슈퍼커패시터

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초고용량 커패시터라고도 불리는 슈퍼커패시터(SC)는 용량 값이 솔리드 스테이트 커패시터보다 훨씬 높지만 전압 한계가 낮은 고용량 커패시터입니다. 전해 커패시터와 충전식 배터리 사이의 간격을 메웁니다. 일반적으로 전해 커패시터보다 단위 부피 또는 질량당 10~100배 더 많은 에너지를 저장하고 배터리보다 훨씬 빨리 충전을 수락하고 전달할 수 있으며 충전식 배터리보다 훨씬 더 많은 충전 및 방전 사이클을 허용합니다.^[2]

슈퍼커패시터는 일반 커패시터와 달리 기존의 고체 유전체를 사용하지 않고 정전기 이중층 정전용량과 전기화학적 의사 정전용량을 ^[3]사용하여 커패시터의 전체 정전용량에 기여합니다.

슈퍼커패시터는 자동차, 버스, 기차, 크레인 및 엘리베이터에서 장기적인 콤팩트 에너지 저장이 아닌 많은 급속한 충방전 사이클을 필요로 하는 애플리케이션에 사용되며, 회생 제동, 단기 에너지 저장 또는 버스트 모드 전력 전달에 사용됩니다.^[4] 더 작은 장치는 SRAM(Static Random-Access Memory)을 위한 전원 백업으로 사용됩니다.

배경

고체 매체의 전기화학적 전하 저장 메커니즘은 대략 3가지 유형으로 분류할 수 있습니다(일부 시스템에는 중복이 있음).

• 정전기 이중층 커패시터(EDLC)는 전기화학적 의사 정전용량보다 훨씬 높은 정전기 이중층 정전용량을 갖는 탄소 전극 또는 유도체를 사용하여 전도성 전극 표면과 전해질 사이의 계면에서 헬름홀츠 이중층에서 전하 분리를 달성합니다. 전하 분리는 기존 커패시터보다 훨씬 작은 수 옹스트롬(0.3–0.8 nm) 정도입니다. EDLC의 전하는 전자 전도체(예: 탄소 입자)와 이온 전도체(전해액)의 2차원 상호상(표면)에 저장됩니다.
• 고체 전기 활성 물질을 가진 배터리는 산화환원 화학 반응에 의해 벌크 고체 상에 전하를 저장합니다.^[5]
• ECSC(Electrochemical Supercapacitor)는 EDL과 배터리 사이에 있습니다. ECSC는 이중층 정전용량 외에 전기화학적 의사 정전용량이 많은 금속 산화물 또는 전도성 고분자 전극을 사용합니다. 의사 정전용량은 산화환원 반응, 삽입 또는 전기흡착을 통한 파라다익 전자 전하 전달에 의해 달성됩니다.

고체 커패시터에서 이동 전하는 전자이고 전극 사이의 간격은 유전체 층입니다. 전기화학적 이중층 커패시터에서 모바일 전하는 용해된 이온(cation 및 음이온)이며, 유효 두께는 전기화학적 이중층 구조에 의해 두 전극 각각에서 결정됩니다. 배터리에서 전하는 전자 전도성과 이온 전도성을 모두 가진 고체상의 벌크 부피에 저장됩니다. 전기화학 슈퍼커패시터에서 전하 저장 메커니즘은 이중층과 배터리 메커니즘을 결합하거나 진정한 이중층과 진정한 배터리의 중간인 메커니즘을 기반으로 합니다.

역사

1950년대 초, 제너럴 일렉트릭(General Electric) 기술자들은 연료 전지와 충전식 배터리의 설계부터 커패시터의 설계에 있어서 다공성 탄소 전극을 실험하기 시작했습니다. 활성탄은 높은 비표면적을 가진 극도로 다공성인 탄소의 "스폰지" 형태인 전기 전도체입니다. 1957년 H. Becker는 "다공성 탄소 전극을 가진 저전압 전해 커패시터"를 개발했습니다.^[6][7][8] 그는 전기분해 커패시터의 에칭된 포일의 기공에서와 마찬가지로 에너지가 탄소 기공에 전하로 저장된다고 믿었습니다. 그는 당시 이중층 메커니즘이 그에게 알려지지 않았기 때문에 특허에 다음과 같이 썼습니다. "그 부품이 에너지 저장에 사용된다면 정확히 어떤 일이 일어나고 있는지는 알 수 없지만, 그것은 극도로 높은 용량으로 이어집니다."

제너럴 일렉트릭은 이 작업을 즉시 추진하지 않았습니다. 1966년에 오하이오 표준 석유(SOHIO)의 연구원들은 실험적인 연료 전지 설계를 하는 동안 "전기 에너지 저장 장치"로서 부품의 또 다른 버전을 개발했습니다.^[9][10] 이 특허에서는 전기화학적 에너지 저장의 특성에 대해 설명하지 않았습니다. 1970년에도 도날드 L이 특허 출원한 전기화학 커패시터. 부스는 활성탄 전극을 가진 전해 커패시터로 등록되었습니다.^[11]

초기 전기화학 커패시터는 활성탄(전극)으로 덮인 두 개의 알루미늄 포일을 사용했는데, 이 포일은 전해질에 적셔 얇은 다공성 절연체로 분리되었습니다. 이 설계는 동일한 치수의 전해 커패시터보다 훨씬 높은 1패럴 정도의 정전용량을 갖는 커패시터를 제공했습니다. 이 기본적인 기계 설계는 대부분의 전기 화학 커패시터의 기본으로 남아 있습니다.

SOHIO는 자신들의 발명품을 상용화하지 않았고, 1978년 마침내 "슈퍼커패시터"로 결과를 마케팅한 NEC에 컴퓨터 메모리에 백업 전력을 제공하는 기술을 라이선스했습니다.^[10]

1975년에서 1980년 사이에 Brian Evans Conway는 산화 루테늄 전기 화학 커패시터에 대한 광범위한 기초 및 개발 작업을 수행했습니다. 1991년에 그는 전기 화학 에너지 저장에서 "슈퍼커패시터"와 "배터리" 행동의 차이를 설명했습니다. 1999년에 그는 전극과 이온 사이의 파라다이드 전하 이동과 함께 표면 산화환원 반응에 의해 관찰된 정전용량의 증가를 언급하기 위해 "슈퍼커패시터"라는 용어를 정의했습니다.^[12][13] 그의 "슈퍼커패시터"는 부분적으로는 헬름홀츠 이중층에 전하를 저장하고, 부분적으로는 전극과 전해질 사이에 전자와 양성자의 "의사 정전용량" 전하 이동과 함께 기생하는 반응의 결과로 전하를 저장했습니다. 의사 커패시터의 작동 메커니즘은 산화환원 반응, 삽입 및 전기흡착(표면에 흡착)입니다. 콘웨이는 그의 연구로 전기화학 커패시터에 대한 지식을 크게 확장했습니다.

시장이 천천히 확장되었습니다. 1978년경 파나소닉이 골드캡스 브랜드를 마케팅하면서 상황이 바뀌었습니다.^[14] 이 제품은 메모리 백업 애플리케이션의 성공적인 에너지원이 되었습니다.^[10] 경쟁은 불과 몇 년 후에 시작되었습니다. 1987년 ELNA "Dynacap"이 시장에 진출했습니다.^[15] 1세대 EDLC는 방전 전류를 제한하는 내부 저항이 상대적으로 높았습니다. SRAM 칩 전원 공급과 같은 저전류 애플리케이션이나 데이터 백업에 사용되었습니다.

1980년대 말 전극 재료의 개선으로 캐패시턴스 값이 증가했습니다. 동시에 전도성이 더 우수한 전해질의 개발은 충방전 전류를 증가시키는 등가 직렬 저항(ESR)을 낮췄습니다. 내부 저항이 낮은 최초의 슈퍼커패시터는 1982년 피너클 연구소(PRI)를 통해 군사용으로 개발되어 "PRI 울트라커패시터"라는 브랜드로 시판되었습니다. 1992년 맥스웰 연구소(이후 맥스웰 테크놀로지스)가 이 개발을 인수했습니다. Maxwell은 PRI에서 Ultra Capacitor라는 용어를 채택하여 전력 애플리케이션에 대한 사용을 강조하기 위해 이 용어를 "Boost Caps"^[16]라고 불렀습니다.

커패시터의 에너지 함량은 전압의 제곱에 따라 증가하기 때문에 연구자들은 전해질의 항복 전압을 증가시킬 수 있는 방법을 찾고 있었습니다. 1994년 200V 고전압 탄탈륨 전해 커패시터의 양극을 사용한 David A. Evans는 "전기분해-하이브리드 전기화학 커패시터"를 개발했습니다.^[17][18] 이 커패시터는 전해 커패시터와 전기 화학 커패시터의 기능을 결합합니다. 이들은 전해 커패시터에서 나오는 양극의 높은 유전 강도와 전기 화학 커패시터에서 나오는 의사 용량 금속 산화물(루테늄(IV) 산화물) 음극의 높은 용량을 결합하여 하이브리드 전기 화학 커패시터를 생성합니다. Evans의 커패시터인 Capattery는 같은 크기의 탄탈륨 전해 커패시터보다 에너지 함량이 약 5배 높았습니다.^[19][20] 높은 비용으로 인해 특정 군사 용도로 제한되었습니다.

최근의 개발에는 리튬 이온 커패시터가 포함됩니다. 이 하이브리드 커패시터는 2007년 후지쯔의 FDK가 개척한 제품입니다.^[21] 정전기 탄소 전극과 미리 도핑된 리튬 이온 전기 화학 전극을 결합합니다. 이 조합은 캐패시턴스 값을 증가시킵니다. 또한 프리도핑 공정은 애노드 전위를 낮추고 셀 출력 전압을 높게 만들어 비에너지를 더욱 증가시킵니다.

많은 기업과 대학에서^[22] 활동하고 있는 연구 부서는 특정 에너지, 특정 전력, 사이클 안정성 등의 특성을 개선하고 생산 비용을 절감하기 위해 노력하고 있습니다.

설계.

기본설계

전기화학 커패시터(supercapacitor)는 이온 투과막(separator)에 의해 분리된 두 개의 전극과 두 전극을 전해질 이온적으로 연결하는 전극으로 구성됩니다. 인가된 전압에 의해 전극이 극성화되면 전해질의 이온은 전극의 극성과 반대 극성의 전기 이중층을 형성합니다. 예를 들어, 양극 극성 전극은 음극 층에 흡착되는 양이온의 전하 균형 층과 함께 전극/전해질 계면에 음이온 층을 갖게 됩니다. 음의 편광 전극의 경우는 그 반대입니다.

