Along with the increasing demand for renewable and green energy resources, electrochemical energy storage devices, such as lithium ion batteries and supercapacitors have attracted much more attention than be-fore. In particular, supercapacitors (SCs) are promising devices for powering consumer electronics and transpor-tation, where the power delivery, long cycle life, and fast charging are desired. However, low energy density has limited their use as primary devices for power supply. Therefore, improving energy density of SCs without sacri-ficing power delivery and cycle life has been one of important issues in the strategic project proposed by the governments around the world. To achieve this goal, developing innovative materials that efficiently store the charge and guarantee fast electron and ion transport for SCs is significantly required to meet the energy demands for practical applications in the future. Nanocomposites that combine the advantages of both organic and inorganic components have been considered as the most promising candidates for enhancing SC’s performance.
Since the discovery of the exotic properties of graphene, two-dimensional (2D) nanomaterials, such as metal chalcogenides, transition metal oxides, and other 2D compounds have gained renewed interest. Similar to graphene, the 2D materials have also been exploited in various applications, such as optoelectronics, catalyst, chemical and biological sensors, and energy conversion and storage devices due to their distinct properties. Fur-thermore, 2D materials could be useful building blocks to design and synthesize novel hybrid materials (i.e., nanocomposites) with various guest species inducing organic, polymeric, inorganic, and even biomolecules due to larger surface area than other spatial dimensions (i.e., 0D, 1D, and bulk 3D). Despite the remarkable useful-ness of the 2D materials, how to rationally design and controllably assembly guest species onto organic or inor-ganic 2D materials at the nanoscale, including optimizing hybrid interfaces and maximizing the synergistic ef-fect, remains an important challenge from the viewpoint of both academia and industry.
In this thesis, we demonstrated that synthesis of organic/inorganic nanocomposites based on 2D building blocks for developing multifunctional nano-objects with a variety of electrical and ionic conductivity, flexibility, redox capability, wettability, and porosity. Besides, their remarkable electrochemical properties were evaluated using various electrochemical methods. Following the synthetic methods for 2D nanocomposites, the thesis is divided into three parts. “Ionothermal Approach to Synthesize Ionic Liquid-Functionalized Cobalt Hydroxide Nanosheets for Application of Supercapacitors” is given in Chapter 2. The chapter concerns the role of ionic liquid in forming 2D nanosheets and in enhancing the performance of SCs. Second part (Chapter 3) provides “Self-Assembled Polyoxometalates/Graphene Nanocomposites using Polymeric Ionic Liquid Linker for High Energy Supercapacitors”. This chapter describes the self-assembly and anion exchange strategies for fabricating 2D nanocomposites with stable, reversible, and multiple redox capability that are very suitable for high energy storage. Third part (Chapter 4) is “Microwave-Assisted Solid-State Reaction for Synthesis of Metal Ox-ide/Graphene Films for Asymmetric Supercapacitors”. This chapter represents the straightforward method for creating 3D nanocomposite films that can store the high energy and deliver the high power. In particular, the resulting nanocomposite films exhibit different potential windows, which allows for fabricating low cost, safe, eco-friendly asymmetric supercapacitors.
In this thesis, from the viewpoint of academia and industrial applications, we handled the recent signifi-cant advances in synthesis of 2D nanocomposites, nanoscale interface engineering, and fabrication of energy devices with scientific analysis of the 2D nanosheets.
