Human beings have progressively developed technology since the industrial revolution, and the demand for energy has soared every year. On the other hand, since most of the energy produced is lost in the process of transmission, it requires the development of an energy storage system along with the effective use of electric energy. In addition, energy storage devices have become an essential part of everyday life from small electronic devices such as mobile phones and notebooks to electric vehicles, and it is necessary to develop high-performance energy storage devices to increase the utilization of large-sized electronic devices. Lithium ion battery and supercapacitor are typical energy storage devices currently used in real life. Lithium ion battery is energy storage device with high energy density (100 to 250 Wh $kg^{-1}$), but it still suffer from low power density and long charging times over few hours, as well as the risk of battery explosion and toxic electrolyte. Supercapacitor is eco-friendly due to the use of aqueous electrolytes with an ion conductivity ($10^{-2}$ to $10^{-3}$ S $cm^{-2}$) and have high power density ( > 10,000 W $kg^{-1}$), it has low energy density ( < 100 Wh $kg^{-1}$) with low operation voltage and low capacitance and is used as an auxiliary role for other energy storage devices. Although the energy storage devices are variously used according to their characteristics, the range is limited. In recent decades, interest in the development of hybrid energy storage devices has started to surge. The hybrid energy storage device is a next-generation energy storage device aiming at high energy and power densities and excellent charge-discharge cycle stability by complementing the disadvantages of each device by utilizing the electrode materials of both lithium ion battery and supercapacitor. Since hybrid energy storage devices use electrode materials with different storage mechanisms, the kinetic balance between the anode and cathode plays an important role and directly affects the performance of the device. Therefore, for well-matched anode and cathode, electrode materials have been developed by various methods, such as morphology control, particle nanosizing, structural change and material hybridization.
Nanocomposites based on carbon as an electrode material suitable for hybrid devices and combined with materials having oxidation-reduction activity are attracting attention. Carbon materials have electrical properties due to carbon-carbon bonds of sp2 orbital, and they are electrical double layer type materials storing energy using nano-pores. Also, they show physical and electrochemical stability. However, carbon materials consist only of carbon bonds, which are highly influenced by structural morphology and porosity, and consequently have limitations in energy storage capacity. On the other hand, metals, metal oxides and conductive polymers have a higher capacity than carbon materials because they store energy through redox reaction. However, as redox reaction repeatedly occurs, it is difficult to independently utilize the material due to deformation of the material and deterioration of electrical characteristics, particularly, low electrical conductivity. Therefore, carbon materials and redox active materials show synergetic effect both in capacity and electrochemical stability when used as nanocomposite through hybridization.
In this study, high capacity electrode materials were developed using conductivity enhanced carbon based nanocomposite, and high-performance hybrid energy storage devices are implemented through anode and cathode well-matched practical devices. For aqueous media, a high-capacity aqueous anode was realized on a polymer-based redox active composite material, polyaniline and reduced graphene oxide. Moreover, with cathode of sub-nanosized metal oxide and reduced graphene oxide composite having theoretical capacity, an asymmetric hybrid capacitor with a high energy density and ultra-long robust cycling stability was implemented. For organic media, a metal organic framework (MOF), a highly porous nanomaterial, has been fabricated and mesoporous structure is derived. Additionally, reduced graphene oxide wrapping has been implemented to enhance the electrical conductivity. This nanocomposite shows more than twice the theoretical capacity of Li ion storage and shows excellent properties as an anode of Li ion hybrid capacitor. Therefore, this work represents a breakthrough in realization a new class of next-generation energy storage system that can overcome the limitations of current commercialized energy storage devices.
