정성을 가진다는 장점이 있다. 하지만 산화/환원 에너지 저장 방식에 비해 비용량과 고속 충/방전 특성에서 충분한 에너지 저장 성능을 충족하지 못한다는 한계가 존재하여 이를 극복하기 위한 연구가 주목을 받고 있다.

전기 이중층 커패시터의 전극은 활물질, 도전재, 바인더 및 집전체로 구성되어 있으며, 전해질을 통해 에너지를 저장할 수 있는 이온을 공급받는다. 이 중 도전재는 전극 내에서 활물질 간 전기적 네트워크를 형성하여 전자를 원활히 이동시켜주는 역할을 하며, 이온 전도도, 전자 전도도 및 전기 저항 등에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나이다. 또한 고속 충/방전 시 이온의 확산 및 전자의 이동속도를 좌우하는 역할을 한다.⁶⁾ 기존에는 전기 이중층 커패시터용 전극의 도전재로써 슈퍼피(super P), 케첸 블랙(ketjen black, KB) 및 아세틸렌 블랙(acetylene black) 등과 같은 0차원 구조의 카본 블랙이 널리 사용되어 왔으나, 카본 블랙은 점 접촉 기반의 전도 경로를 형성하기 때문에 연속적인 전도성 네트워크를 형성하기 위해서는 일정 함량 이상이 요구되며, 과량 첨가 시 응집 또는 공극 차단으로 인해 이온 이동을 방해할 수 있다는 한계가 있다.^7,8) 이러한 한계를 극복하기 위해 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소나노섬유 등과 같은 다양한 형상의 탄소 도전재의 연구가 진행되고 있다.⁹⁾ Li 등은 활성탄/환원된 그래핀/탄소나노튜브 1D/2D 네트워크 복합 전극 구조를 통해 연속적 네트워크 구조 형성을 통해 전기전도도 향상에 기여하여 우수한 슈퍼커패시터 성능을 보였다.¹⁰⁾ Patra 등은 산화 질소 분위기에서 급속 가열하여 생성된 질소 도핑된 홀리 그래핀을 합성하여 도전재로 적용하여 전기 이중층 커패시터 성능을 향상시켰다.¹¹⁾ 하지만 기존 전략들은 1D/2D 구조나 복합화 전략을 통해 주로 외부 형상 또는 네트워크 형성에 초점을 맞춰 연구가 진행되어 왔다. 반면 0D 탄소 도전재 자체의 전도성, 표면화학 및 계층적 공극 구조를 동시에 제어하여 전자 전달과 이온 이동을 함께 개선하는 연구는 상대적으로 부족하다. 전기 이중층 커패시터용 도전재는 단순히 전기전도도를 향상시키는 역할을 넘어서, 활물질 입자 간 전자 전달 경로를 형성하는 동시에 전해질 이온의 접근성을 유지할 수 있는 구조로 설계가 필요하다.

본 논문은 전도성 네트워크와 계층적 공극 구조를 동시에 구현할 수 있는 전구체로서 제올라이트성 이미다졸 골격체-67(zeolitic imidazolate framework-67, ZIF-67)를 선정하였다. ZIF-67은 코발트(Co) 금속 이온과 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole) 유기 리간드가 결합하여 형성된 다공성 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)의 일종으로, 탄화 과정에서 자체 골격이 다공성 탄소 합성을 위한 템플릿으로 작용할 수 있다. 또한 ZIF-67에 포함된 Co는 탄화 과정에서 금속 나노입자로 환원되어 주변 탄소의 흑연화를 촉진할 수 있으며, 이는 Co@C 기반 전도성 네트워크 형성에 기여할 수 있다. 동시에 2-methylimidazole 유기 리간드는 탄소 및 질소 전구체로 작용하여 질소 도핑된 탄소 매트릭스를 형성하며, 이를 통해 전해질의 젖음성 및 이온 접근성 향상도 기대할 수 있다.^12,13,14) 따라서 ZIF-67로 비롯된 다공성 탄소는 탄소 골격의 전도성, 표면 화학 조성 및 계층적 공극 구조를 동시에 제어하기에 용이하다. 이에 본 연구에서는 고성능 전기 이중층 커패시터용 도전재 개발을 위하여 ZIF-67의 탄화 온도를 400 °C, 500 °C, 600 °C 및 700 °C로 조절함으로써 Co 나노입자가 내재된 질소 도핑 다공성 탄소를 합성하였다. 탄화 온도에 따라서 유기 리간드의 탄소화 정도, Co 종의 환원 및 결정화, 탄소 골격의 흑연화, 그리고 마이크로/메조/매크로 기공 분율이 동시에 조절되었다. 합성된 샘플은 전기 이중층 커패시터 전극의 도전재로 적용하였으며 전기전도도, 계면 저항, 이온 확산 속도 평가 등을 통해서 도전재로서의 최적 구조를 규명하였다. 그 결과, 최적화된 공극 구조와 전도성 탄소 네트워크를 갖는 Co 나노입자가 내재된 질소 도핑 다공성 탄소 도전재는 전극 내 전자 전달 경로와 이온 접근성을 동시에 향상시켜 높은 비정전용량, 우수한 수명 안정성 및 향상된 고율 특성을 나타내었다.

2. 실험 방법

ZIF-67로부터 비롯된 다공성 탄소를 제작하기 위하여 ZIF-67을 먼저 합성한 후 탄화 온도를 제어하여 열처리를 진행하였다. 먼저 ZIF-67을 합성하기 위해 2-methylimidazole (Sigma Aldrich) 22 g을 deionized (DI) water 80 mL에 용해하여 용액 I을 제작하였으며, Cobalt (II) nitrate hexahydrate (Co(NO₃)₂･6H₂O, Sigma Aldrich) 1.8 g을 DI water 12 mL에 용해하여 용액 II를 준비하였다. 각 용액이 균일하게 분산된 이후 용액 II를 용액 I에 첨가하여 3 h 동안 교반을 진행하였다. 이후 합성된 샘플을 정제수와 메탄올을 사용하여 여러 번 세척을 진행하여 잔여 2-methylimidazole을 제거한 후, 50 °C에서 12 h 건조하였다. 합성된 ZIF-67의 분말을 이용하여 다공성 탄소를 제작하기 위해 탄화 온도를 400 °C, 500 °C, 600 °C 및 700 °C로 조절하여 질소분위기에서 2 h 동안 열처리를 진행하여 샘플을 합성하였다. 본 논문에서는 ZIF-67의 탄화 온도를 400 °C, 500 °C, 600 °C 및 700 °C로 조절함으로써 얻어진 다공성 탄소 샘플을 각각 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC로 언급할 것이다.

