전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor) 또는 슈퍼커패시터라고도 불리는 에너지저장장치는 최근 들어 대체에너지의 필요성에 따라 주목받는 에너지저장 장치이다. 다양한 산업에서 사용되고 있는 이차전지와는 다른 에너지 저장 메커니즘을 가지는데 EDLC는 물리적 흡·탈착을 통해서 에너지가 저장되는 장치이다. 물리적 흡·탈착으로 인해 무한대의 수명을 가지고 있으며 빠르게 충·방전이 가능한 장치이다. 전기이중층 커패시터에는 다양한 전극물질이 사용되지만 대체로 탄소물질을 주로 사용한다. 가장 상용화되어있는 전극물질은 활성탄이며 그 외에 카본 에어로젤, 그래핀, 탄소섬유, CNT 등이 사용되고 있다.
본 연구에서 사용하는 전극물질은 카본 에어로젤로 3차원의 네트워크구조를 가지고 있는 고분자물질이다. 높은 전기전도성을 가지고 있지만 활성탄에 비해서는 낮은 비표면적을 가지고 있다. 낮은 비표면적을 향상시키기 위해 물리적 활성화 및 화학적 활성화에 대한 연구가 진행되어왔다. 비표면적의 향상 이외에도 카본에어로젤을 전극물질로 사용할 때 전기화학적 특성향상을 위해서 기공 특성을 조절하는 연구도 많이 진행되어왔다. 이를 위해 주로 카본 에어로젤 제조 조건인 촉매의 종류나, 촉매의 농도, pH, 중합 시간 등을 조절하는 연구가 대체적으로 수행되어왔다.
본 연구에서 사용하는 카본 에어로젤은 세공을 제조조건에 따라 쉽게 조절 할 수 있다는 장점이 있다. Resorcinol과 formaldehyde를 전구체로 하여 중합반응을 통해 만들어지는 카본에어로젤은 중축합반응에서 첨가반응을 일으키는 촉매에 의해서도 세공조절

이 가능하다. 본 연구에서는 세공 조절을 위해 촉매의 종류를 변화시키고 촉매의 농도를 변화시키는 연구를 진행하였다.
사용된 촉매는 염기촉매로 각 염기촉매의 이온 크기에 의한 분극력 차이와 알칼리정도를 차이를 두어 선정하였다. 우선 촉매의 종류에 따라서 성장한 기공이 다르다는 것을 질소 흡·탈착 분석으로 확인할 수 있었다. 높은 비표면적을 보인 CAKH (KHCO3)와 CANH (NaHCO3)는 주로 큰 기공이 성장을 하였지만 다양한 크기의 기공들이 성장하면서 기공의 분포가 불균일하였다. 낮은 비표면적을 보인 CAK (K2CO3)와 CAN (Na2CO3)은 낮은 비표면적에도 불구하고 기공 분포가 균일하였고 결정성도 우수하였다. 물리적 특성에서 균일한 기공분포는 이온의 이동성을 향상시킬 것으로 예측되었다. 전기화학적 특성에서는 물리적 특성에서 예측한 봐와 같이 균일한 기공분포를 보인 CAK와 CAN이 높은 비 용량을 보였고 EIS에서는 CAN이 가장 낮은 비저항을 보였으므로 가장 적합한 촉매로 CAN을 정하였다.
촉매의 비율을 변화 시켰을 때, R/C비율이 높아지면서 주로 중기공 보다는 대기공이 성장하였다. R/C비율이 높아지면서 기공의 분포가 대기공 분포 영역으로 이동하면서 기공의 크기가 커지고 기공의 분포가 불균일해졌다. 그 이유는 R/C 비율이 높아지는 건 촉매의 농도가 낮아지면서 중합시간이 길어지고, 결과적으로 입자의 크기가 커져 큰 기공이 주로 성장하게 되는 것으로 생각된다. 전기화학적 특성에서는 R/C비율이 높아지면서 저항은 증가하였고 따라서 비용량은 감소하였다. 물리적 및 전기화학적 특성에 의하면 R/C비율이 낮아질수록 CA 제조에 적합할 것으로 보이는데 가장 낮은 비율인 R/C100에서는 기공의 성장이 미미하며 비용량 또한 낮았다. 따라서 그 다음으로 낮은 비율인 R/C500이 가장 높은 비 용량과 낮은 저항 그리고 가장 균일한 기공분포를 가지므로 가장 적합한 R/C비율로 선정하였다.
카본에어로젤(CA)의 KOH와 CO2 활성화를 진행하여 기공특성 및 전기화학적 특성에 끼치는 영향을 조사하였다. KOH로 활성된 CA는 높은 비표면적과 높은 EDLC 전극 비용량을 나타냈지만, 미세기공보다 중기공이 더 발달하였고, 고전류에서 상대적으로 비용량의 감소폭이 크며, 활성화과정에서 결정성을 대부분 잃어버려 전기전도도가 낮았다. 한편, CO2 활성화된 CA는 KOH 활성화된 CA에 비해 1/2 수준의 비표면적을 갖지만, 80% 전후의 비용량을 나타냈다. CO2 활성화된 CA의 기공분포는 1 nm 근처의 미세기공이 상대적으로 더 많이 발달