인간은 산업 혁명 이후 점진적으로 기술을 개발해 왔으며 매년 에너지 수요가 급증했습니다. 반면에, 생산되는 대부분의 에너지는 전송 과정에서 손실되기 때문에 전기 에너지의 효과적인 사용과 함께 에너지 저장 시스템의 개발이 필요합니다. 또한 에너지 저장 장치는 휴대폰, 노트북, 전기 자동차 등 소형 전자 기기에서부터 일상 생활의 필수 요소로 부상하고 있으며 대형 전자 기기의 활용도를 높이기 위해 고성능 에너지 저장 장치를 개발할 필요가 있습니다 . 리튬 이온 배터리 및 수퍼 커패시터는 현재 실제 생활에서 사용되는 일반적인 에너지 저장 장치입니다. 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도 (100 ~ 250 Wh kg-1)를 가진 에너지 저장 장치이지만 배터리 폭발 및 독성 전해질 위험뿐만 아니라 몇 시간에 걸쳐 낮은 전력 밀도와 긴 충전 시간으로 여전히 어려움을 겪고 있습니다.Supercapacitor는 이온 전도도 ($10^{-2}$ ~ $10^{-3}$ S $cm^{-2}$)의 수성 전해질을 사용하기 때문에 환경 친화적이며 높은 전력 밀도 (> 10,000 W $kg^{-1}$)를 가지고 있으며, 낮은 에너지 밀도 (< 100Wh $kg^{-1}$)로 작동 전압이 낮고 정전 용량이 낮으며 다른 에너지 저장 장치의 보조 역할로 사용됩니다. 에너지 저장 장치는 특성에 따라 다양하게 사용되지만 그 범위는 제한적이다. 최근 수십 년 동안, 하이브리드 에너지 저장 장치의 개발에 대한 관심이 급증하기 시작했습니다. 하이브리드 에너지 저장 장치는 리튬 이온 배터리와 수퍼 커패시터의 전극 재료를 활용하여 각 장치의 단점을 보완하여 고 에너지 및 전력 밀도와 우수한 충 방전 사이클 안정성을 목표로하는 차세대 에너지 저장 장치입니다. 하이브리드 에너지 저장 장치는 다양한 저장 메커니즘을 가진 전극 재료를 사용하기 때문에 애노드와 캐소드 사이의 운동 균형이 중요한 역할을하며 장치의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 잘 조화 된 양극과 음극의 경우, 형태 제어, 입자 나노 크기 화, 구조 변화 및 물질 혼성화와 같은 다양한 방법으로 전극 물질이 개발되었습니다.
하이브리드 소자에 적합한 전극 재료로서 탄소를 기반으로하고 산화 - 환원 활성을 갖는 재료와 결합 된 나노 복합물이 주목 받고있다. 탄소 재료는 sp2 궤도의 탄소 - 탄소 결합으로 인해 전기 특성을 가지며 나노 기공을 사용하여 에너지를 저장하는 전기 이중층 유형의 재료입니다. 또한, 이들은 물리적 및 전기 화학적 안정성을 나타낸다. 그러나 탄소 재료는 구조적 형태와 다공성에 의해 크게 영향을받는 탄소 결합으로 이루어지며 결과적으로 에너지 저장 용량에 한계가 있습니다. 반면 금속, 금속 산화물 및 전도성 고분자는 산화 환원 반응을 통해 에너지를 저장하기 때문에 탄소 재료보다 용량이 크다. 그러나, 산화 환원 반응이 반복적으로 일어나므로 재료의 변형 및 전기적 특성, 특히 낮은 전기 전도도의 악화로 인해 재료를 독립적으로 사용하는 것이 어렵다. 따라서, 탄소 재료 및 산화 환원 활성 물질은 하이브리드 화를 통해 나노 복합체로 사용될 때 용량 및 전기 화학적 안정성 모두에서 시너지 효과를 나타낸다.
본 연구에서는 전도도가 향상된 탄소 나노 복합체를 이용하여 고용량의 전극 재료를 개발하였으며, 고성능의 하이브리드 에너지 저장 장치는 양극과 음극이 잘 매칭되는 실용적인 장치를 통해 구현되었다. 수성 매질의 경우, 고용량 수성 애노드가 중합체 기반 산화 환원 활성 복합 재료, 폴리아닐린 및 환원 된 그래 핀 산화물상에서 실현되었다. 또한, 나노 크기의 금속 산화물과 이론적 인 용량을 갖는 환원 된 그라 핀 산화물 복합체의 음극을 사용하여 높은 에너지 밀도와 초강력의 견고한 사이클 안정성을 가진 비대칭 하이브리드 커패시터가 구현되었습니다. 유기 매체의 경우, 다공성 나노 물질 인 금속 유기 골격 (metal organic framework, MOF)이 제조되어 메조 포러스 구조가 유도됩니다. 또한, 전기 전도도를 향상시키기 위해 감소 된 그라 핀 산화물 포장이 구현되었습니다. 이 나노 복합체는 Li 이온 저장 용량의 이론 용량의 두 배 이상을 나타내며 Li 이온 하이브리드 커패시터의 양극으로서 우수한 특성을 나타냅니다. 따라서이 연구는 현재 상업화 된 에너지 저장 장치의 한계를 극복 할 수있는 새로운 차원의 차세대 에너지 저장 시스템을 실현하는 획기적인 기술입니다.