모든 샘플들은 전기 이중층 커패시터용 도전재로 적용하기 위해서 고분해능 주사전자현미경(high-resolution field emission scanning electron microscope, HR-SEM, Hitachi)을 통해 합성된 샘플의 표면 구조 및 형상을 분석하였다. 또한, 합성된 샘플의 결정구조 및 표면 화학적 결합상태를 확인하기 위하여 X-선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Ring 2500), 라만 분석(Raman, JASCO, NRS-5100) 및 X-선 광전자 주사법 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, ESCALAB 250)을 이용하여 분석 후 규명하였다. 비표면적 분석기(the brunauer-emmett-teller, BET, Belsorp Mini II) 및 기공 분포 분석법(barrett-joyner-halenda, BJH) 분석을 통해 샘플 표면에서 N₂ 가스의 흡착/탈착을 진행함으로써 샘플의 기공 구조와 분포를 확인하였다.

합성된 샘플들을 도전재로 적용한 전기 이중층 커패시터 전극을 제조하기 위해, 70 wt%의 YP50F (KURARAY)를 활물질로, 20 wt%의 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene difluoride, PVDF, Arkema, HSV900)를 바인더로, 도전재로 10 wt%의 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC 샘플들을 적용시켜 용매인 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP, Aldrich, 99.5 %)에 분산시킴으로써 전극을 제조하였다. 제작된 슬러리를 집전체인 Ni foam에 고르게 도포한 후 오븐에서 80 °C에서 10 h 건조하여 용매를 기화시켰다. 제작된 모든 전극의 두께와 로딩량은 ~15 µm와 ~2.0 mg/cm²로 조절되었다. 모든 샘플의 전기 이중층 커패시터의 전기화학 성능을 확인하기 위해 6 M 수산화칼륨(potassium hydroxide, KOH) 수용액을 전해질로 사용하여 2전극 시스템의 대칭셀을 제작한 후 정전류 충방전법(galvanostatic charge-discharge tests, GCD, Metrohm Autolab)을 수행하였다. 제조된 샘플들의 전기화학 반응 거동을 분석하기 위하여 순환전압-전류측정법(cyclic voltammetry, CV)를 0.0 V에서 1.0 V까지인 전압 범위에서 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 및 1.0 V/s 주사율로 평가하였다. 제조된 전극의 전기화학 반응속도 및 계면 저항을 분석하기 위해 전기화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 0.1-100 kHz의 주파수 범위에서 0.005 V의 교류전압을 인가하여 진행하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 1은 ZIF-67로부터 비롯한 다공성 탄소 도전재의 탄소 골격, 표면 화학 조성 및 계층적 공극 구조를 최적화하기 위한 공정을 모식화하여 나타낸 것이다. Co@C 기반 전도성 네트워크와 계층적 공극 구조를 동시에 구현할 수 있는 전구체로서 ZIF-67을 사용하였다. ZIF-67의 탄화를 통해 도전재의 전자 전달 경로와 이온 접근성을 동시에 확보하였다. ZIF-67은 반응식 (1)에 따라서 상온 교반을 통해 합성이 진행되었으며, ZIF-67로부터 비롯된 다공성 탄소의 기공 구조 및 결합구조를 제어하기 위해 ZIF-67의 탄화 온도를 400 °C, 500 °C, 600 °C 및 700 °C로 제어하였다. ZIF-67은 불활성 분위기(N₂)에서 탄화가 진행되었으며, 탄화 시 반응식 (2)를 따르게 된다.^13,15)

Fig. 1.

Schematic illustration of the micro, meso, and macro pore structure and chemical bonding structure on surface via controlling carbonization temperature of 400-PC, 500-PC, 600-PC, and 700-PC.

ZIF-67의 탄화를 통해 Co-N 배위 결합이 끊어지게 되고, 2-methylimidazole 유기 리간드가 분해되기 시작한다. 이때 기존의 결정성인 MOF 구조는 무너지고, 유기 리간드가 탄소 골격으로 전환되게 된다. 동시에 유기 리간드가 가지고 있던 질소가 탄소 매트릭스 격자에 남아 질소가 도핑된 탄소 매트릭스를 생성할 수 있게 된다. 더불어 2-methylimidazole 유기 리간드가 분해될 때 생성된 분해물이 Co²⁺를 환원시켜 금속 Co 나노입자를 형성하게 되며, 이 금속 Co 나노입자는 탄소 매트릭스 내부에 박힌 형태로 형성된다. 생성된 Co 나노입자는 단순 부산물이 아닌 주변 탄소의 흑연화를 촉진시키는데 작용하게 된다. 탄화 온도가 올라감에 따라 2-methylimidazole 유기 리간드의 열 분해량이 촉진되어 CH₄, HCN 및 H₂ 등과 같은 휘발성 가스 방출량이 증가하게 되고, 입자 내부에서 외부로 가스가 방출됨에 따라 빈 자리에 기공이 형성되게 된다.¹⁶⁾ 더불어 Co-N framework의 붕괴와 탄소 매트릭스의 수축이 탄화 온도 증가에 따라 더 많이 발생함에 따라 기존 ZIF-67이 가지고 있던 마이크로 기공은 메조기공 혹은 매크로 기공 형태로 전환되며, 입자 표면이 주름지거나 다공성 형태 구조를 띠게 된다. 본 연구에서는 탄화 온도를 제어함으로써 ZIF-67로부터 비롯한 다공성 탄소의 탄소 골격, 표면 화학 조성 및 계층적 공극 구조를 최적화하고 전기 이중층 커패시터용 도전재로 적용하여 우수한 성능으로 이어지게 하였다.