또한, 일부 이온은 전극 재료 및 표면 형상에 따라 이중층에 침투하여 특이적으로 흡착된 이온이 될 수 있으며, 슈퍼커패시터의 전체 용량에 의사 정전용량으로 기여할 수 있습니다.

커패시턴스 분포

두 개의 전극은 두 개의 개별 커패시터 C₁ 및 C로₂ 구성된 직렬 회로를 형성합니다. 총 정전용량 C는_total 공식에 의해 주어집니다.

${\displaystyle C_{\text{total}}={\frac {C_{1}\cdot C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}}$

슈퍼커패시터는 대칭 또는 비대칭 전극을 가질 수 있습니다. 대칭은 두 전극이 동일한 커패시턴스 값을 가짐으로써 각 단일 전극 값의 절반에 해당하는 총 커패시턴스를 산출한다는 것을 의미합니다(C = C인 경우 C = ½ C). 비대칭 커패시터의 경우, 전체 용량은 더 작은 용량을 가진 전극의 용량으로 사용할 수 있습니다(C > > C인 경우, C ≈ C).

저장 원리

전기화학 커패시터는 이중층 효과를 사용하여 전기 에너지를 저장하지만, 이 이중층에는 전하를 분리하는 기존의 고체 유전체가 없습니다. 전극의 전기 이중층에는 전기화학 커패시터의 총 용량에 기여하는 두 가지 저장 원리가 있습니다.^[23]

• 2층 정전용량, 헬름홀츠 2층의 전하 분리로 달성되는 전기 에너지의 정전식 저장.^[24]
• 의사 정전용량, 전기 에너지의 전기 화학적 저장. 원래 유형은 전하 이동과 함께 파라다익 산화환원 반응을 사용합니다.^[16]

두 용량 모두 측정 기술로만 분리할 수 있습니다. 전기화학 커패시터의 단위 전압당 저장되는 전하량은 주로 전극 크기의 함수이지만, 각 저장 원리의 용량은 매우 다양할 수 있습니다.

전기 이중층 정전용량

모든 전기화학 커패시터에는 분리막에 의해 기계적으로 분리된 두 개의 전극이 있으며, 이 전극은 전해질을 통해 서로 이온적으로 연결됩니다. 전해질은 물과 같은 용매에 용해된 양이온과 음이온의 혼합물입니다. 두 개의 전극 표면 각각에는 액체 전해질이 전극의 전도성 금속 표면과 접촉하는 영역이 발생합니다. 이 계면은 불용성 고체 전극 표면 및 인접한 액체 전해질과 같은 물질의 서로 다른 두 상 사이에 공통 경계를 형성합니다. 이 계면에서는 이중층 효과라는 매우 특별한 현상이 발생합니다.^[25]

전기화학 커패시터에 전압을 인가하면 커패시터의 두 전극이 모두 전기 이중층을 생성합니다. 이 이중층은 두 개의 전하층으로 구성되어 있습니다: 하나의 전자층은 전극의 표면 격자 구조에 있고, 다른 하나는 반대 극성의 전자층은 전해질의 용해된 이온과 용해된 이온에서 나옵니다. 두 층은 용매 분자의 단일층에 의해 분리되는데, 예를 들어 물 분자에 의해 용매로서 물에 대해 내부 헬름홀츠 평면(IHP)이라고 합니다. 용매 분자는 전극 표면에 물리적 흡착에 의해 달라붙어 반대로 분극된 이온을 서로 분리시켜 분자 유전체로 이상화할 수 있습니다. 그 과정에서 전극과 전해질 사이에 전하의 이동이 없기 때문에 접착을 일으키는 힘은 화학적 결합이 아니라 물리적 힘, 예를 들어 정전기적 힘입니다. 흡착된 분자는 분극화되지만 전해질과 전극 사이의 전하 전달 부족으로 인해 화학적 변화를 겪지 않았습니다.

전극의 전하량은 외부 헬름홀츠 평면(OHP)의 역전하 크기와 일치합니다. 이 이중층 현상은 기존 커패시터와 같이 전하를 저장합니다. 이중층 전하는 인가된 전압의 세기에 해당하는 IHP의 용매 분자층에 정전기장을 형성합니다.

이중층은 단일 분자의 두께를 가지지만 기존 커패시터에서 대략 유전층 역할을 합니다. 따라서 기존 플레이트 커패시터의 표준 공식을 사용하여 용량을 계산할 수 있습니다.^[26]

${\displaystyle C}$ ${\displaystyle =}$ $Ad$ {\$displaysty$A$\}\{$d}}.

따라서, 정전용량 C는 높은 유전율 ε, 큰 전극판 표면적 A 및 플레이트 d 사이의 거리가 작은 재료로 제조된 커패시터에서 가장 큽니다. 따라서 이중층 커패시터는 활성탄 전극의 표면적이 매우 넓고 이중층 거리가 매우 얇은 데바이 길이(0.3-0.8 nm) 정도로 커져서 기존 커패시터보다 훨씬 높은 캐패시턴스 값을 갖습니다.^[16][24]

전극과 전하 축적 영역 사이의 최소 거리가 ~0.05 nm의 원자에서 음전하와 양전하 사이의 일반적인 거리보다 작을 수 없다고 가정하면, 비파라다식 커패시터의 경우 ~18 µ F/cm의 일반적인 정전용량 상한이 예측되었습니다.

이중층 SC의 탄소 전극의 주요 단점은 이온 공간 전하의 용량과 직렬로^[28] 작용하는 양자 용량의^{[citation needed]} 작은 값입니다. 따라서 SC에서 정전용량 밀도의 추가 증가는 탄소 전극 나노구조의 양자 정전용량 증가와 연결될 수 있습니다.^{[citation needed]}

전기화학 커패시터의 단위 전압당 저장되는 전하량은 주로 전극 크기의 함수입니다. 이중층의 정전기적 에너지 저장은 저장된 전하에 대해 선형이며 흡착된 이온의 농도에 해당합니다. 또한, 종래의 커패시터에서 전하가 전자를 통해 전달되는 반면, 이중층 커패시터에서 커패시턴스는 전해질 내 이온의 제한된 이동 속도 및 전극의 저항성 다공성 구조와 관련이 있습니다. 전극이나 전해질 내에서는 화학적 변화가 일어나지 않기 때문에 원칙적으로 전기 이중층의 충·방전은 무제한입니다. 실제 슈퍼커패시터의 수명은 전해질 증발 효과에 의해서만 제한됩니다.

전기화학적 의사정전용량

전기화학 커패시터 단자에 전압을 인가하면 전해질 이온이 반대 극성 전극으로 이동하고 용매 분자의 단일층이 분리막 역할을 하는 이중층을 형성합니다. 의사 정전용량은 전해질에서 특정하게 흡착된 이온이 이중층에 스며들 때 발생할 수 있습니다. 이 의사 정전용량은 전기 이중층이 있는 전기화학 커패시터에서 적절한 전극 표면에 가역적인 파라다이드 산화환원 반응을 통해 전기 에너지를 저장합니다.^{[12][23][24][29][30]} 의사 정전용량은 용해되고 흡착된 이온에서 나오는 전해질과 전극 사이의 전자 전하 이동을 동반하며, 전하 단위당 하나의 전자만 참여합니다. 이 파라다이드 전하 이동은 가역적 산화환원, 인터칼레이션 또는 전기흡착 과정의 매우 빠른 시퀀스에 의해 시작됩니다. 흡착된 이온은 전하 이동만 일어나기 때문에 전극의 원자와 화학 반응을 일으키지 않습니다(화학 결합은 일어나지^[31] 않습니다).

파라다익 과정에 관여하는 전자는 산화환원 전극 시약의 원자가 전자 상태(궤도)로 전달되거나 전달됩니다. 그들은 음극으로 들어가 외부 회로를 통해 같은 수의 음이온을 가진 두 번째 이중층이 형성된 양극으로 흐릅니다. 양극에 도달한 전자는 이중층을 형성하는 음이온으로 전달되지 않고 전극 표면의 강한 이온화 및 "전자 배고픈" 전이 금속 이온에 남아 있습니다. 이와 같이, 파라다익 의사 정전용량의 저장 용량은 사용 가능한 표면의 유한한 양의 시약에 의해 제한됩니다.

파라다이아믹 의사정전용량은 정적인 이중층 정전용량과 함께만 발생하며, 그 크기는 전극의 성질과 구조에 따라 동일한 표면적에 대한 이중층 정전용량의 값을 100배 초과할 수 있는데, 모든 의사정전용량 반응은 용해되지 않은 이온으로만 이루어지기 때문에, 용해성 껍질을 가진 용해성 이온보다 훨씬 작습니다.^[12][29] 의사 정전용량의 양은 흡착된 음이온의 잠재적인 표면 범위 정도에 따라 결정되는 좁은 한계 내에서 선형 함수를 갖습니다.

산화환원 반응, 삽입 또는 전기흡착에 의한 의사 정전용량 효과를 달성하는 전극의 능력은 전극 표면에 흡착된 이온에 대한 전극 재료의 화학적 친화도와 전극 기공의 구조 및 치수에 크게 의존합니다. 유사 커패시터에서 전극으로 사용하기 위해 산화환원 거동을 나타내는 물질은 활성 탄소와 같은 전도성 전극 물질에 도핑에 의해 삽입된 RuO₂, IrO₂ 또는 MnO와₂ 같은 전이금속 산화물 및 전극 물질을 덮는 폴리아닐린 또는 폴리티오펜의 유도체와 같은 전도성 고분자입니다.

의사 정전용량에 저장된 전하량은 인가된 전압에 선형적으로 비례합니다. 의사 정전 용량의 단위는 정전 용량의 단위와 동일하게 멀리 떨어져 있습니다.

