에너지저장 시스템으로서 슈퍼커패시터는 휴대용 전자 디바이스와 하이브리드 전기 자동차 등에서 다양하게 응용되고 있다. 슈퍼커패시터는 기존의 배터리와 커패시터의 단점을 보완 또는 극복하는 우수한 특성을 보이는데, 이는 그들의 높은 에너지 밀도, 출력 밀도, 충/방전 효율, 그리고 무제한에 가까운 사이클 특성에 기인한다. 슈퍼커패시터 전극으로 탄소소재는 그들의 높은 비표면적, 우수한 전기 전도성, 화학적 안정성, 그리고 저렴한 가격으로 가장 일반적으로 사용되어 왔다. 또한, 최근에는 탄소소재의 낮은 에너지 밀도 향상을 위하여 전기이중층 효과와 슈도커패시턴스 효과가 혼합된 하이브리드 형태 및 미세기공과 중기공의 비율 조절을 통하여 에너지 저장용량을 극대화하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
따라서, 본 연구에서는 높은 에너지 저장 용량을 갖는 탄소소재 기반 전극의 개발을 위하여 탄소/나노탄소 복합체 형태의 하이브리드 탄소소재를 합성하였으며, 이들의 전기화학적 특성을 관찰하였다.
첫 번째로, 새로운 형태의 탄소기반 전극소재로서, 코어/쉘 구조로 질소 도핑된 탄소/나노탄소 (다중벽 탄소나노튜브 그리고 그래핀) 복합체 (C-MWNTs 그리고 C-graphene)를 제조하였다. 이종원자 질소를 함유하는 탄소 벽층은 나노탄소 표면에 폴리아닐린의 코팅과 탄소화에 의해 도입하였고, 탄소화 후 약 5.8%~6.5%의 질소원자를 포함하는 것을 확인하였다. 제조된 C-MWNTs (231 F/g)와 C-graphene (170 F/g)은 순수 MWNTs (152 F/g)와 graphene (138 F/g)에 비교하여 크게 향상된 커패시턴스 값을 나타내었다. 질소 도핑 된 탄소/나노탄소 기반 전극의 우수한 전기화학적 특성은 탄소/탄소 복합체의 다공성 특성과 함께 질소 그룹을 포함한 탄소층과 다공성 나노탄소 소재의 복합화에 의한 슈도커패시턴스/전기이중층의 시너지 효과에 의한 것으로 판단된다.
두 번째로, 미세기공 탄소체의 프리커서로 폴리(비닐리덴 클로라이드-아크릴로나이트릴-메타아크릴레이트) (PVCAM)과 폴리(비닐리덴 디플루오라이드)(PVDF)를 사용하고 중기공 특성을 갖는 탄소나노튜브 또는 그래핀은 전도성 첨가제로 사용하였다. 용액 혼합법으로 나노탄소/고분자 혼합 후 필름을 제조하여 탄소체 프리커서로 이용하고 추가적인 활성화 없이 탄화 공정만으로 미세기공과 중기공 특성을 함께 갖는 탄소 복합체 (P-MWNTs 그리고 G-MCs)를 합성하였다. 그리고 미세기공 탄소체의 전기화학적 특성에 대하여 중기공 특성을 갖는 나노탄소 첨가의 효과에 대하여 관찰하였다. 탄화 후 P-MWNTs는 463 ㎡/g의 비표면적을 보여 PVCAM만의 탄화를 통하여 제조된 미세기공 탄소체(627 ㎡/g)와 비교하여는 낮은 비표면적을 보였다. 반면에 그래핀 첨가로 제조된 G-MCs (737 ㎡/g)는 PVDF만의 탄화를 통하여 제조된 미세기공 탄소체 (686 ㎡/g) 보다 다소 증가된 비표면적을 보이는 것을 확인하였다. 나노탄소/미세기공 탄소 복합체의 전기화학특성 평가로부터, P-MWNTs (252 F/g)와 G-MCs (311 F/g)는 순수 미세기공 탄소체 (211 F/g 그리고 249 F/g) 보다 높은 커패시턴스 값을 보이는 것을 관찰하였다. 이러한 결과는 미세기공 탄소체에 포함된 중기공 특성의 나노탄소의 첨가에 의한 중기공 특성 증가로 전해질 이온의 이동성이 증가하고 중기공을 통해 보다 많은 양의 전해질 이온을 받아들이고 개별이온들은 다시 미세기공에 흡착되어 전하 축적이 최대화 되기 때문인 것으로 판단된다.