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에너지 저장 장치용 탄소 나노 섬유의 새로운 전구체 고분자
정경혜 ( Kyung Hye Jung ),존페라리스 ( John P. Ferraris ) 대구가톨릭대학교 자연과학연구소 2015 자연과학연구논문집 Vol.13 No.1
슈퍼커패시터는 에너지 저장 장치의 하나로 높은 파워 밀도와 짧은 충전 시간, 긴 수명을 가지지만, 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다. 탄소 나노 섬유를 슈퍼커패시터의 전극으로 사용하여 에너지 밀도를 높일 수 있다. 탄소 나노 섬유는 주로 전구체 고분자를 전기 방사하여 제작한 나노 섬유를 탄소화라는 열처리를 통해 만든다. 본 연구는 기존의 전형적인 전구체 고분자인 polyacrylonitrile (PAN)를 대체할 수 있는 전구체로 poly(acrylonitrile-co-vinylimidazole)을 소개한다. 이 고분자는 성공적으로 전기방사가 가능하고 1000℃의 탄소화 단계 후에도 나노 섬유 구조를 유지하였다. 또한 기존의 PAN으로 제작한 전극에 비해 높은 전기용량, 에너지 밀도, 파워 밀도를 보였다. 그리고 acrylonitrile과 vinylimidazole의 비율을 다양화한 결과 75:25에서 가장 훌륭한 에너지 저장 특성을 보였다. Supercapacitors fill a unique niche in terms of energy storage because they have high power density and long cyclability but low energy density. Carbon nanofibers are good candidate for supercapacitor electrode materials to improve their energy density. Typically, carbon nanofiber electrodes are prepared by thermal treatments of precursor polymer nanofibers, fabricated by electro spinning. This study introduces poly(acrylonitrile-co-vinylimidazole) as a noble precursor polymer of carbon nanofiber electrode. The polymer solutions were successfully electrospun, and their nanofibrous structure was well preserved after the carbonization step at 1000°C. The carbon nanofibers derived from poly(acrylonitrile-co-vinylimidazole) showed superior specific capacitances, and energy and power densities compared to those from polyacrylonitrile. It is also shown that the copolymer with a feed rate of 75:25 (acrylonitrile:vinylimidazole) is most promising for the carbon nanofiber precursor exhibiting high energy storage performance.
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