기존의 배터리형 전극 소재도 화학 반응을 이용하여 전하를 저장하지만, 방전 속도가 확산 속도에 의해 제한되기 때문에 매우 다른 전기적 프로파일을 보여줍니다. 이러한 물질들을 나노 스케일로 분쇄하면 확산 한계에서 벗어나 의사 용량 거동이 가능해져 외부 의사 용량 소자가 됩니다. Chodankar et al. 2020, 그림 2는 벌크 LiCoO₂, 나노 LiCoO₂, 산화환원 의사 커패시터(RuO₂) 및 삽입 의사 커패시터(T-NbO₂₅)에 대한 대표적인 전압-용량 곡선을 보여줍니다.^{[32]: 5}

비대칭 커패시터

슈퍼커패시터는 전극에서 다양한 재료와 원리로 만들 수도 있습니다. 이 두 물질 모두 빠른 슈퍼커패시터형 반응(커패시턴스 또는 의사커패시턴스)을 사용하면 그 결과를 비대칭 커패시터라고 합니다. 두 전극은 서로 다른 전위를 가지며, 적절한 밸런싱과 결합하면 수명이나 전류 용량의 손실 없이 에너지 밀도가 향상됩니다.^{[32]: 8}

하이브리드 커패시터

많은 새로운 슈퍼커패시터는 "하이브리드"입니다: 한 전극만 빠른 반응(커패시턴스 또는 의사 커패시턴스)을 사용하고 다른 전극은 더 "배터리와 같은"(더 느리지만 더 높은 용량) 물질을 사용합니다. 예를 들어, EDLC 양극은 활성탄-Ni(₂OH) 음극과 결합될 수 있으며, 후자는 느린 파라다이드 물질입니다. 하이브리드 커패시터와 프로파일은 배터리와 SC 사이의 모양으로 SC와 더 유사합니다. 하이브리드 커패시터는 에너지 밀도가 훨씬 높지만 전극 속도가 느려 사이클 수명과 전류 용량이 열악합니다.^{[32]: 7}

전위분포

세라믹 콘덴서 및 필름 콘덴서와 같은 종래의 콘덴서(정전 콘덴서라고도 함)는 유전체 재료에 의해 분리된 두 개의 전극으로 구성됩니다. 충전하면 에너지가 전극 사이의 유전체에 스며드는 정전기장에 저장됩니다. 총 에너지는 저장된 전하량에 따라 증가하며, 이는 다시 플레이트 사이의 전위(전압)와 선형적으로 상관관계가 있습니다. 플레이트 간의 최대 전위차(최대 전압)는 유전체의 파괴장 강도에 의해 제한됩니다. 대부분의 전위가 양극의 얇은 산화물층에 걸쳐 감소하는 전해 커패시터에도 동일한 정적 스토리지가 적용됩니다. 다소 저항성이 있는 액체 전해질(캐소드)은 "습윤" 전해 커패시터의 작은 전위 감소를 설명하는 반면, 고체 전도성 폴리머 전해질을 사용하는 전해 커패시터는 이러한 전압 강하를 무시할 수 있습니다.

이와 달리, 전기화학 커패시터(supercapacitor)는 이온 투과막(separator)에 의해 분리되고 전해질을 통해 전기적으로 연결된 두 개의 전극으로 구성됩니다. 에너지 저장은 이중층 정전용량과 의사 정전용량의 혼합물로서 두 전극의 이중층 내에서 발생합니다. 두 전극이 거의 동일한 저항(내부 저항)을 가질 경우 커패시터의 전위가 두 이중층 모두에서 대칭적으로 감소하여 전해질의 등가 직렬 저항(ESR)에 걸쳐 전압 강하가 이루어집니다. 하이브리드 커패시터와 같은 비대칭 슈퍼커패시터의 경우 전극 간 전압 강하가 비대칭일 수 있습니다. 캐패시터 전체의 최대 전위(최대 전압)는 전해질 분해 전압에 의해 제한됩니다.

슈퍼커패시터의 정전기 및 전기화학 에너지 저장은 기존 커패시터와 마찬가지로 저장된 전하에 따라 선형입니다. 축전기 단자 사이의 전압은 저장된 에너지의 양에 따라 선형입니다. 이러한 선형 전압 구배는 단자 사이의 전압이 저장된 에너지의 양과 독립적으로 유지되어 비교적 일정한 전압을 제공하는 충전식 전기 화학 배터리와 다릅니다.

다른 스토리지 기술과의 비교

슈퍼커패시터는 전해 커패시터 및 충전식 배터리, 특히 리튬 이온 배터리와 경쟁합니다. 다음 표는 세 가지 주요 슈퍼커패시터 제품군의 주요 매개변수를 전해 커패시터 및 배터리와 비교한 것입니다.

슈퍼커패시터의 성능 파라미터
전해 커패시터 및 리튬 이온 배터리와^{[citation needed]} 비교할 때

매개변수	알루미늄 전해의 콘덴서	슈퍼커패시터				리튬이온 건전지
		이중층 콘덴서 (메모리 백업)	의사 커패시터	하이브리드(Li-ion)	NTGS EDLC[33] (실험)
온도범위, 섭씨(°C)	-40 ~ +125 °C	-40 ~ +70 °C	-20 ~ +70 °C	-20 ~ +70 °C		-20 ~ +60 °C
최대 충전, 볼트(V)	4 - 630V	1.2~3.3V	2.2~3.3V	2.2~3.8V	~ 4.0V	2.5~4.2V
충전 사이클, 수천(k)	<무제한.	100k – 1000k	100k – 1000k	20k – 100k	>20k.	0.5 k – 10 k
정전용량, 패럴트 (F)	≤ 2.7F	0.1 ~ 470F	100~12000F	화씨 300~3300도		—
특정 에너지, 전력 시간 킬로그램당 (Wh/kg)	0.01 – 0.3 Wh/kg	1.5 – 3.9 Wh/kg	4 – 9 Wh/kg	10 – 15 Wh/kg	206 Wh/kg	100 – 265 Wh/kg
특정 전력, 와트당 그램(W/g)	>100W/g.	2 – 10 W/g	3 – 10 W/g	3 – 14 W/g	32 W/g	0.3 ~ 1.5 W/g
자가방전 상온의 시간	짧다 (일수)	중간의 (weeks)	중간의 (weeks)	긴 (월)		긴 (월)
효율성(%)	99%	95%	95%	90%		90%
방에서의 직장생활 일시, 년(y)	>20y.	5 ~ 10 y	5 ~ 10 y	5 ~ 10 y		3 ~ 5년

전해 커패시터는 거의 무제한적인 충방전 사이클, 높은 유전체 강도(최대 550V) 및 낮은 주파수 범위에서 교류(AC) 리액턴스로서 우수한 주파수 응답을 특징으로 합니다. 슈퍼커패시터는 전해커패시터보다 10~100배 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만 AC 적용은 지원하지 않습니다.

충전식 배터리와 관련하여 슈퍼커패시터는 더 높은 피크 전류, 사이클당 낮은 비용, 과충전의 위험이 없으며 우수한 가역성, 부식되지 않는 전해질 및 낮은 재료 독성을 특징으로 합니다. 배터리는 낮은 구매 비용과 방전 시 안정적인 전압을 제공하지만, 단락이 발생하면 에너지 손실과 스파크 위험이 발생하는 복잡한 전자 제어 및 스위칭 장비가 필요합니다.^{[clarification needed]}

스타일

슈퍼커패시터는 한 쌍의 전극으로 납작하게 만들어지거나 원통형 케이스에 감겨지거나 직사각형 케이스에 적층되는 등 다양한 스타일로 만들어집니다. 광범위한 용량 값을 포함하기 때문에 케이스의 크기는 다양할 수 있습니다.

슈퍼커패시터는 2개의 금속 포일(current collector)로 구성되며, 각각은 활성탄과 같은 전극 재료로 코팅되며, 이는 전극 재료와 커패시터의 외부 단자 사이의 전원 연결 역할을 합니다. 특히 전극 재료의 표면적은 매우 큽니다. 이 예에서는 활성탄이 전기화학적으로 에칭되어 재료의 표면적이 매끄러운 표면보다 약 100,000배 더 큽니다. 전극은 단락으로부터 전극을 보호하기 위한 절연체로 사용되는 이온 투과성 멤브레인(분리막)에 의해 분리됩니다. 이 구조는 이후에 원통형 또는 직사각형 형태로 말려지거나 접혀지며 알루미늄 캔 또는 적응 가능한 직사각형 하우징에 적층될 수 있습니다. 그런 다음 셀에 유기 또는 수성 유형의 액체 또는 점성 전해질이 함침됩니다. 이온 전도체인 전해질은 전극의 기공으로 들어가 분리막을 가로지르는 전극 사이의 전도성 연결 역할을 합니다. 마지막으로 하우징은 기밀 밀봉되어 지정된 수명 동안 안정적인 동작을 보장합니다.

종류들

전기 에너지는 두 가지 저장 원리, 즉 정적 이중층 정전용량과 전기화학적 의사 정전용량을 통해 슈퍼커패시터에 저장되며, 두 가지 유형의 정전용량의 분포는 전극의 재료와 구조에 따라 달라집니다. 저장 원리에 따라 슈퍼커패시터는 세 가지 유형이 있습니다.^[16][24]

• 이중층 커패시터(EDLC): 활성탄 전극 또는 전기화학적 의사 정전용량보다 훨씬 높은 정전기적 이중층 정전용량을 갖는 유도체 포함
• 의사 커패시터: 전이금속 산화물 또는 전기화학적 의사용량이 높은 전도성 고분자 전극 포함
• 하이브리드 커패시터: 비대칭 전극이 있는 경우, 그 중 하나는 대부분 정전기적 용량을 나타내고 다른 하나는 리튬 이온 커패시터와 같이 대부분 전기 화학적 용량을 나타냅니다.

이중층 커패시턴스와 의사 커패시턴스는 모두 전기화학 커패시터의 총 커패시턴스 값에 불가분하게 기여하기 때문에, 이러한 커패시턴스에 대한 정확한 설명은 일반적인 용어에서만 제공될 수 있습니다. 슈퍼커패시터와 충전식 배터리와 같이 작동하는 하이브리드 장치를 더 잘 표현하기 위해 최근 슈퍼커패시터와 슈퍼커패시터의 개념이 제안되었습니다.^[34]

슈퍼커패시터의 커패시턴스 값은 두 가지 저장 원리에 의해 결정됩니다.