Fig. 2는 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC의 결정구조를 확인하기 위해 5~80° 범위에서 분석을 진행한 XRD 결과를 나타낸다. 400-PC의 경우 7.35°, 10.37°, 12.76°, 14.77°, 16.40°, 18.04°, 22.19°, 24.45° 및 26.71°에서 회절 피크가 관찰되었으며, 이는 각각 ZIF-67의 (011), (002), (112), (022), (013), (222), (114), (233) 및 (134) 결정면에 해당한다.¹⁷⁾ 이러한 결과는 400 °C의 탄화 온도에서는 ZIF-67의 유기 리간드의 분해와 Co 종의 환원 및 결정화가 충분히 진행되지 않아, ZIF-67의 결정구조가 부분적으로 유지되었음을 의미한다. 반면, 500-PC, 600-PC 및 700-PC에서는 ZIF-67에 해당하는 회절 피크가 대부분 사라지고, 26° 부근에서 흑연질 탄소의 (002) 면에 해당하는 회절 피크가 관찰되었다(JCPDS#05-0415).¹⁸⁾ 44.3°, 51.5° 및 75.9°에서 각각 Co 금속의 (111), (200) 및 (220) 면에 해당하는 회절 피크가 나타났다(JCPDS#15-0806).^17,19) 탄화 온도가 증가함에 따라 Co 종이 금속 Co 나노입자로 환원 및 결정화되었음을 나타낸다. 탄화 온도가 증가함에 따라 흑연질 탄소 및 Co 금속에 해당하는 회절 피크의 세기가 점차 증가하였으며, 이는 고온 탄화에 의해 Co 종의 환원과 결정화가 촉진되고, 형성된 Co 금속 입자가 주변 탄소의 흑연화를 촉진한 결과이다. 따라서 탄화 온도 제어를 통해 ZIF-67로 비롯된 다공성 탄소의 탄소 골격 구조와 Co@C 기반 결정구조가 효과적으로 제어되었음을 확인하였다.

Fig. 2.

XRD patterns of 400-PC, 500-PC, 600-PC, and 700-PC.

모든 샘플의 탄소 골격 구조와 결함도를 확인하기 위하여 900-2,100 cm^-1 범위에서 라만 분석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 500-PC, 600-PC 및 700-PC 샘플에서는 각각 약 1,358.3 cm^-1와 1,589.1 cm^-1 부근에서 두 개의 주요 피크가 관찰되었으며, 이는 D-band와 G-band에 해당한다. 일반적으로 D-band는 육각형 탄소 격자 내 결함, 가장자리(edge site) 및 무질서한 탄소 구조에 기인하며, G-band는 sp² 혼성화된 C-C 결합으로부터 나타나게 된다.²⁰⁾ 600-PC의 경우 1.07의 수치의 가장 낮은 I_D/I_G의 값을 나타냈으며, 이는 600 °C의 탄화 조건에서 상대적으로 높은 흑연화도와 낮은 결함을 갖는 탄소 골격이 형성되었음을 의미한다. 반면 500-PC와 700-PC는 각각 1.17, 1.12의 I_D/I_G 값을 나타내었다. 500-PC는 낮은 탄화 온도로 인해 탄소화 및 흑연질 탄소 골격 형성이 충분히 진행되지 않아 무질서한 탄소 구조와 결함이 상대적으로 많이 존재한 것이다. 700-PC의 경우 600-PC보다 높은 I_D/I_G 값을 나타내었는데, 이는 과도한 탄화 온도로 인해 Co 나노입자의 성장, 탄소 골격의 수축 및 기공 확장이 발생하며 구조적 결함이 다시 증가했기 때문이다. 400-PC에서는 명확한 D-band 피크가 관찰되지 않고, 1,589.1 cm^-1 부근의 피크와 그 외에 부수적인 피크들이 함께 존재하는 것을 확인하였다. 이는 탄화 온도가 불충분하여 ZIF-67의 유기 리간드가 충분히 탄소화되지 않아 안정적인 탄소 골격 형성을 하지 못한 결과이다. 따라서 이러한 결과를 통해 600-PC 샘플이 도전재로서 전자 전달에 유리한 sp² 탄소 네트워크와 적절한 결함 구조를 동시에 갖는 최적의 탄소 구조를 형성하였음을 보여준다.

Fig. 3.

Raman spectra of 400-PC, 500-PC, 600-PC, and 700-PC.

400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC 샘플의 입자 형상과 크기를 관찰하기 위해 주사전자현미경 분석을 진행하였다. Fig. 4(a, e)는 400-PC 샘플의 주사전자현미경 이미지이다. 400-PC는 비교적 매끄러운 표면을 갖는 마름모꼴 십이면체 형상을 보였으며, 입자 크기는 약 160-210 nm로 확인되었다. 이는 400 °C의 탄화 온도에서 ZIF-67 유기 리간드 골격의 열분해가 충분히 진행되지 않아 초기 ZIF-67의 입자 형상이 비교적 잘 유지된 것이다. 반면, Fig. 4(b, f), (c, g) 및 (d, h)은 각각 500-PC, 600-PC 및 700-PC 샘플에 해당하며, 500-PC, 600-PC 및 700-PC는 전반적으로 십이면체 형상을 유지하면서도, 400-PC와 달리 주름지고 거친 표면 구조와 다공성 형태의 표면 형상이 관측되었다. 이러한 표면은 탄화 과정에서 ZIF-67을 구성하는 2-methylimidazole 유기 리간드가 분해되고, 휘발성 물질들이 방출되면서 골격 수축, 부분적 붕괴 및 탄소 구조 재배열이 발생한 결과이다. 또한 탄화 온도가 증가함에 따라 이러한 구조 변화는 뚜렷하게 나타났다. 500-PC와 600-PC 샘플은 약 105-155 nm, 700-PC는 약 130-170 nm의 입자 크기가 관측되었으며, 이는 400-PC 샘플에 비해 전반적으로 줄어들었음을 확인하였다. 이러한 입자 크기 감소는 유기 리간드의 열분해와 탄소화 과정에서 발생하는 질량 손실 및 골격 수축에 기인한 결과이다. 또한 500-PC, 600-PC 및 700-PC 샘플의 입자 표면에서는 약 10 nm 크기의 나노입자가 관찰되었으며, 이는 탄화 과정에서 ZIF-67 내 존재하는 Co 종이 환원되어 생성된 Co 나노입자로 판단된다. 이러한 Co 나노입자는 주변 탄소의 흑연화를 촉진하고 Co@C 기반 전도성 네트워크 형성에 기여하여, 도전재로 적용 시 전극 내부 전자 전달 경로를 향상시킬 수 있다. 더불어 탄화 후 형성된 거친 다공성 표면 구조는 전해질 이온의 접근성과 확산 경로를 확보하는데 유리하게 작용하여, 전기 이중층 커패시터 전극 내부에서 이온 전달 거동 개선에 기여할 수 있다.