최근 재생 및 친환경 에너지원에 대한 요구 증가에 따라 리튬이온전지나 슈퍼커패시터와 같은 전기화학적 에너지 저장장치에 관한 관심이 이전보다 크게 증가하고 있다. 특히, 슈퍼커패시터는 전력전송, 장수명, 급속 충전을 요구하는 소비자 가전제품 및 전기자동차와 같은 운송수단의 에너지 공급원으로 주목 받고 있는 에너지 저장 장치이다. 그러나, 낮은 에너지 밀도로 인해 이들 장치의 기본 전력 공급원으로서의 사용이 제한되고 있다. 그러므로, 전력전송능력과 사이클 수명의 단축 없이 슈퍼커패시터의 에너지 밀도를 향상시키는 것이 전 세계적으로 정부가 전력적 과제를 통해 해결하고자 하는 가장 중요한 과제 중 하나이다. 이러한 목표를 달성 및 미래 에너지 수요를 충족하기 위해서 효과적으로 전하를 저장하고 빠른 전자 및 이온전달을 보장하는 슈퍼커패시터용 전극 재료의 개발이 시급히 요구되고 있다. 최근 들어 유기 물질과 무기물질의 서로 다른 장점을 지닌 유기/무기 나노복합체가 슈퍼커패시터의 성능 향상을 위한 가장 유망한 후보 물질로 간주되고 있다
그래핀의 특수한 특성이 발견으로 인해 금속 칼코지나이드, 전이금속산화물, 그리고 다른 2차원 유/무기 화합물과 같은 2차원 형태를 갖는 나노물질이 재조명 받고 있다. 또한, 2차원 물질은 그래핀과 유사하게 독특한 특성을 가지고 있어서 광전자공학, 촉매, 화학 및 생체센서, 에너지 변환 및 저장 장치와 같은 다양한 분야에 널리 사용되고 있다. 이와 더불어, 2차원 물질은 다른 공간적 차원의 물질에 비해 비교적 넓은 표면적을 갖기 때문에 새로운 하이브리드 물질의 설계 및 합성을 위한 유용한 빌딩 블록으로 사용될 수 있다. 그러나 이러한 2차원 물질의 괄목할 만한 특성에도 불구하고 하이브리드 계면의 최적화와 시너지 효과의 극대화를 위한 나노 수준의2차원 유기 또는 무기 물질의 합리적 설계와 어셈블리의 제어 방법의 개발이 학계와 업계 모두에서 아직도 중요한 해결 과제로 남아있다.
본 논문은 2차원 빌딩블록을 기반하는 유기/무기 나노복합체를 합성 및 전기전도도, 이온전도도, 습윤성, 기공성, 비표면적 등의 다양한 물리화학적 성질 제어 기술에 관한 연구와 이를 이용한 슈퍼커패시터로의 응용에 관한 연구를 다루었다. 특히, 상기 나노기술에 의해 합성된 2차원 소재의 전기화학적 특성을 다양한 분석 기술을 통해 심도 있게 분석하고 이를 슈퍼커패서터의 전극 재료로 활용하였다. 제 1장은 2차원 유기/무기 나노복합체 및 에너지 저장 장치에 관한 서론을, 제 2장은 “이온열중합을 통한 기능화 된 이온성액체-코발트 수산화물 나노시트 합성 및 슈퍼커패시터로의 응용”을 다루었다. 제 2장에서 코발트 수산화물의2차원 나노시트의 형성과 슈퍼커패시터의 전반적인 성능 향상에 이온성액체가 미치는 영향에 대한 연구를 다루었다. 제 3장은 “이온성 고분자 가교제를 이용한 자기 조립 폴리옥소메탈레이트/그래핀 나노복합체 합성 및 고에너지 슈퍼커패시터로의 응용”을 다루었다. 본 장에서는 이온성 고분자의 자기조립 특성과 음이온 교환 특성을 이용하여 2차원 나노복합체를 제조하고 이를 대칭 슈퍼커패시터의 전극 물질로 사용하여 충/방전 특성, 율특성, 수명특성, 에너지 밀도 등의 슈퍼커패시터 성능에 관한 연구를 다루었다. 제 4장은 “마이크로파 보조 고상반응을 통한 금속산화물/그래핀 필름의 제조 및 비대칭 슈퍼커패시터로의 응용”을 다루고 있다. 본 장에서는 마이크로 파를 이용하여 비교적 간단한 방법으로 2차원 그래핀 위에 금속산화물을 균일하게 코팅 및 3차원 거시구조를 갖는 필름형태의 전극을 제조하고 이를 이용하여 고에너지, 고출력, 장수명을 갖는 비대칭 슈퍼캐퍼시터로의 응용에 관한 연구를 다루었다. 마지막으로 제 5장에서 본 논문의 전반적인 내용을 요약하였다.