• 이중층 정전용량 – 전도체 전극 표면과 전해용액 전해질 사이의 경계면에 있는 헬름홀츠 이중층에서 전하가 분리되어 얻어지는 전기 에너지의 정전기적 저장. 이중층에서 전하 거리의 분리는 대략 몇 å스트롬(0.3–0.8 nm) 정도이며, 원점에서 정적입니다.
• 의사 정전용량 – 특정 흡착된 이온에 의한 전극 표면의 산화 환원 반응, 전기 흡착 또는 삽입에 의해 달성되는 전기 에너지의 전기 화학적 저장으로, 전극 위에서 가역적인 파라다이드 전하 전달이 발생합니다.^[16]

이중층 커패시턴스와 의사 커패시턴스는 모두 슈퍼커패시터의 총 커패시턴스 값에 불가분하게 기여합니다.^[23] 하지만 전극의 설계와 전해질의 구성에 따라 둘의 비율은 크게 달라질 수 있습니다. 의사 정전용량은 그 자체로 이중층보다 정전용량 값을 10배나 증가시킬 수 있습니다.^[12][29]

전기 이중층 커패시터(EDLC)는 에너지 저장이 주로 이중층 정전용량에 의해 달성되는 전기화학 커패시터입니다. 과거에는 모든 전기화학 커패시터를 "이중층 커패시터"라고 불렀습니다. 현대의 사용법은 의사 커패시터와 함께 이중층 커패시터를 슈퍼 커패시터라고 하는 더 큰 전기화학 커패시터^[12][29] 제품군의 일부로 보고 있습니다. 그들은 또한 울트라 커패시터로 알려져 있습니다.

자재

슈퍼커패시터의 특성은 내부 물질의 상호 작용에서 비롯됩니다. 특히 전극 재료와 전해질의 종류의 조합에 따라 콘덴서의 기능성과 열적, 전기적 특성이 결정됩니다.

전극

슈퍼커패시터 전극은 일반적으로 얇은 코팅이 적용되고 전도성 금속 집전체에 전기적으로 연결됩니다. 전극은 우수한 전도성, 고온 안정성, 장기적인 화학적 안정성(불투명성), 높은 내식성 및 단위 부피 및 질량당 높은 표면적을 가져야 합니다. 다른 요구 사항에는 환경 친화성과 저렴한 비용이 포함됩니다.

슈퍼커패시터의 단위 전압당 저장되는 의사 커패시턴스뿐만 아니라 이중층의 양은 주로 전극 표면적의 함수입니다. 따라서 슈퍼커패시터 전극은 일반적으로 활성탄과 같이 비표면적이 매우 높은 다공성 스펀지 재질로 구성됩니다. 또한, 전극 재료가 파라다믹 전하 전달을 수행하는 능력은 총 커패시턴스를 향상시킵니다.

일반적으로 전극의 기공이 작을수록 커패시턴스와 비에너지가 커집니다. 그러나 기공이 작으면 등가 직렬 저항(ESR)이 증가하고 비전력이 감소합니다. 피크 전류가 높은 애플리케이션은 더 큰 기공이 필요하고 내부 손실이 적습니다. 반면, 높은 비에너지를 필요로 하는 애플리케이션은 작은 기공이 필요합니다.

EDLC용 전극

슈퍼커패시터에 가장 일반적으로 사용되는 전극 재료는 활성탄(AC), 탄소 섬유보(AFC), 탄화물 유래 탄소(CDC),^[35][36] 탄소 에어로겔, 흑연(그래핀), 그래핀^[37] 및 탄소 나노튜브(CNT)와 같은 다양한 형태의 탄소입니다.^[23][38][39]

탄소 기반 전극은 기공 크기 분포에 따라 소량의 의사 정전용량도 존재할 수 있지만 주로 정적 이중층 정전용량을 나타냅니다. 탄소의 기공 크기는 일반적으로 미세기공(2 nm 미만)에서 메조기공(2-50 nm)까지 다양하지만,^[40] 미세기공(<2 nm)만이 의사 정전용량에 기여합니다. 기공 크기가 용매 껍질 크기에 가까워짐에 따라 용매 분자가 배제되고 용해되지 않은 이온만 기공을 채웁니다(큰 이온의 경우에도). 파라다익 H
₂ 삽입에 의해 이온 패킹 밀도와 저장 능력이 향상됩니다.^[23]

활성탄

활성탄은 EDLC 전극을 위해 선택된 첫 번째 물질이었습니다. 전기 전도도가 금속(1,250~2,000 S/m)의 약 0.003%이지만 슈퍼커패시터에 충분합니다.^[24][16] 활성탄은 높은 비표면적을 가진 매우 다공성 형태의 탄소입니다. 일반적인 근사치는 1그램(0.035온스)(연필 지우개 크기)의 표면적이 약 1,000~3,000 평방미터(11,000~32,000 평방피트)^[38][40]이며 테니스 코트 4~12개 정도의 크기입니다. 전극에 사용되는 벌크 형태는 기공이 많은 저밀도로 이중층 정전용량이 높습니다. 고체 활성탄(solid activated carbon, CAC)은 슈퍼커패시터에 가장 많이 사용되는 전극 재료이며 다른 탄소 유도체보다 저렴할 수 있습니다.^[41] 원하는 모양으로 눌러진 활성탄 분말에서 생성되어 기공 크기가 넓게 분포된 블록을 형성합니다. 약 1000 m²/g의 표면적을 갖는 전극은 약 10 μF/cm의² 전형적인 이중층 정전용량과 100 F/g의 비 정전용량을 갖습니다. 2010년^[update] 현재 거의 모든 상업용 슈퍼커패시터는 코코넛 껍질로 만든 분말 활성탄을 사용합니다.^[42] 코코넛 껍질은 나무로 만든 숯보다 더 많은 미세 기공을 가진 활성탄을 생산합니다.^[40]

활성탄섬유

활성탄 섬유(ACF)는 활성탄에서 생산되며 일반적인 직경은 µm입니다. 그들은 쉽게 제어할 수 있는 매우 좁은 기공 크기 분포를 가진 미세 기공을 가질 수 있습니다. 직물로 직조된 ACF의 표면적은 약 2500m²/g입니다. ACF 전극의 장점은 파이버 축을 따라 낮은 전기 저항과 컬렉터와의 접촉이 좋다는 것입니다.^[38] 활성탄의 경우, ACF 전극은 미세 기공으로 인해 소량의 의사 정전용량을 갖는 이중층 정전용량이 대부분입니다.

카본 에어로겔

카본 에어로겔은 겔의 액체 성분이 가스로 대체된 유기 겔에서 파생된 다공성, 합성성, 초경량 재료입니다. 에어로겔 전극은 레조시놀-포름알데히드 에어로겔의^[43] 열분해를 통해 만들어지며 대부분의 활성탄보다 전도성이 뛰어납니다. 수백 마이크로미터(µm) 범위의 두께와 균일한 기공 크기로 얇고 기계적으로 안정적인 전극을 가능하게 합니다. 에어로겔 전극은 또한 고진동 환경에서 사용되는 슈퍼커패시터에 기계적 및 진동 안정성을 제공합니다. 연구진은 중량 밀도가 약 400–1200 m/g이고² 체적 용량이 104 F/cm인³ 탄소 에어로겔 전극을 개발하여 325 kJ/kg(90 Wh/kg)의 비에너지와 20 W/g의 비전력을 산출했습니다.^[44][45] 표준 에어로겔 전극은 주로 이중층 정전용량을 나타냅니다. 복합 재료를 통합한 에어로겔 전극은 많은 양의 의사 정전용량을 추가할 수 있습니다.^[46]

탄화물 유래 탄소

조정 가능한 나노다공성 탄소(tunable nanoporous carbon)라고도 알려진 탄화물 유래 탄소(carbide-derived carbon, CDC)는 물리적인 예를 들어 열 분해 또는 화학적인 예를 들어 할로겐화(halonation) 공정을 통해 순수한 탄소로 변환되는 2원계 탄화 실리콘 및 티타늄 카바이드와 같은 탄화물 전구체로부터 유래된 탄소 물질의 계열입니다.^[47][48] 탄화물 유래 탄소는 이온 구속을 최대화하기 위해 높은 표면적과 조정 가능한 기공 직경(미세 기공에서 중간 기공까지)을 나타낼 수 있으며, 파라다익 H
₂ 흡착 처리에 의해 의사 정전용량이 증가합니다. 맞춤형 기공 설계가 적용된 CDC 전극은 기존 활성탄보다 최대 75% 더 큰 비에너지를 제공합니다. 2015년^[update] 현재 CDC 슈퍼커패시터는 10.1 Wh/kg의 특정 에너지, 3,500 F 커패시턴스 및 100만 회 이상의 충전-방전 사이클을 제공했습니다.^[49]

그래핀

그래핀은 원자 하나 두께의 흑연 시트로, 원자들이 규칙적인 육각형 패턴으로 배열되어 있으며,^[50][51] "나노복합 종이"라고도 불립니다.^[52]

그래핀의 이론적 비표면적은 2630m²/g으로 이론적으로 550F/g의 정전용량을 얻을 수 있습니다. 또한 활성탄에 비해 그래핀의 장점은 전기 전도도가 높다는 것입니다. 2012년^[update] 현재 새로운 개발은 휴대용 애플리케이션을 위한 수집기 없이 그래핀 시트를 전극으로 직접 사용했습니다.^[53][54]

일 실시예에서, 그래핀 기반 슈퍼커패시터는 대면적으로 적층되지 않는 곡선형 그래핀 시트를 사용하여 최대 4V 전압에서 이온 전해질에 의해 접근 가능하고 젖을 수 있는 메조기공을 형성합니다. 상온에서 85.6 Wh/kg(308 kJ/kg)의 특정 에너지를 얻을 수 있으며, 이는 기존 니켈 금속 하이드라이드 배터리와 동일합니다. 그러나 100-1000배 더 큰 특정 전력으로.^[55][56]

그래핀의 2차원 구조는 충전과 방전을 향상시킵니다. 수직 배향 시트의 전하 캐리어는 전극의 더 깊은 구조로 빠르게 이동하거나 전극 밖으로 이동하여 전류를 증가시킬 수 있습니다. 이러한 커패시터는 다른 탄소 재료를 사용하는 슈퍼커패시터에는 도달할 수 없는 100/120Hz 필터 애플리케이션에 적합할 수 있습니다.^[57]

탄소나노튜브

버키튜브라고도 불리는 탄소나노튜브(CNT)는 원통형 나노구조를 가진 탄소 분자입니다. 그들은 원자 두께의 흑연 한 장으로 벽이 형성된 중공 구조를 가지고 있습니다. 이러한 시트는 특정 각도와 이산 각도("키랄")로 롤링되며, 키랄 각도와 반경의 조합은 전기 전도도, 전해질 습윤성 및 이온 접근성과 같은 특성을 제어합니다. 나노튜브는 단일벽 나노튜브(SWNT) 또는 다중벽 나노튜브(MWNT)로 분류됩니다. 후자는 러시아 마트료시카 인형처럼 SWNT를 연속적으로 감싸는 하나 이상의 외부 튜브를 가지고 있습니다. SWNT의 직경은 1~3nm입니다. MWNT는 그래핀의 층간 거리에 가까운 간격(0.34nm)으로 분리된 두꺼운 동축 벽을 가지고 있습니다.