Fig. 4.

SEM images of (a, e) 400-PC, (b, f) 500-PC, (c, g) 600-PC, and (d, h) 700-PC.

Fig. 5는 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC 샘플의 표면 화학 조성과 결합 상태를 규명하기 위해 분석한 XPS 결과를 나타낸다. 모든 XPS spectra는 C 1s 284.5 eV를 기준으로 보정하였다. Fig. 5(a)는 C 1s spectra를 나타내며, 모든 샘플에서 ~284.5 eV, ~286.3 eV 및 ~288.6 eV 부근의 피크가 관찰되었으며, 이는 각각 C-C, C-O/C=N 및 O=C-OH에 해당한다.²⁰⁾ 탄화 온도가 증가함에 따라 C-C에 해당하는 피크가 상대적으로 증가하는 경향을 보였으며, 이는 ZIF-67 유기 리간드의 탄소화가 진행됨에 따라 표면이 탄소가 풍부한 구조로 전환되었음을 의미한다. 또한 이러한 C-C 피크의 증가는 XRD 및 Raman 분석에서 확인된 흑연질 탄소 형성과 고온 탄화에 따른 sp² 탄소 골격 발달의 결과와 일치한다. 특히 Co 종은 탄화 과정에서 금속 Co 나노입자로 환원 및 결정화될 수 있으며, 이러한 Co 나노입자는 주변 탄소의 흑연화를 촉진하여 도전재로 적용 시 전극 내부 전자 전달 경로와 전기전도도 향상에 기여할 수 있다. Fig. 5(b)는 N 1s spectra 결과를 나타내고 있다. 모든 샘플에서 ~398.3 eV, ~399.2 eV 및 ~401.4 eV에서 XPS 피크가 관찰되었으며, 이는 각각 pyridinic-N, pyrrolic-N 및 graphitic-N에 해당하는 질소 결합이 존재하는 것을 확인하였다.²¹⁾ 이러한 결과는 ZIF-67의 2-methylimidazole 유기 리간드가 탄화 과정에서 탄소 소스뿐만 아니라 질소 소스로 작용하여 질소 도핑된 탄소 구조를 형성하였음을 나타낸다. 일반적으로 pyridinic-N과 pyrrolic-N은 탄소 구조 내 결함 및 edge site와 관련되어 전해질 이온과의 상호작용 및 젖음성 향상에 기여할 수 있으며, graphitic-N은 탄소 격자 내 전자 구조를 조절하여 전기전도도 향상에 기여할 수 있다. 탄화 온도가 증가함에 따라서 pyridinic-N, pyrrolic-N 및 graphitic-N의 결합 세기가 감소하는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 이는 고온 탄화 과정에서 질소를 포함한 종이 CH₄, H₂ 혹은 HCN 등 휘발성 기체 형태로 제거되거나, 열적으로 불안정한 pyridinic/pyrrolic N 종이 감소했기 때문이다. Fig. 5(c)는 모든 샘플들에 대한 Co 2p spectra에 대한 피크를 나타내고 있다. 모든 샘플에서 Co²⁺에 해당하는 XPS 피크가 ~780.6 eV 와 ~796.4 eV에서 관찰되었으며, Co³⁺에 해당하는 XPS 피크가 ~779.2 eV와 ~795.0 eV에서, 더불어 ~785.5 eV와 ~802.4 eV에서 위성 피크(satellite peak)가 관찰되었다.²²⁾ 이러한 Co 2p 피크와 satellite peak는 표면 Co 종이 완전한 금속 상태의 Co 로 존재하기 보다 Co-O, Co-N 및 CoO_x 종과 같은 산화 상태로 존재함을 의미한다. 이는 탄화 후에 형성된 금속 상태의 Co가 표면의 공기에 노출되며 부분적으로 산화되었거나, 탄화 과정에서 Co-N 혹은 Co-O 등의 결합을 포함한 것으로 해석된다. XRD와의 결과를 복합적으로 보면 XRD에서는 금속 상태 Co의 회절 피크가 확인되었으므로, 벌크 또는 탄소 매트릭스 내부에 금속 상태의 Co 나노입자가 존재하는 반면, XPS에서 검출되는 표면 영역에서는 산화된 Co 종이 주로 관찰되었다. 이는 Co 종은 탄소 내부에서 Co@C 기반 전도성 구조 형성에 기여하는 동시에, 표면에서는 일부 Co-O, Co-N 및 CoO_x 종으로 존재하는 것으로 해석할 수 있다. Fig. 5(d)는 XPS 분석을 통해 얻어진 결과를 토대로 표면 원소 함량비를 막대그래프로 나타낸 것이다. 탄화 온도가 증가함에 따라서 탄소 함량은 400-PC (62.81 %), 500-PC (68.96 %), 600-PC (74.81 %), 및 700-PC (85.61 %) 수치를 보이며 증가하는 경향을 보이며, 질소 및 Co의 함량은 400-PC (N 20.08 %, Co 8.50 %), 500-PC (N 11.05 %, Co 7.43 %), 600-PC (N 9.71 %, Co 5.55 %), 및 700-PC (N 5.73 %, Co 2.98 %) 수치를 보이며 감소하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 탄화 온도가 증가할수록 ZIF-67 내 유기 리간드의 탄소화가 촉진되어 탄소가 풍부한 표면이 형성되는 반면, 질소를 포함한 종은 고온에서 부분적으로 제거되었음을 의미한다. 표면 Co 함량의 감소는 고온 탄화 과정에서 Co 나노입자가 탄소 매트릭스 내부에 내재되어 표면에 노출된 Co 종이 감소했기 때문이다. 특히 600-PC는 높은 탄소 함량을 통해 전도성 탄소 골격을 형성하면서도, 질소 및 Co 종을 적절히 유지하고 있어 전기전도성, 전해질 젖음성 및 이온 접근성의 균형이 가장 우수한 표면 조성을 갖는 것으로 확인하였다. 반면 700-PC는 가장 높은 탄소 함량을 보였지만, Co/O 종이 크게 감소하여 표면 활성점 및 전해질 친화성이 저하될 수 있다.

