The goal of research for this thesis is to understand the effect of pore geometry on the cell performance of a supercapacitor, the mechanism of rapid decay in specific capacitance during the initial 1000cycles and to find the method to reduce the rapid decay in specific capacitance.
We synthesized polypyrrole(PPY) by chemical method that could produce materials by a large scale. Then we fabricated the polypyrrole based-composite electrodes with super-p carbon black as a conducting material and poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) P(VdF-co-HFP) as binder. We also made a gel polymer electrolytes (GPE) with P(VdF-co-HFP) as a binder, propylene carbonate(PC) and ethylene carbonate(EC) as plasicsizers, and tetraethyl ammonium tetrafluoroborate $(TEABF_4)$ as a salt. Ionic conductivity of a gel polymer electrolyte is $2.5 х10^{-3} S/cm$. In laminating the electrolytes between electrodes, there was poor interfacial contact between the electrodes and electrolytes. We got the electrodes wetted with liquid electrolyte to make the good contact and could have the higher capacitance. The specific capacitance decreased rapidly in the cell during the initial 1000cycles. This decrease might be caused by four reasons: the ion size effect of salt, the formation of passive layer, the binding of anions with PPY and the decomposition of PPY. The latter two reasons turned out to be main reasons for the decay in specific capacitance. During the first charging, PPY had many holes with positive charges by removing electrons and anions in the polymer electrolytes moved into the composite electrode and were bound to the holes for the electric neutrality. In the next discharge, some anions bound to the holes were not detached from PPY and remained inside the electrode reducing the capacitance of the supercapacitor. PPY was decomposed and separated from the super-p(carbon). This decomposition of PPY also reduced the capacitance. In order to prevent the decay in specific capacitance two experiment methods were conducted. One method was to coat PPY and then the composite and the other method was to coat super-p carbon and then the composite on the SUS collector. The former method improved much letter than the latter, because a large portion of PPY film had many holes generated by removing electrons from PPY and these holes with positive charge remained without binding with anions. Lastly, we concentrated on the morphology and pore geometry of electrodes. Pore size and surface area were very important factor to the electrochemical properties of composite electrode in the view of effective ionic transports and capacitances. Pore geometry was controlled by using more volatile solvent and raising temperature (evaporation rate) during the preparation of electrodes.
슈퍼 커패시터는 전기자동차와 전자기기의 급속한 발전과 함께, 특히 강한 파워를 요구하는 전기자동차에 적용시킴으로써 매우 중요한 연구로 여겨지고 있다. 특히 전도성 고분자를 이용한 산화, 환원 커패시터에 많은 연구가 지속되고 있는데 이유인즉 매우 큰 전하밀도(high charge density)와 적게 비는 비용 때문이다. 지난 수 십년 동안 전도성 고분자(electronically conducting polymers)는 배터리의 양극재료, 디스플레이, 각종 전기장치, 각종 수많은 산업의 재료물질로도 주목을 많이 받았다.
최근에는 높은 동력 에너지 저장 장치인 전기화학적 커패시터의 전극 활 물질로써 전도성 고분자의 적용이 제시되고 있다. 전기 화학적인 중합에 의해 제조된 전도성 고분자는 높은 전기전도도를 가지지만 배터리나 슈퍼 커패시터의 적용에서와 같이 대량 생산이 요구될 때에는 전기 화학적인 중합보다 화학적 중합이 선호된다. 화학적인 중합에 의해서 폴리피롤을 얻고 특히 고분자 안정화제인 dodecylbenzene sulfonic acid sodium salt (DBSNA)와 산화제인 ammonium persulfate(APS)양을 변화를 주면서 중합한 결과 폴리피놀 입자의 크기를 조절할 수 있고 구 모양의 작은 입자도 얻을 수 있다. 또한 겔형 고분자 전해질이 2차 전지, 연료전지(Fuel Cells), 태양전지(Solar Cells), and 화학감지기(Chemical Sensor) 등에 사용되는 등 많은 관심을 받고 있다. 액체 전해질에 비해 이온 전도도가 낮고 기계적 물성이 낮으며, 전극과 전해질의 계면 접촉이 나쁘다는 문제가 있지만 전해질의 누액을 막을 수 있고 얇은 필름모양을 만들 수 있는 가공적인 면에서 탁월하기 때문에 많은 사람들이 연구하고 있다.
그래서 본 연구에서는 화학적인 중합에 의해서 제조된 폴리피롤, 도전제인 super-p 과 결착제인 kynar2801을 혼합하여 slurry 상태로 만들고 복합전극을 제조하였고 또한 겔형 고체 고분자 전해질을 사용하였다. 복합전극에 들어가는 폴리피롤과 super-p의 조성에 따라 전기 화학적인 특징, 전지특성을 연구하고, 또한 복합전극 제조 과정에서 여러 요인에 의해서 나타나는 pore geometry를 분석하고 전기화학적으로 어떤 영향을 미치는가를 살펴본다.