나노튜브는 실리콘 웨이퍼와 같은 수집기 기판에서 수직으로 성장할 수 있습니다. 일반적인 길이는 20~100 µm입니다.

탄소 나노 튜브는 습윤성이 높고 전도성이 높기 때문에 커패시터 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.^[59][60]

Delaura University of Delaura에서 수성 전해질을 사용하는 SWNT 기반 슈퍼커패시터를 체계적으로 연구했습니다. 빙칭웨이 일행. Li et al. 은 음이온과 양이온이 다른 1 몰계 수성 전해질에서 이온 크기 효과와 전극-전해질 습윤성이 유연한 SWCNTs-슈퍼커패시터의 전기화학적 거동에 영향을 미치는 지배적인 요인임을 처음으로 발견했습니다. 실험 결과 또한 유연 슈퍼커패시터의 경우 수성 전해질 CNT 슈퍼커패시터를 개선하기 위해 두 전극 사이에 충분한 압력을 가하는 것이 제안됨을 보여주었습니다.^[61]

CNT는 단위 표면적당 활성탄과 거의 같은 전하를 저장할 수 있지만 나노튜브의 표면은 규칙적인 패턴으로 배열되어 있어 젖음성이 더 큽니다. SWNT는 1315² m/g의 높은 이론적 비표면적을 가지고 있는 반면, MWNT의 경우는 약 3000 m²/g의 활성탄 표면적에 비해 더 낮고 튜브의 직경과 둥지의 정도에 의해 결정됩니다. 그럼에도 불구하고 CNT는 활성탄 전극, 예를 들어 MWNT의 경우 102 F/g, SWNT의 경우 180 F/g과 같은 높은 용량을 갖습니다.^{[citation needed]}

MWNT에는 전극-전해질 계면에서 이온에 쉽게 접근할 수 있는 메조기공이 있습니다. 기공 크기가 이온 용해 껍질의 크기에 가까워지면 용매 분자가 부분적으로 제거되어 이온 패킹 밀도가 커지고 파라다이드 저장 능력이 향상됩니다. 그러나 반복되는 삽입 및 고갈 동안의 상당한 부피 변화는 기계적 안정성을 저하시킵니다. 이를 위해 표면적, 기계적 강도, 전기 전도도 및 화학적 안정성을 높이기 위한 연구가 지속되고 있습니다.^[59][62][63]

의사 커패시터용 전극

MnO와₂ RuO는₂ 용량성 전극의 전기화학적 특징(전류 대 전압 곡선에 대한 선형 의존성)을 가질 뿐만 아니라 aic 거동을 나타내기 때문에 의사 커패시터의 전극으로 사용되는 대표적인 물질입니다. 또한 전하 저장은 전기화학적 이중층에 이온이 축적되기보다는 전자 전달 메커니즘에서 비롯됩니다. 활성 전극 물질 내에서 발생하는 파라다이옥스 반응을 통해 의사 커패시터를 만들었습니다. 전이금속 산화물은 RuO와₂ 같은 귀금속 산화물에 비해 비용이 저렴하기 때문에 MnO와₂ 같은 전이금속 산화물에 대한 연구가 더 집중되었습니다. 또한 전이 금속 산화물의 전하 저장 메커니즘은 주로 의사 정전용량을 기반으로 합니다. MnO₂ 전하 저장 거동의 두 가지 메커니즘이 도입되었습니다. 첫 번째 메커니즘은 환원 시 물질의 대부분에 양성자(H⁺) 또는 알칼리 금속 양이온(C⁺)이 삽입되고 산화 시 디인터칼레이션이 뒤따른다는 것을 의미합니다.^[64]

MnO₂ + H⁺ (C⁺) + e⁻ ⇌ MnOOH(C)^[65]

두 번째 메커니즘은 MnO에₂ 대한 전해질 이온의 표면 흡착을 기반으로 합니다.

(MnO₂)_surface + C⁺ + e⁻ ⇌ (MnO₂⁻ C⁺)_surface

Ni(OH)₂와 같이 파라다믹 거동을 나타내는 모든 물질이 배터리 타입 전극(전류 대 전압 곡선에 대한 비선형 의존성)이기 때문에 의사 커패시터의 전극으로 사용될 수 있는 것은 아닙니다.^[66]

금속산화물

브라이언 에반스 콘웨이(Brian Evans Conway)의 연구는^[12][13] 높은 의사 정전용량을 나타내는 전이금속 산화물의 전극에 대해 설명했습니다. 루테늄(RuO
₂), 이리듐(IrO
₂), 철(FeO
_3
4), 망간(MnO
₂)을 포함한 전이금속의 산화물 또는 황화티타늄(TiS
₂)과 같은 황화물은 단독으로 또는 조합하여 저저항과 결합하여 강한 파라다이드 전자 전달 반응을 발생시킵니다.^{[citation needed]} 이산화 루테늄은 HSO
_2
4 전해질과 결합하여 720 F/g의 비용량과 26.7 Wh/kg(96.12 kJ/kg)의 높은 비용량을 제공합니다.^[67]

충/방전은 전극당 약 1.2V의 창을 통해 이루어집니다. 약 720 F/g의 의사 정전용량은 활성탄 전극을 사용한 이중층 정전용량보다 약 100배 높습니다. 이 전이 금속 전극은 수십만 사이클의 우수한 가역성을 제공합니다. 그러나 루테늄은 고가이며 이 커패시터의 2.4V 전압 창은 군사 및 우주 응용 분야에 적용되는 용도를 제한합니다. Das 등은 다공성 단일벽 탄소나노튜브 필름 전극에 루테늄 옥사이드를 전착한 루테늄 옥사이드 기반 슈퍼커패시터에 대해 가장 높은 정전용량 값(1715 F/g)을 보고했습니다.^[68] 예측된 이론적 최대 RuO
₂ 커패시턴스 2000 F/g에 근접한 1715 F/g의 높은 비 커패시턴스가 보고되었습니다.

2014년, 그래핀 폼 전극에 고정된 RuO
₂ 슈퍼커패시터는 502.78 F/g의 비용량과 1.11 F/cm²)의 실제 비용량을 전달하여 8,000 사이클에 걸쳐 39.28 Wh/kg의 비용량과 128.01 kW/kg의 비용량을 일정한 성능으로 유도했습니다. 이 장치는 3차원(3D) 5nm 이하의 수화 루테늄 고정 그래핀과 탄소나노튜브(CNT) 하이브리드 폼(RGM) 아키텍처였습니다. 그래핀 폼은 RuO
₂ 나노 입자와 앵커 CNT의 하이브리드 네트워크로 컨포멀하게 덮여 있었습니다.^[69][70]

철, 바나듐, 니켈, 코발트의 가격이 저렴한 산화물은 수성 전해질에서 테스트되었지만 이산화망간(MnO
₂)만큼 조사된 것은 없습니다. 그러나 이러한 산화물은 상업적으로 사용되지 않습니다.^[71]

전도성 고분자

또 다른 접근법은 전자 전도성 폴리머를 의사 용량 물질로 사용합니다. 전도성 고분자는 기계적으로 약하지만 전도성이 높아 ESR이^{[clarification needed]} 낮고 상대적으로 정전용량이 높습니다. 이러한 전도성 고분자에는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤 및 폴리아세틸렌이 포함됩니다. 이러한 전극은 또한 음이온 및 양이온을 갖는 폴리머의 전기화학적 도핑 또는 탈도핑을 사용합니다. 전도성 폴리머로 제조되거나 코팅된 전극은 탄소 전극에 필적하는 비용을 가집니다.

전도성 고분자 전극은 일반적으로 사이클링 안정성이 제한됩니다.^{[citation needed]} 그러나 폴리아센 전극은 배터리보다 훨씬 나은 최대 10,000 사이클을 제공합니다.^[72]

하이브리드 커패시터용 전극

모든 상용 하이브리드 슈퍼커패시터는 비대칭입니다. 의사 정전용량이 많은 전극과 이중층 정전용량이 많은 전극을 결합합니다. 이러한 시스템에서 더 높은 캐패시턴스를 갖는 파라다이드 의사 커패시턴스 전극은 높은 비에너지를 제공하는 반면, 비파라다이드 EDLC 전극은 높은 비전력을 가능하게 합니다. 대칭형 EDLC와 비교하여 하이브리드형 슈퍼커패시터의 장점은 더 높은 비 정전용량 값과 더 높은 정격 전압 및 그에 상응하는 더 높은 비 에너지입니다.^{[citation needed]}

복합전극

하이브리드형 슈퍼커패시터용 복합 전극은 금속 산화물 및 전도성 고분자와 같은 유사 용량성 활성 물질이 혼입되거나 증착된 탄소계 물질로부터 형성됩니다. 2013년^[update] 현재 슈퍼커패시터에 대한 대부분의 연구는 복합 전극을 탐구합니다. CNT는 금속 산화물 또는 전기 전도성 폴리머(ECP)의 균질한 분포를 위한 백본을 제공하여 우수한 의사 정전용량 및 우수한 이중층 정전용량을 생성합니다. 이 전극은 순수 탄소 또는 순수 금속 산화물 또는 폴리머 기반 전극보다 더 높은 용량을 달성합니다. 이는 나노튜브의 엉킨 매트 구조의 접근성으로 의사 용량 물질의 균일한 코팅과 3차원 전하 분포가 가능하기 때문으로 분석됩니다. 의사 용량성 물질을 앵커링하는 공정은 일반적으로 열수 공정을 사용합니다. 그러나 델라웨어 대학의 최근 연구원인 Li et al. 은 SWNT 필름에 MnO2를 침전시켜 유기-전해질 기반 슈퍼커패시터를 만드는 쉽고 확장 가능한 접근법을 발견했습니다.^[73]

CNT 전극을 향상시키는 또 다른 방법은 리튬 이온 커패시터에서와 같이 의사 용량 도펀트로 도핑하는 것입니다. 이 경우 상대적으로 작은 리튬 원자가 탄소 층 사이에 삽입됩니다.^[74] 양극은 리튬이 도핑된 탄소로 만들어져 활성탄으로 만들어진 음극으로 음전위를 낮출 수 있습니다. 이로 인해 전해질 산화를 방지하는 3.8-4V의 더 큰 전압이 발생합니다. 2007년 현재 550 F/^[10]g의 용량을 달성했으며 최대 14 Wh/kg(50.4 kJ/kg)의 특정 에너지에 도달했습니다.^[75]

전지형 전극

충전식 배터리 전극은 리튬 이온 커패시터와 마찬가지로 새로운 하이브리드형 슈퍼 커패시터 전극의 전극 개발에 영향을 미쳤습니다.^[76] 비대칭 구조의 탄소 EDLC 전극과 함께 배터리보다 더 높은 비전력, 더 긴 사이클 수명 및 더 빠른 충전 및 재충전 시간을 가진 일반적인 슈퍼커패시터보다 더 높은 비에너지를 제공합니다.