Fig. 5.

XPS spectra of (a) C 1s, (b) N 1s, (c) Co 2p, and (d) the bonding fraction ratio graph of C, N, O, and Co atom of 400-PC, 500-PC, 600-PC, and 700-PC.

Fig. 6은 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC 샘플의 기공 구조를 분석하기 위하여 수행한 질소 흡착/탈착 분석 결과를 나타낸다. Fig. 6(a)는 상대압력 변화에 따른 질소 흡착/탈착 등온선을 보여준다. 모든 샘플들은 낮은 상대 압력에서 급격히 상승하여 포화를 이루고 있는 것을 확인하였으며 질소 흡착량은 400-PC, 700-PC, 600-PC 및 500-PC 샘플의 순서대로 크게 나타났다. 이는 Table 1에 나타낸 BET 비표면적 결과와도 유사한 결과를 보인다. 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC는 각각 평균 기공 지름이 1.81 nm, 5.49 nm, 5.87 nm 및 5.86 nm로 나타났으며, BET 비표면적은 각각 2,034.9 m² g^-1, 343.5 m² g^-1, 378.7 m² g^-1 및 404.8 m² g^-1의 수치를 나타냈다. 특히 400-PC는 매우 높은 비표면적을 나타내었으나, 평균 기공 크기가 2 nm 이하인 마이크로 기공이 지배적인 구조를 가지는 것으로 확인하였다. Fig. 6(b, c)는 2-200 nm 범위에서의 기공 부피 분포를 나타낸 그래프이다. 대부분의 샘플은 기공의 지름이 10 nm인 범위에서 부피 분포를 보이고 있었지만, 500-PC, 600-PC 및 700-PC 샘플의 경우 400-PC 샘플과는 달리 메조기공과 매크로 기공도 부피 분포에 기여하고 있음을 확인하였다. 각 샘플별로 총 기공 부피는 400-PC는 0.9221 cm³ g^-1, 500-PC는 0.4715 cm³ g^-1, 600-PC는 0.5559 cm³ g^-1, 700-PC는 0.5929 cm³ g^-1로 나타났다. 이는 400-PC는 총 기공 부피가 마이크로 기공에서 기인한 반면, 500-PC, 600-PC 및 700-PC 샘플은 메조기공 및 매크로 기공의 분율이 증가한 것으로 확인하였다. 탄화 온도 증가에 따라 기공 구조가 확대된 것을 의미한다. Fig. 6(d, e)는 0.4-2.0 nm 범위 내에서의 기공 부피 분포를 나타낸 결과이다. 400-PC 샘플이 가장 큰 마이크로 기공 부피를 보였으며, 이를 통해 400-PC의 높은 BET 비표면적은 주로 2 nm 이하의 마이크로 기공에 의해 형성되었음을 확인하였다. 반면, 500-PC, 600-PC 및 700-PC의 기공 분포는 각각 0.140 cm³/g, 0.165 cm³/g 및 0.203 cm³/g로 400-PC의 0.768 cm³/g에 비해 현저히 낮았다. 이는 탄화 온도가 증가함에 따라 ZIF-67의 유기 리간드의 골격이 붕괴, 확장, 또는 재배열되면서 마이크로 기공 분율이 감소하고, 상대적으로 더 큰 기공 구조가 형성된 결과이다. Table 2에서 나타낸 BJH 기공 부피는 400-PC에서 0.232 cm³ g^-1로 가장 낮았으며, 500-PC는 0.354 cm³ g^-1, 600-PC는 0.432 cm³ g^-1, 700-PC는 0.472 cm³ g^-1의 수치를 나타내며 탄화 온도가 증가함에 따라 V_BJH의 수치가 증가함을 나타내었다. 이는 탄화 온도가 증가함에 따라 메조기공 영역의 기공 부피가 점차 증가하였음을 의미한다. 특히 500-PC, 600-PC 및 700-PC에서는 평균 기공 크기가 약 5.5-5.9 nm로 증가하여, 400-PC의 마이크로 기공이 지배적인 구조와 달리 이온 확산에 유리한 메조다공성 구조가 발달한 결과이다. Fig. 6(f)는 각 샘플의 마이크로, 메조, 매크로 기공 크기 분포를 요약한 그래프이다. 탄화 온도가 증가함에 따라서 마이크로 기공 분율은 감소하는 반면, 메조기공 분율이 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC에서 3.19, 12.68, 15.93 및 23.1로 분율이 증가하였다. 매크로 기공 분율의 경우에는 400-PC에서 약 1 % 수준으로 매우 낮았으나, 500-PC, 600-PC 및 700-PC에서 각각 8.40 %, 8.79 % 및 7.42 %로 증가하였다. 이러한 결과는 탄화 온도 제어를 통해 ZIF-67로 비롯한 다공성 탄소의 마이크로/메조/매크로 기공 분율이 효과적으로 조절될 수 있음을 보여준다. 이러한 결과를 통해 마이크로 기공 중심의 400-PC 샘플은 전기 이중층 커패시터용 도전재로 작용하였을 시 이온 확산 통로를 방해하는 역할을 할 수 있으며, 특히 고속에서 전해질 이온의 침투가 빠르게 이루어지기 어려워 성능이 감소할 수 있다. 반면 600-PC는 마이크로 기공과 메조기공 및 매크로 기공이 균형 있게 형성되어 전해질 이온의 접근성과 확산 경로를 동시에 확보할 수 있는 구조를 형성하였다. 이러한 균형 잡힌 기공 구조는 도전재로 적용 시 전극 내부 이온 전달 거동을 개선하고, 전도성 탄소 골격과 함께 우수한 성능에 기여할 수 있다.

