섬유 형태의 슈퍼커패시터는 웨어러블 및 휴대용 응용 분야에 대해 가장 견고한 전원 공급원 중 하나로서 활발히 개발되고 있다[1,2]. 우수한 유연성, 경량성, 화학적 안정성 및 양호한 전기전도도를 지닌 섬유 형태 전류집전체의 개발은 매우 중요해졌다. CNT 섬유(CNTF)는 고도로 치밀화되고 정렬된 구조를 갖는 우수한 핵심 구성요소로 주목받고 있다[3]. 새롭게 개발된 최첨단 CNTF는 고강도(100 cN tex-1), 높은 전기전도도(2 MS m-1), 우수한 유연성(50% knot 효율)과 같은 전례 없는 성능을 보이며, 이는 이전 버전의 CNTF에서는 구현할 수 없었던 것이다[4]. 따라서 표면적이 낮고 기능기 수가 적으며 매우 매끈한 표면을 가진 이 최상급 CNTF에 적용할 수 있는 새로운 전략이 개발되어야 한다. 본 발표에서는 고성능 FSSC를 위해 섬유 형태 지지체 위에 하이브리드 3차원 구조를 구성하는 간단하면서도 효율적인 전략을 소개한다[5]. FSSC의 기본 핵심 구성요소로, 고도로 치밀화된 구조와 높은 전기전도도를 갖는 최첨단 액정 방사 CNTF가 활용되었다. 입체적인 하이브리드 3D 구조를 제조하기 위해, 가장 대표적인 2차원 소재인 GO 및/또는 Mxene을 계층적 스캐폴드로서 전기영동 증착을 통해 CNTF에 수직으로 부착하여 추가적인 하이브리드화를 위한 기반을 마련하였다. GO의 증착 직후에 슈도커패시티브(pseudocapacitive) 활성 물질을 즉시 추가 증착하여 GO의 3D 구조를 고정하고 유지하는 것이 중요했는데, 이는 단순하지만 매우 효율적이다. 제조된 Ni-Co 산화물/VG@CNTF(NC/VG@CNTF) 하이브리드 전극은 두드러진 비정전용량(총 전극 중량 기준 1 A g-1에서 1724 F g-1)과 기계적 내구성(5,000회 굽힘 사이클에서 93.1% 정전용량 유지율)을 나타냈다. 특히 비대칭 구성으로 제작된 FCCS는 전례 없이 높은 에너지 및 파워 밀도를 보였으며, 이는 제안한 전략의 우수성을 입증한다(100 kW kg-1의 파워 밀도에서 65 Wh kg-1의 에너지 밀도). 이는 최첨단 CNTF가 다양한 웨어러블 및 유연 응용 분야에 적합한 우수한 후보가 될 수 있음을 보여준다. 감사의 글: 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST) 기관 프로그램 및 오픈 리서치 프로그램(ORP)과, 한국 정부의 국가연구재단(NRF) 지원금(2019R1A5A8080326)으로 수행되었다. 참고문헌[1] J. He, et al., “Scalable Production of High-Performing Woven Lithium-ion Fibre Batteries”, Nature, 597, 58, 2021.[2] Y. Zhou, C.-H. Wang, W. Lu, L. Dai, “Recent Advances in Fiber-Shaped Supercapacitors and Lithium-Ion, Batteries”, Advanced Materials, 32, 1902779, 2020.[3] N. Behabtu, et al., “Strong, Light, Multifunctional Fibers of Carbon Nanotubes with Ultrahigh Conductivity”, Science, 339, 182, 2013.[4] H. Yu, et al., “Active Material-Free Continuous Carbon Nanotube Fiberswith Unprecedented Enhancement of Physicochemical Properties for Fiber-Type Solid-State Supercapacitors”, Advanced Energy Materials, 14, 2303003, 2024.[5] J.-G. Kim, et al., “3D Architecturing Strategy on the Utmost Carbon Nanotube Fiber for Ultra-High Performance Fiber-Shaped Supercapacitor”, Advanced Functional Materials, 2113057, 2022.
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