비대칭 전극(pseudo/EDLC)

최근에는 양극이 실제 의사 용량성 금속 산화물 전극(복합 전극이 아닌)을 기반으로 하고 음극이 EDLC 활성탄 전극을 기반으로 하는 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터가 개발되었습니다.

비대칭 슈퍼커패시터(ASC)는 용량 거동을 현저하게 향상시킬 수 있는 광범위한 작동 잠재력으로 인해 고성능 슈퍼커패시터에 대한 큰 잠재력을 보여주었습니다. 이러한 유형의 슈퍼커패시터의 장점은 더 높은 전압과 그에 상응하는 더 높은 비에너지(최대 10-20 Wh/kg(36-72 kJ/kg))^{[citation needed]}입니다.그리고 자전거의 안정성도 좋습니다.^{[77][78][79][80]}

예를 들어, 연구자들은 일종의 새로운 스쿠터루다이트 Ni-CoP₃ 나노시트를 사용하고 활성탄(AC)을 음극으로 사용하여 비대칭 슈퍼커패시터(ASC)를 제조합니다. 796 W/kg에서 89.6 Wh/kg의 높은 에너지 밀도와 10000 사이클 후 93%의 안정성을 나타내어 우수한 차세대 전극 후보가 될 수 있는 큰 잠재력이 될 수 있습니다.^[80] 또한 탄소나노섬유/폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/망간산화물(f-CNFs/PEDOT/MnO₂)을 양극으로, AC를 음극으로 사용하였습니다. 49.4 Wh/kg의 높은 비에너지와 좋은 사이클링 안정성(8000회 사이클링 후 81.06%)을 가지고 있습니다.^[78] 또한 NiCoS₂₄@NiO,^[79] MgCoO₂₄@MnO₂ 등과 같은 많은 종류의 나노복합체가 전극으로 연구되고 있습니다. 예를 들어, 전극으로 사용되는 Fe-SnO₂@CeO₂ 나노복합체는 32.2 Wh/kg 및 747 W/kg의 비에너지 및 비전력을 제공할 수 있습니다. 장치는 5000회 작동 주기 동안 85.05%의 정전 용량 유지율을 나타냈습니다.^[77] 알려진 바로는 그러한 종류의 비대칭 전극을 갖는 상업적으로 제공되는 슈퍼커패시터는 시장에 나와 있지 않습니다.

전해질

전해질은 용매와 용해된 화학물질로 구성되어 있으며 양이온과 음이온으로 분리되어 전해질이 전기적으로 전도성을 갖게 합니다. 전해질이 더 많은 이온을 함유할수록 전도성이 향상됩니다. 슈퍼커패시터에서 전해질은 두 전극 사이의 전기 전도성 연결입니다. 또한, 슈퍼커패시터에서 전해질은 헬름홀츠 이중층에서 분리 단일층을 위한 분자를 제공하고 유사 커패시턴스를 위한 이온을 전달합니다.

전해질은 작동 전압, 온도 범위, ESR 및 캐패시턴스와 같은 커패시터의 특성을 결정합니다. 동일한 활성탄 전극으로 수성 전해질은 160 F/g의 커패시턴스 값을 달성하는 반면 유기 전해질은 100 F/g에 불과합니다.^[81]

전해액은 콘덴서의 전기적 파라미터가 장시간 안정적으로 동작하도록 하기 위해 콘덴서의 다른 재료를 화학적으로 공격하지 않아야 하며 화학적으로 불활성이어야 합니다. 전해질의 점도는 전극의 다공성 스폰지와 같은 구조를 적시기에 충분히 낮아야 합니다. 이상적인 전해질이 존재하지 않기 때문에 성능과 다른 요구 사항 사이에 타협이 필요합니다.

물은 무기 화학 물질에 비교적 좋은 용매입니다. 황산(HSO
_2
4)과 같은 산, 수산화칼륨(KOH)과 같은 알칼리 또는 4차 포스포늄 염, 과염소산나트륨(NaClO
₄), 과염소산리튬(LiClO
₄) 또는 6불화비소산리튬(LiAsF
₆)과 같은 염으로 처리된 물은 약 100~1000mS/cm의 비교적 높은 전도도 값을 제공합니다. 수성 전해질은 전극당 해리 전압이 1.15V(2.3V 커패시터 전압)이며 작동 온도 범위가 상대적으로 낮습니다. 저비에너지와 고비전력의 슈퍼커패시터에 사용됩니다.

아세토니트릴, 프로필렌 카보네이트, 테트라하이드로퓨란, 디에틸 카보네이트, γ-부티로락톤 등의 유기 용매를 갖는 전해질 및 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(N(Et) 등의 4급 암모늄염 또는 알킬 암모늄염을 갖는 용액BF
₄^[82]) 또는 트리에틸(메틸)테트라플루오로보레이트(NMe(Et))
₃BF
₄)는 수성 전해질보다 비싸지만, 일반적으로 전극당 1.35 V의 높은 해리 전압(2.7 V 커패시터 전압) 및 더 높은 온도 범위를 갖습니다. 유기 용매의 전기 전도도(10~60mS/cm)가 낮아지면 비전력이 낮아지지만 전압의 제곱에 따라 비에너지가 증가하기 때문에 비에너지가 높아집니다.

이온 전해질은 더 넓은 전기화학 창에서 안정적으로 사용할 수 있는 액체 염으로 구성되어 3.5V 이상의 커패시터 전압을 가능하게 합니다. 이온 전해질은 일반적으로 수성 또는 유기 전해질보다 낮은 수 mS/cm의 이온 전도도를 갖습니다.^[83]

구분자

분리기는 직접 접촉에 의한 단락을 방지하기 위해 두 전극을 물리적으로 분리해야 합니다. 매우 얇을 수 있으며(수백 분의 1 밀리미터) ESR을 최소화하려면 전도성 이온에 대해 매우 다공성이어야 합니다. 또한 분리막은 전해질의 안정성과 전도성을 보호하기 위해 화학적으로 불활성이어야 합니다. 저렴한 구성품은 오픈 커패시터 용지를 사용합니다. 더 정교한 디자인은 폴리아크릴로니트릴 또는 캡톤과 같은 부직포 다공성 고분자 필름, 직조 유리 섬유 또는 다공성 직조 세라믹 섬유를 사용합니다.^[84][85]

집열기 및 주택

전류 수집기는 전극을 커패시터 단자에 연결합니다. 콜렉터는 전극에 분사되거나 금속 호일입니다. 최대 100A의 피크 전류를 분배할 수 있어야 합니다. 하우징이 금속(일반적으로 알루미늄)으로 구성된 경우 부식성 갈바닉 셀이 형성되지 않도록 콜렉터를 동일한 재료로 만들어야 합니다.

전기 파라미터

정전용량

상용 커패시터의 커패시턴스 값은 " 정격 커패시턴스 C_R"로 지정됩니다. 이것은 커패시터가 설계된 값입니다. 실제 구성 요소의 값은 지정된 허용 오차에 의해 지정된 한계 내에 있어야 합니다. 일반적인 값은 전해 커패시터보다 3~6배 큰 패러드(F) 범위입니다. 커패시턴스 값은 DC 전압 V를_DC 통해 로드되는 로드된 커패시터의 에너지 $W{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ W$}($줄로 표시)에서 비롯됩니다.

${\displaystyle W={\frac {1}{2}}\cdot C_{\text{DC}}\cdot V_{\text{DC}}^{2}$

이 값을 "DC 커패시턴스"라고도 합니다.

측정.

기존 커패시터는 일반적으로 커패시터 유형에 따라 작은 교류 전압(0.5V)과 100Hz 또는 1kHz의 주파수로 측정됩니다. AC 커패시턴스 측정은 산업 생산 라인에 중요한 빠른 결과를 제공합니다. 슈퍼커패시터의 커패시턴스 값은 측정 주파수에 따라 크게 달라지는데, 이는 다공성 전극 구조 및 제한된 전해질의 이온 이동도와 관련이 있습니다. 10Hz의 저주파에서도 측정된 정전용량 값은 DC 정전용량 값의 100%에서 20%로 떨어집니다.

이처럼 매우 강한 주파수 의존성은 이온이 전극의 구멍에서 이동해야 하는 다른 거리로 설명할 수 있습니다. 기공의 시작 부분은 이온이 쉽게 접근할 수 있습니다. 이 짧은 거리는 낮은 전기 저항을 동반합니다. 이온이 커버해야 할 거리가 멀수록 저항이 높아집니다. 이 현상은 직렬 RC 시간 상수를 갖는 계단식 RC(resistor/capacitor) 소자의 직렬 회로로 설명할 수 있습니다. 이로 인해 전류 흐름이 지연되어 극성이 변하면 이온으로 덮일 수 있는 전체 전극 표면적이 줄어듭니다. AC 주파수가 증가함에 따라 정전 용량이 감소합니다. 따라서 총 커패시턴스는 더 긴 측정 시간 후에만 달성됩니다. 정전용량의 주파수 의존성이 매우 강한 이유 중에서, 이 전기 파라미터는 IEC 표준 62391-1 및 -2에 정의된 특별한 정전류 충방전 측정으로 측정되어야 합니다.