Fig. 6.

(a) Specific adsorption volume profiles of 400-PC, 500-PC, 600-PC, and 700-PC; pore volume distributions according to the pore diameter of (b) 2-200 nm, (c) 2-50 nm, (d,e) 0.4-2.0 nm, and (f) bar graphs showing pore size distribution of 400-PC, 500-PC, 600-PC, and 700-PC.

Fig. 7.

(a, b) Nyquist plots, (c) relationships between Z_real and ω^-1/2, and (d) ion diffusion coefficients of 400-PC, 500-PC, 600-PC, and 700-PC.

전기화학적 동역학 거동을 평가하기 위해 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC를 도전재로 적용한 모든 전극들의 EIS를 진행하였으며, Fig. 7(a)에 EIS 분석을 통해 얻은 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)를 나타내었다. 나이퀴스트 선도에서 고주파 영역의 반원은 전하 이동 저항(R_ct)을 나타내며, 저주파 영역의 직선은 와버그 임피던스를 의미한다. Fig. 7(b)를 보면 600-PC 전극의 경우 가장 작은 반원을 보였으며 1.15 Ω의 R_ct 값을 나타내었다. 이어 반원의 크기와 R_ct 값은 700-PC (1.86 Ω), 500-PC (2.51 Ω), 400-PC (3.33 Ω) 순으로 커지는 것을 관찰하였다. R_ct는 전극과 전해질 및 입자 간의 접촉 등 계면으로부터 영향을 받게 된다. 특히 전기이중층 커패시터는 활물질로의 이온의 흡/탈착으로 에너지가 충전/방전이 이루어지기 때문에 계면에서의 저항이 전기화학 성능에 큰 영향을 끼칠 수 있다. Fig. 7(b)에서 600-PC의 계면 저항이 가장 작다는 것을 확인하였으며, 이는 도전재로써 사용하게 되었을 때 활물질 간 사이에 전기적 네트워크를 형성함과 동시에 최적화된 메조 및 매크로 기공 구조로 인하여 이온의 확산 경로를 방해하지 않아 나타나는 결과이다. 이는 전기 이중층 커패시터 전기화학 성능에서 우수한 비용량과 안정성에 기여할 수 있다. Fig. 7(c, d)는 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC 전극의 나이퀴스트 선도의 기울기에서 얻은 와버그 임피던스 계수를 보여준다. 이는 식 (3)과 (4)를 사용하여 계산하였다.^23,24)

여기서, R_e는 벌크 저항, σ_w는 와버그 임피던스 계수, D는 이온 확산 계수, R은 기체 상수, T는 온도, A는 전극 면적, F는 패러데이 상수 및 C는 몰농도를 나타낸다. 600-PC 전극은 3.38 × 10^-10 cm² s^-1의 가장 높은 이온 확산 계수를 나타냈으며, 400-PC, 500-PC 및 700-PC 전극은 각각 0.11 × 10^-10 cm² s^-1, 1.16 × 10^-10 cm² s^-1 및 0.48 × 10^-10 cm² s^-1의 값을 보였다. 이는 600-PC가 전해질 이온의 이동과 접근에 가장 유리한 구조를 형성하였음을 의미한다. 앞선 구조 분석 결과와 연결하면, 600-PC는 상대적으로 발달한 sp² 탄소 골격과 함께 균형 잡힌 마이크로, 메조 및 매크로 기공 구조 형성을 통해 전극 내부 전자 전달 경로와 이온 확산 경로가 동시에 확보된 것으로 확인하였다. 반면 400-PC는 대부분의 기공이 2 nm 이하의 마이크로 기공에 집중되어 있어 고속 조건에서 전해질 이온의 확산이 제한되어 실제 전기화학 반응에서 전체 표면적이 충분히 활용되지 못해 낮은 이온 확산 계수를 나타내었다. 700-PC의 경우 다른 샘플들에 비해 높은 탄화 온도로 인해 탄소가 풍부한 구조가 형성되었으나, 과도한 탄화에 따른 마이크로 기공 분율 감소, 질소 및 Co 종 감소 및 Co 나노입자 성장 또는 응집으로 인해 이온 접근 가능한 활성 표면과 전해질 친화성이 감소한 결과이다.

충/방전 과정동안 발생하는 전기화학 반응 거동을 살펴보기 위해 제조된 전극을 순환전압-전류측정법을 통해 분석한 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 각 전극들은 6 M의 수산화 칼륨 전해질을 사용하여 0.0-1.0 V 전압범위 내에서 0.2 V/s - 1.0 V/s의 주사 속도별로 평가를 진행하였다. 모든 CV 데이터는 뚜렷한 산화/환원 피크가 없이 거의 직사각형에 유사한 개형을 나타내었으며, 이는 전극/전해질 계면에서 전기이중층 형성에 기반한 빠르고 가역적인 에너지 저장 거동이 우세하게 일어났음을 의미한다.²⁵⁾ 또한 주사 속도가 증가함에 따라 모든 전극에서 더 넓은 면적의 CV 개형이 나타나는 것을 확인하였으며, 비교적 직사각형 형태의 CV 개형이 유지되는 것으로 보아 빠른 이온 흡/탈착 조건에서도 안정적인 커패시터 거동을 보이는 것을 확인하였다. Fig. 8(f)는 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC 전극의 CV 데이터를 가지고 식 (5)과 (6)를 사용하여 계산하였다.²⁶⁾

Fig. 8.