하였고, 적절한 기공구조로 인해 고전류에서 용량의 감소폭이 상대적으로 작았으며, 활성화 후 결정성을 유지하여 전기전도도가 상대적으로 높았다. CO2 활성된 CA의 전기화학적 특성을 향상시키기 위해 활성화온도를 850에서 1000℃로 변화하였을 때, 활성화온도의 증가에 따라서 비표면적과 비용량이 증가하였다. 하지만 활성화수율 및 단위면적당 비용량을 고려하여 최적의 활성화온도는 950℃로 결정하였다.
다음으로는 CAN의 R/C비율을 증가시키면서 화학적 활성화 및 물리적 활성화를 진행하였다. 활성화가 진행되면서 비표면적이 향상되었지만 비용량에서는 차이점을 확인하였다. KOH로 활성화한 CAN은 R/C비율이 높아지면서 비표면적이 낮아지고 비 용량은 KOHACAN_1000을 기점으로 감소하였다. CO2활성화는 R/C비율이 증가하면서 COACAN_1000 까지는 비표면적이 증가하다가 그 이후에는 비표면적이 감소하였고 비용량은 꾸준히 증가하였다. 이는 KOH활성화는 강력한 산화반응으로 인해 과다한 기공의 성장으로 인해 작은 기공이 큰 기공으로 합쳐진 것으로 판단된다. 또한 KOHACAN
_1000의 미세기공이 주로 0.4~0.7 nm 부근에서 집중적으로 분포가 보이 높은 비용량을 보이는 것으로 보인다. 마찬가지로 CO2 활성화에서는 COACAN_2000의 미세기공이 주로 0.7 nm 부근에서 분포하고 있으므로 낮은 비표면적에도 불구하고 높은 비용량이 구현됨을 확인할 수 있었다.

Electric double layer capacitor (EDLC) or super-capacitor are used as an electrochemical energy storage device meeting the demands for alternative sources of energy. Compared with Secondary battery, the energy storage mechanism in EDLC is the electrostatic storage. EDLCs are made of various electrode materials and mainly carbon materials are used. The most practical electrode material is activated carbon, but carbon aerogel (CA), graphene, carbon fiber, CNT, etc. are also used.
The electrode material used in this research is a CA which is a polymer material having a three-dimensional network structure. It has a high electrical conductivity but has a lower specific surface area than activated carbon does. In order to improve the low specific surface areas, physical and chemical activation has been conducted. In addition to the increase of specific surface area, the optimization of pore characteristics in the electrode material has been investigated to improve the electrochemical properties. For this purpose, various synthesis conditions of CA such as type of catalyst, concentration of catalyst, pH, polymerization time have been investigated.
The electrode material used in this research has an advantage that the pore characteristics of CA can be easily adjusted according to the preparation conditions. The pore sizes of CAs prepared through the polymerization reaction using resorcinol and formaldehyde as precursors can also be controlled by a catalyst that causes an addition reaction in the

polymerization reaction. In this study, we have changed the type of catalyst and the amount of catalyst to control the pore characteristics.
Four base catalysts were selected with a strategy of different polarizing power and alkalinity depending on the ion size of each base catalyst. First, it was confirmed by the nitrogen absorption/desorption analysis that the pore size distribution of carbon aerogels was different depending on the type of catalyst. CAKH (KHCO3) and CANH (Na2CO3) had a relatively high specific surface area mainly forming a large size of pores but showed the formation of various sizes of pores with a broad pore size distribution. Meanwhile, CAK (K2CO3) and CAN (Na2CO3) had a relatively low specific surface area but had a uniform pore size distribution, showing the higher crystallinity than the former catalysts. It is expected that a uniform pore size distribution can enhance the mobility of an electrolyte ions. Since CAK and CAN shown a uniform pore size distribution had relatively high capacitances and CAN exhibited the most suitable EIS with the lowest electrical resistance, CAN was determined as the appropriate catalyst.
In the case of catalyst content, as the ratio of R/C increased, the pore sizes increased transforming from meso-pores to macro-pores but the pore size distribution became broad. The reason for this phenomenon can be explained by that as the ratio of R/C increased with decreasing the concentration of catalyst, the polymerization time became longer resulting in that the size of the particles increased and macro-pores formed predominantly. With increasing the ratio of R/C, the electrical resistance increased and therefore the specific capacitance decreased. According to the physical and electrochemical properties, the lower ratio of R/C seemed to be suitable for the EDLC application of CA, but the lowest ratio of R/C100 showed very low pore formation and low specific capacitance. Since the second lowest ratio of R/C500 had the highest specific capacitance and the most uniform pore size distribution, R/C500 was selected at the suitable R/C ratio.
A resorcinol-formaldehyde CA was activated with KOH and CO2. The effect of KOH and CO2 activation on the textural properties and the electrochemical properties of CA was investigated. The KOH activated carbon aerogel (KOHACA) had the higher specific surface area

and specific capacitance as an EDLC electrode than the CO2 activated carbon aerogel (COACA), but the COACA exhibited the better electrochemical performance at a high current than the KOHACA. The COACA had more uniform pore structure around 1 nm and higher electrical conductivity due to increased micro-crystallinity as compared to the KOHACA. As the activation temperature increased in the range of 850∼1000℃, the specific surface area and specific capacitance per mass of COACA increased. However, the optimal activation temperature was determined as 950℃ considering activation yield and specific capacitance per area.