측정은 커패시터 충전부터 시작됩니다. 전압을 인가해야 하며 정전류/정전압 전원 공급 장치가 정격 전압에 도달한 후에는 캐패시터를 30분 동안 충전해야 합니다. 다음으로 일정한 방전 전류 I로_discharge 커패시터를 방전해야 합니다. 그런 다음 전압이 정격 전압의 80%(V₁)에서 40%(V₂)로 떨어지는 시간 t와₁ t를₂ 측정합니다. 커패시턴스 값은 다음과 같이 계산됩니다.

${\displaystyle C_{\text{total}}=I_{\text{discharge}}\cdot {\frac {t_{2}-t_{1}}{V_{1}-V_{2}}}}$

방전 전류의 값은 응용 프로그램에 의해 결정됩니다. IEC 표준은 4가지 클래스를 정의합니다.

1. 메모리 백업, 방전 전류(mA = 1 • C (F)
2. 에너지 저장, 방전 전류(mA = 0,4 • C (F) • V (V)
3. 전원, 방전 전류(mA = 4 • C (F) • V (V)
4. 순간 전력, 방전 전류(mA = 40 • C (F) • V (V)

개별 제조업체에서 사용하는 측정 방법은 주로 표준화된 방법과 유사합니다.^[86][87]

표준화된 측정 방법은 제조업체가 개별 구성 요소별로 생산 중에 사용하기에는 시간이 너무 많이 걸립니다. 산업용 커패시터의 경우 대신 더 빠른 저주파 AC 전압으로 캐패시턴스 값을 측정하고 상관 계수를 사용하여 정격 캐패시턴스를 계산합니다.

이러한 주파수 의존성은 커패시터 작동에 영향을 미칩니다. 급속 충전 및 방전 주기는 정격 용량 값이나 특정 에너지를 사용할 수 없음을 의미합니다. 이 경우 정격 용량 값은 각 응용 조건에 대해 다시 계산됩니다.

슈퍼커패시터가 일정한 전류를 전달할 수 있는 시간 I은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

${\displaystyle t={\frac {C\cdot(U_{\text{charge}}-U_{\text{min}})}}{I}}}$

커패시터 전압이 U에서_charge U로_min 감소함에 따라.

애플리케이션이 일정 시간 동안 일정한 전력 P를 필요로 하는 경우 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

${\displaystyle t={\frac {1}{2}P}}\cdot C\cdot (U_{\text{charge}}^{2}-U_{\text{min}}^{2}).}$

또한 커패시터 전압이 U에서_charge U로_min 감소합니다.

작동전압

슈퍼커패시터는 저전압 부품입니다. 안전한 작동을 위해서는 전압이 지정된 한계 내에서 유지되어야 합니다. 정격 전압 U는_R 연속적으로 인가될 수 있고 지정된 온도 범위 내에 유지될 수 있는 최대 DC 전압 또는 피크 펄스 전압입니다. 콘덴서는 정격 전압을 초과하여 연속적으로 전압을 받아서는 안 됩니다.

정격 전압은 전해질이 분해되는 전해질의 항복 전압에 대한 안전 마진을 포함합니다. 항복 전압은 헬름홀츠 이중층의 분리 용매 분자를 분해하는데, 예를 들어 물은 수소와 산소로 갈라집니다. 그러면 용매 분자는 전하를 서로 분리할 수 없습니다. 정격 전압보다 높은 전압은 수소 가스 형성 또는 단락을 유발합니다.

일반적으로 수성 전해질을 사용하는 표준 슈퍼커패시터는 정격 전압이 2.1~2.3V이고 유기 용매를 사용하는 커패시터는 2.5~2.7V입니다. 전극이 도핑된 리튬이온 커패시터는 정격 전압이 3.8~4V에 이를 수 있지만 전압 한계가 2 정도로 낮습니다.2 V. 이온 전해질이 있는 슈퍼커패시터는 3.5 V의 작동 전압을 초과할 수 있습니다.^[83]

슈퍼커패시터를 정격 전압 이하로 작동시키면 전기 파라미터의 장시간 동작이 개선됩니다. 사이클링 중 커패시턴스 값과 내부 저항이 더 안정적이며 수명 및 충방전 사이클이 연장될 수 있습니다.^[87]

더 높은 적용 전압은 셀을 직렬로 연결해야 합니다. 각 구성요소별로 정전용량값과 ESR에 약간의 차이가 있기 때문에 인가전압의 안정화를 위해서는 능동적 또는 수동적으로 균형을 맞출 필요가 있습니다. 패시브 밸런싱은 슈퍼커패시터와 병렬로 저항기를 사용합니다. 능동적 밸런싱은 전류를 변화시키는 임계값 이상의 전자 전압 관리를 포함할 수 있습니다.

내부저항

슈퍼커패시터의 충/방전은 분리막을 가로질러 전해질 내 전하 캐리어(이온)가 전극으로 이동하고 다공성 구조로 이동하는 것과 연결됩니다. 내부 DC 저항으로 측정할 수 있는 이 이동 중에 손실이 발생합니다.

전극 기공에 있는 계단식 직렬 연결 RC(저항기/캐패시터) 요소의 전기 모델을 사용하면 내부 저항은 기공으로 전하 캐리어의 침투 깊이가 증가함에 따라 증가합니다. 내부 DC 저항은 시간에 따라 달라지며 충전/방전 중에 증가합니다. 응용 프로그램에서는 스위치 온 및 스위치 오프 범위만 흥미롭습니다. 일정한 방전 전류 I부터 시작하여 방전 시 전압 강하 δV로부터 내부 저항 R을 계산할 수 있습니다. 직선부에서 연장된 보조선과 방전 개시 시점의 타임 베이스의 교차점에서 구합니다(그림 오른쪽 참조). 저항은 다음을 통해 계산할 수 있습니다.

${\displaystyle R_{\text{i}}={\frac {\Delta V_{2}}{I_{\text{discount}}}$

내부 저항 측정을 위한 방전 전류 I는_discharge IEC 62391-1에 따른 분류에서 취해질 수 있습니다.

이 내부 DC 저항 R은_i 커패시터에 대해 일반적으로 지정된 등가 직렬 저항(ESR)이라고 하는 내부 AC 저항과 혼동되어서는 안 됩니다. 1kHz로 측정됩니다. ESR은 DC 저항보다 훨씬 작습니다. ESR은 슈퍼커패시터 돌입 전류 또는 기타 피크 전류를 계산하는 데 관련이 없습니다.

R은_i 여러 슈퍼커패시터 특성을 결정합니다. 충전 및 방전 피크 전류는 물론 충방전 시간도 제한합니다. R과 정전용량 C는 시정수$$τ${\displaystyle$\tau}을(를) 생성합니다.

${\displaystyle \tau =R_{\text{i}}\cdot C}$

이 시간 상수는 충/방전 시간을 결정합니다. 예를 들어, 내부 저항이 30 M ω인 100 F 커패시터의 시정수는 0.03 • 100 = 3초입니다. 내부 저항으로만 제한된 전류로 3초 동안 충전한 후 커패시터의 완충율은 63.2%(또는 완충율 36.8%까지 방전)입니다.

내부 저항이 일정한 표준 커패시터는 약 5 τ 동안 완전히 충전됩니다. 충/방전에 따라 내부 저항이 증가하기 때문에 이 공식으로는 실제 시간을 계산할 수 없습니다. 따라서 충/방전 시간은 구체적인 개별 공사 내용에 따라 달라집니다.

전류부하 및 사이클 안정성

슈퍼커패시터는 화학적 결합을 형성하지 않고 작동하기 때문에 충전, 방전 및 피크 전류를 포함한 전류 부하는 반응 제약에 의해 제한되지 않습니다. 전류 부하 및 사이클 안정성은 충전식 배터리보다 훨씬 높을 수 있습니다. 전류 부하는 배터리보다 상당히 낮을 수 있는 내부 저항에 의해서만 제한됩니다.

내부 저항 "R_i"과 충방전 전류 또는 피크 전류 "I"는 다음에 따라 내부 열 손실 "P_loss"를 발생시킵니다.

${\displaystyle P_{\text{loss}}=R_{\text{i}}\cdot I^{2}$

작동 온도를 지정된 최대 온도 이하로 유지하려면 이 열을 방출하고 주변 환경에 분배해야 합니다.

열은 일반적으로 전해질 확산으로 인한 커패시터 수명을 정의합니다. 현재 부하에서 발생하는 열 발생량은 최대 주변 온도에서 5~10K보다 작아야 합니다(예상 수명에 약간의 영향만 있음). 이러한 이유로 빈번한 사이클링에 대한 지정된 충전 및 방전 전류는 내부 저항에 의해 결정됩니다.

최대 조건에서 지정된 사이클 파라미터에는 충전 및 방전 전류, 펄스 지속 시간 및 주파수가 포함됩니다. 정의된 온도 범위와 정의된 수명 동안의 전체 전압 범위에 대해 지정됩니다. 전극 다공성, 기공 크기 및 전해질의 조합에 따라 크게 다를 수 있습니다. 일반적으로 전류 부하가 낮으면 커패시터 수명이 증가하고 사이클 수가 증가합니다. 이는 더 낮은 전압 범위 또는 더 느린 충전 및 방전에 의해 달성될 수 있습니다.^[87]

슈퍼커패시터(폴리머 전극이 있는 경우 제외)는 상당한 용량 감소 또는 내부 저항 증가 없이 잠재적으로 100만회 이상의 충방전 사이클을 지원할 수 있습니다. 더 높은 전류 부하 아래에는 배터리에 비해 슈퍼커패시터의 두 번째 큰 이점이 있습니다. 안정성은 이중 정전기 및 전기 화학적 저장 원리에서 비롯됩니다.

지정된 충전 및 방전 전류는 주파수를 낮추거나 단일 펄스에 의해 크게 초과될 수 있습니다. 단일 펄스에 의해 발생하는 열은 비교적 작은 평균 열 증가를 보장하기 위해 다음 펄스가 발생할 때까지 시간이 지남에 따라 퍼질 수 있습니다. 1000 F 이상의 슈퍼커패시터용 전력 애플리케이션을 위한 이러한 "피크 전력 전류"는 약 1000 A의 최대 피크 전류를 제공할 수 있습니다.^[88] 이러한 높은 전류는 높은 열응력과 높은 전자기력을 발생시켜 커패시터의 견고한 설계 및 구성이 필요한 전극-컬렉터 연결을 손상시킬 수 있습니다.