(a-d) CV curves of 400-PC, 500-PC, 600-PC, 700-PC electrodes in the voltage range from 0.0-1.0 V at the increasing scan rates from 0.2 to 1.0 V/s, (e) CV curves of all samples under the 1.0 V/s, and (f) b value plots of all electrodes.

a와 b는 가변 매개변수로, log(i)-log(v) 선형 곡선을 통해 얻어진다. 일반적으로 b value가 0.5에 가까울 경우 확산 제어형 이온 저장 메커니즘을 따르게 되고 이는 전극 물질 내부 깊숙한 부분에서 에너지 저장 반응이 일어나게 된다. 반면 b value가 1.0에 가까울 경우 표면에서 구동하는 표면 제어형 이온 저장 메커니즘을 따르게 되고, 전극의 표면에서 빠르고 가역적인 에너지 저장 반응이 일어나는 현상이다. b 값이 0.5와 1.0의 사이 값일 경우 확산 제어형과 표면 제어형이 복합적으로 모두 작용하는 상태를 나타내게 된다.²⁶⁾ 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC 전극의 b value는 각각 0.90, 0.90, 0.80 및 0.86으로 계산되었다. 모든 샘플의 b value 값이 1.0에 비교적 가까운 값을 나타낸 것으로 보아, 에너지 저장 거동이 전반적으로 표면 제어형 이온 저장 메커니즘을 따르는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 600-PC는 다른 샘플들에 비해 상대적으로 낮은 값을 보였는데 이는 600-PC에서 확산 제어형 이온 저장 기여도가 상대적으로 증가했음을 의미한다. 이러한 결과는 600-PC의 균형 잡힌 마이크로, 메조 및 매크로 기공 구조로 인하여 전해질 이온이 표면뿐만 아니라 내부 기공 구조까지 효과적으로 접근할 수 있었기 때문이다. 반면 700-PC는 600-PC보다 높은 b value 값을 나타내었는데, 이는 과도한 탄화로 인해 질소 종과 이온 활성 사이트가 감소하고, 일부 기공 구조의 효율적인 활용이 제한되었기 때문이다. 따라서 600-PC는 표면 제어형 전기 이중층 커패시터 거동을 유지하면서도 내부 계층적 기공 구조를 통한 이온 접근성이 향상되어, 빠른 이온 흡/탈착과 우수한 고율 성능을 동시에 구현할 수 있었다.

제작된 전극의 에너지 저장 성능을 평가하기 위하여 정전류 충전/방전 시험을 0.2~2.0 A/g 범위의 다양한 전류 밀도에서 평가 후 Fig. 9(a-i)에 나타내었다. 모든 전극의 비용량은 방정식 (7)을 사용하여 계산되었다.²⁷⁾

Fig. 9.

(a) Specific capacitance plots of all electrodes at the current densities of 0.2-2.0 A/g, (b) GCD profiles of all electrodes at a current density of 0.2 A/g, (c-f) GCD profiles of all electrodes at the current densities of 0.2-2.0 A/g, (g) Energy-density plots of 400-PC, 500-PC, 600-PC, and 700-PC, (h) long cycle stability performance during 2000 cycles under 1.0 A/g, and (i) Comparative specific capacitance plots of 600-PC with commercial ketjen black.

I, m, dV 및 dt는 각각 작동 전류(A), 활물질 질량 (g), 작동 전압 (V) 및 방전 시간 (s)를 의미한다. 400-PC 전극은 0.2 A/g 전류밀도에서 89.0 F/g에 해당하는 C_sp 값을 나타내었으며, 이는 모든 샘플 중 가장 낮은 비정전용량을 보였다. 400-PC를 도전재로 적용한 전극에서 낮은 비정전용량이 나타난 것은 낮은 탄화 온도로 인하여 ZIF-67로 비롯한 탄소 골격의 흑연화가 충분히 진행되지 못하였고, 이에 따라 전극 내 전자 전달 경로 형성이 제한되었기 때문이다. 또한 400-PC는 가장 높은 비표면적과 마이크로 기공 부피를 나타내었지만, 대부분의 기공이 2 nm 이하의 마이크로 기공에 집중한 구조를 가지고 있다. 이러한 구조는 이온 흡착 사이트를 제공할 수는 있으나, 메조기공 및 매크로 기공 기반의 이온 확산 통로가 부족하여 전해질 이온의 빠른 접근과 이동을 방해한다. 이를 통하여 낮은 비정전용량을 보이게 된 것이다. 반면, 0.2 A/g 전류밀도에서 500-PC, 600-PC 및 700-PC 전극은 각각 101.8 F/g, 121.4 F/g 및 110.8 F/g의 비정전용량을 나타내었으며, 600-PC 전극이 가장 우수한 값을 보였다. 탄화 온도가 증가함에 따라 ZIF-67 유기 리간드가 탄소화되고 Co 종이 금속 Co 나노입자로 환원 및 결정화되면서 주변 탄소의 흑연화를 촉진하였다. 이에 따라 전극 내 전자 전달 경로가 향상되었으며, 동시에 메조기공과 매크로 기공이 함께 발달한 기공 구조로 변화하여 전해질 이온의 접근성과 확산 경로가 향상되었다. 특히 600-PC는 마이크로, 메조 및 매크로 기공의 비율이 균형 있게 형성되었고, Co 나노입자에 의해 촉진된 탄소 네트워크 구조와 적절한 질소 결합을 유지하였다. 이러한 구조적 특성은 도전재로 적용 시 전극 내부의 전자 전달 네트워크와 이온 이동 경로를 동시에 최적화하여 가장 높은 비정전용량을 나타내는 데 기여한 것이다. 700-PC 전극은 높은 탄화 온도에서 제조되어 탄소가 풍부한 구조를 형성하였음에도 600-PC보다 낮은 비정전용량을 보였다. 이는 과도한 탄화 과정에서 질소 종의 감소, 마이크로 기반 이온 흡착 사이트 감소, Co 나노입자의 성장 또는 응집 및 탄소 골격의 구조적 결함 증가로 인해 전극 내 유효 활성 표면과 전해질 친화성이 저하되었기 때문이다. 에너지 저장 능력을 평가하기 위하여, 에너지 밀도와 출력 밀도를 방정식 (8), (9)를 사용하여 계산하였다.^28,29)

dV와 dt는 각각 작동 전압과 방전에 걸리는 시간을 나타낸다. 각각의 샘플은 400 W/kg의 출력 밀도에서 400-PC는 12.36 Wh/kg, 500-PC는 14.13 Wh/kg, 600-PC는 16.86 Wh/kg, 700-PC는 15.38 Wh/kg의 에너지 밀도를 보였으며, 4,000 W/kg의 출력 밀도에서 각 샘플은 400-PC는 9.72 Wh/kg, 11.94 Wh/kg, 15.27 Wh/kg, 13.33 Wh/kg의 에너지 밀도를 나타내었다. 400 W/kg에서부터 4,000 W/kg에서 출력 밀도가 증가함에 따른 에너지 밀도 유지율을 살펴보면 400-PC는 78.64 % 유지, 500-PC는 84.50 % 유지, 600-PC는 90.57 % 유지, 700-PC 전극의 경우 86.67 % 유지하는 결과를 보였다. 400-PC 전극의 경우 가장 작은 유지율을 보였으며, 이는 낮은 탄화 온도로 인하여 흑연화 과정이 잘 이뤄지지 않아 낮은 전기전도도를 통해 전자 이동이 느리게 나타났으며, 다량의 마이크로 기공으로 인해 이온 전달 통로를 방해함으로써 이온의 빠른 이동이 어려워지게 되어 출력 밀도 증가에 따라 에너지 밀도가 다른 샘플들에 비해 비교적 크게 감소하였다. 반면, 600-PC 전극의 경우 가장 큰 유지율을 보였다. 해당 이유는 최적의 탄화 온도로 인해 우수한 흑연질 탄소 골격을 통해 가장 높은 전기전도도를 나타냈으며, 마이크로, 메조 및 매크로 기공의 최적 기공 구조가 형성되어 우수한 전기전도성과 더불어 이온 전달 통로 확보를 통해 충/방전 시 빠른 이온 거동에 기여할 수 있었기 때문이다. 700-PC 샘플은 과한 탄화 온도로 인하여 탄소화가 가장 높게 진행되었지만 이로 인해 구조가 무너지며 흑연화 결정도가 감소하게 되어 600-PC에 비해 낮은 전기전도도를 나타내었다. 더불어 다량의 메조기공과 매크로 기공으로 인하여 전자 전달 속도와 이온 전달 통로를 동시에 만족하지 못하여 600-PC보다 낮은 에너지 밀도 유지율을 보이게 되었다.

Fig. 9(f)는 1.0 A/g 전류밀도에서 2,000 사이클 동안 수행한 수명 안정성 평가 결과를 나타낸 그래프이다. 400-PC, 500-PC, 600-PC 및 700-PC 전극은 1.0 A/g 전류밀도에서 각각 84.5, 93, 115.7, 107 F/g의 비정전용량을 나타내었으며, 모든 전극에서 2,000 사이클 이후에도 90 % 이상의 용량 유지율을 나타내었다. Fig. 9(i)는 본 연구에서 합성한 600-PC 샘플과 상용 ketjen black을 도전재로 적용한 전기 이중층 커패시터 전극의 성능을 비교한 결과이다. 0.2 A/g-2.0 A/g 전류밀도 범위 600-PC 전극은 121.4 F/g의 비정전용량을 보였으며, 이는 ketjen black 전극의 98.4 F/g보다 높은 값이다. Ketjen black은 전극 내 전자 전달 경로를 제공할 수 있으나, 입자 간 점 접촉 형식 기반의 전도 네트워크에 의존하기 때문에 전극 전체에 균일하고 연속적인 전자 전달 경로를 형성하는데 한계가 있을 수 있다. 반면 600-PC는 Co 나노입자에 의해 촉진된 흑연질 탄소 골격 구조와 표면 질소 도핑 및 최적의 마이크로, 메조 및 매크로 기공 구조를 함께 갖고 있어 전자 전달성과 전해질 이온 접근성을 동시에 향상시킬 수 있다. 따라서 ZIF-67로 비롯한 600-PC 도전재는 단순히 전자 전달 보조 역할을 넘어서, 전극 내부의 전자 전달 네트워크와 이온 이동 경로를 함께 최적화함으로써 우수한 성능을 나타내었다.

4. 결 론

본 연구에서는 고성능 전기 이중층 커패시터용 도전재를 개발하기 위해 ZIF-67로 비롯한 다공성 탄소의 탄화 온도를 제어하고, 이에 따른 탄소 골격 구조와 계층적 기공 구조의 변화를 분석하였다. 탄화 온도는 400 °C, 500 °C, 600 °C 및 700 °C로 조절하였으며, 이를 통해 ZIF-67로 비롯한 다공성 탄소의 흑연화 정도, Co 나노입자의 형성, 표면 화학 조성 및 마이크로, 메조 및 매크로 기공 분율을 효과적으로 제어할 수 있었다. 그 중 600-PC 샘플은 15.93 %의 메조기공 분율과 8.79 %의 매크로 기공 분율을 가지며 마이크로, 메조 및 매크로 기공이 균형 있게 형성된 계층적 기공 구조를 나타내었으며, 이러한 구조는 전해질 이온의 접근성 과 확산 경로를 향상시키는데 유리하게 작용하였다. 이를 통해 600-PC 전극은 1.15 Ω의 낮은 저항과 3.38 × 10^-10 cm²s^-1의 높은 이온 확산 계수를 나타내었다. 또한 600 °C의 탄화 조건에서 Co 나노입자에 의해 촉진된 흑연질 탄소 골격이 성공적으로 형성되어 우수한 전자 전달 네트워크를 형성하였다. 이에 600-PC는 전극 내에서 연속적인 전자 전달 네트워크를 형성하는 동시에 이온 이동 통로를 효과적으로 확보할 수 있는 최적의 도전재 구조를 나타내었다. 따라서 600-PC 샘플을 도전재로 사용하여 제조된 전극의 전기 이중층 커패시터로 적용한 전기화학 성능 평가 결과 121.4 F/g의 비정전용량, 16.86 Wh/kg (400 W/kg) 및 15.27 Wh/kg (4,000 W/kg)의 에너지 밀도를 보이면서 우수한 성능을 나타내었다. 이 연구는 에너지 저장 소자의 도전재에 적합한 다공성 탄소 합성과 동시에 입자 표면 기공 구조 제어를 위한 새로운 통찰력을 제공하며, 전기 이중층 커패시터 뿐만 아니라 다양한 에너지 저장 소자에 활용할 수 있다.