작동 전압 및 온도에 따른 장치 용량 및 저항 의존성

커패시턴스 초기 저항 및 정상 상태 저항과 같은 장치 매개 변수는 일정하지 않지만 가변적이며 장치의 작동 전압에 따라 달라집니다. 장치 용량은 작동 전압이 증가함에 따라 측정 가능한 증가를 갖게 됩니다. 예를 들어, 100F 장치는 전체 작동 전압 범위에서 최대 용량과 26% 차이가 나는 것을 확인할 수 있습니다. 동작 전압에 대한 의존성은 정상 상태 저항(R_ss) 및 초기 저항(R_i)에서도 유사하게 나타납니다.^[89] 장치 특성도 장치 온도에 따라 달라지는 것으로 볼 수 있습니다. 다양한 주변 온도의 작동을 통해 장치의 온도가 변경됨에 따라 정전 용량 및 저항과 같은 내부 특성도 변경됩니다. 장치 용량은 작동 온도가 증가함에 따라 증가하는 것으로 보입니다.^[89]

에너지 용량

슈퍼커패시터는 고출력/저에너지 전해 커패시터와 저전력/고에너지 충전식 배터리 사이의 간극을 차지합니다. 축전기에 저장할 수 있는 에너지_max W(Joule로 표시)는 다음의 공식에 의해 주어집니다.

${\displaystyle W_{\text{max}={\frac{1}{2}}\cdot C_{\text{total}}\cdot V_{\text{loaded}^{2}}$

이 공식은 저장된 에너지의 양을 설명하며 종종 새로운 연구 성공을 설명하는 데 사용됩니다. 그러나 내부 저항에 대한 전압 강하 및 시간 상수는 저장된 전하 중 일부에 액세스할 수 없음을 의미하기 때문에 저장된 에너지 중 일부만 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. 유효 실현 에너지량_eff W는 V와_max V_min 사이의 사용 전압 차이에 의해 감소하며 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.^{[citation needed]}

${\displaystyle W_{\text{eff}={\frac {1}{2}}\ C\cdot \ (V_{\text{max}^{2}-V_{\text{min}^{2})}$

이 공식은 또한 리튬 이온 커패시터와 같은 에너지 비대칭 전압 구성 요소를 나타냅니다.

특정 에너지 및 특정 전력

그 축전기의 질량당 축전기에 저장할 수 있는 에너지의 양을 비에너지라고 합니다. 비에너지는 중량계(질량 단위)로 킬로그램당 와트 시간(Wh/kg) 단위로 측정됩니다.

용량당 축전기에 저장할 수 있는 에너지의 양을 에너지 밀도(일부 문헌에서는 부피별 에너지라고도 함)라고 합니다. 에너지 밀도는 부피 단위(부피 단위)로 리터당 와트 시간(Wh/L) 단위로 측정됩니다. 리터 단위와 dm³ 단위는 서로 교환하여 사용할 수 있습니다.

2013년^[update] 현재 상업용 에너지 밀도는 매우 다양하지만 일반적으로 약 5~8 Wh/L입니다. 이에 비해 가솔린 연료의 에너지 밀도는 32.4 MJ/L 또는 9000 Wh/L입니다.^[90] 상업용 비에너지의 범위는 약 0.5~15 Wh/kg입니다. 비교를 위해, 알루미늄 전해 커패시터는 일반적으로 0.01 내지 0.3 Wh/kg을 저장하는 반면, 종래의 납-산 배터리는 일반적으로 30 내지 40 Wh/kg, 현대의 리튬-이온 배터리는 100 내지 265 Wh/kg을 저장합니다. 따라서 슈퍼커패시터는 전해커패시터보다 10~100배 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만 배터리의 10분의 1에 불과합니다.^{[citation needed]} 참고로 휘발유 연료의 비에너지는 44.4 MJ/kg 또는 12300 Wh/kg입니다.

슈퍼커패시터의 비에너지는 배터리에 비해 유리하지만, 커패시터는 비전력의 중요한 이점을 가지고 있습니다. 특정 전력은 에너지가 부하(또는 장치를 충전할 때 발전기에서 흡수)로 전달될 수 있는 속도를 나타냅니다. 최대 전력 P는_max 주어진 전압의 이론적 직사각형 단일 최대 전류 피크의 전력을 지정합니다. 실제 회로에서 전류 피크는 직사각형이 아니며 전압 강하로 인해 전압이 더 작으므로 IEC 62391–2는 전력 응용을 위한 슈퍼커패시터에 대한 보다 현실적인 유효 전력 P를_eff 설정했으며, 이는 최대치의 절반이며 다음 공식에 의해 제공됩니다.

${\displaystyle P_{\text{eff}}}$ ${\displaystyle {=}_{}}$ ${\displaystyle \frac{{18}_{}}{}}$ ${\displaystyle \cdot }$ V$$2 $Ri$ {\$displaystyle P_${\text{${\displaystyle e_{}}$ff$}}={\frac {1$}{8$}}\cdot {\frac {V^{2}}{$R_$\{$i}}}},

${\displaystyle P_{\text{max}}={\frac {1}{4}}\cdot {\frac {V^{2}}{R_{i}}}}$

V = 전압이 인가되고 R이 인가되면 커패시터의 내부 DC 저항이 됩니다.

특정 에너지와 마찬가지로, 특정 전력은 킬로그램당 킬로와트(kW/kg, 특정 전력)로 중량 측정되거나 리터당 킬로와트(kW/L, 전력 밀도)로 부피 측정됩니다. 슈퍼커패시터 비중은 일반적으로 배터리의 경우보다 10~100배 크며 최대 15kW/kg의 값에 도달할 수 있습니다.

라곤 차트는 에너지와 전력을 연관시키며 에너지 저장 구성 요소를 특성화하고 시각화하는 데 유용한 도구입니다. 이러한 다이어그램을 사용하면 서로 다른 스토리지 기술의 특정 전력 및 특정 에너지 위치를 쉽게 비교할 수 있습니다. 다이어그램을 참조하십시오.^[91][92]

평생

슈퍼커패시터는 전극의 화학적 변화에 의존하지 않기 때문에(폴리머 전극이 있는 경우는 제외) 수명은 대부분 액체 전해질의 증발 속도에 의존합니다. 이 증발은 일반적으로 온도, 전류 부하, 전류 사이클 주파수 및 전압의 함수입니다. 전류 부하 및 사이클 주파수는 내부 열을 생성하므로 증발 결정 온도는 주변 열과 내부 열의 합입니다. 이 온도는 커패시터 본체의 중심에서 코어 온도로 측정할 수 있습니다. 코어 온도가 높을수록 증발 속도가 빨라지고 수명도 짧아집니다.

증발은 일반적으로 정전 용량을 감소시키고 내부 저항을 증가시킵니다. IEC/EN 62391-2에 따르면 30% 이상의 정전 용량 감소 또는 데이터 시트 사양의 4배를 초과하는 내부 저항은 "마모 고장"으로 간주되며, 이는 부품이 수명 종료에 도달했음을 의미합니다. 콘덴서는 작동 가능하지만 기능이 떨어집니다. 파라미터의 수차가 적절한 기능에 영향을 미치는지 여부는 커패시터의 적용에 따라 달라집니다.

IEC/EN 62391-2에 명시된 전기 파라미터의 이러한 큰 변화는 대전류 부하 애플리케이션에서는 일반적으로 허용할 수 없습니다. 고전류 부하를 지원하는 구성 요소는 용량 손실이 20% 또는 내부 저항의 두 배와 같이 훨씬 작은 한계를 사용합니다.^[93] 열은 내부 저항이 증가함에 따라 선형적으로 증가하며 최대 온도를 초과해서는 안 되기 때문에 좁은 정의가 이러한 응용 분야에서 중요합니다. 지정된 것보다 높은 온도는 커패시터를 파괴할 수 있습니다.

"사용 수명", "수명" 또는 "부하 수명"이라고도 불리는 슈퍼커패시터의 실제 적용 수명은 실온에서 10년에서 15년 또는 그 이상에 이를 수 있습니다. 이렇게 긴 기간은 제조업체에서 테스트할 수 없습니다. 따라서 최대 온도 및 전압 조건에서 예상되는 커패시터 수명을 지정합니다. 결과는 "5000 h/65 °C"와 같이 "tested time (hours)/max. temperature (°C)"라는 표기를 사용하여 데이터 시트에 지정됩니다. 이 값과 과거 데이터에서 파생된 식을 사용하면 더 낮은 온도 조건에 대한 수명을 추정할 수 있습니다.

데이터 시트 수명 사양은 제조업체가 지정된 시간 동안 최대 온도와 전압을 사용하여 "내구성 테스트"라고 하는 가속 노화 테스트를 사용하여 테스트합니다. "결함 제로" 제품 정책의 경우 이 테스트 동안 마모 또는 전체 고장이 발생하지 않을 수 있습니다.

데이터 시트의 수명 사양을 사용하여 주어진 설계의 예상 수명을 추정할 수 있습니다. 고체 전해질이 없는 전해 커패시터에 사용되는 "10도 규칙"은 이러한 추정에 사용되며 슈퍼 커패시터에 사용될 수 있습니다. 이 규칙은 반응 속도의 온도 의존성에 대한 간단한 공식인 아레니우스 방정식을 사용합니다. 작동 온도가 10°C 감소할 때마다 예상 수명은 두 배가 됩니다.

${\displaystyle L_{x}=L_{0}\cdot 2^{\frac {T_{0}-T_{x}}{10}}}$

사용자:

• L = 추정 수명
• L = 지정된 수명
• T = 상한 지정 커패시터 온도
• T = 커패시터 셀의 실제 작동 온도

이 공식으로 계산하면 65°C에서 5000시간으로 지정된 커패시터의 수명은 45°C에서 20,000시간으로 추정됩니다.

액체 전해질의 가스 발생은 전압에 따라 달라지기 때문에 수명도 작동 전압에 따라 달라집니다. 전압이 낮을수록 가스 발생량이 작고 수명이 길어집니다. 전압과 수명을 연관시키는 일반적인 공식은 없습니다. 그림에 표시된 전압 종속 곡선은 한 제조업체의 경험적 결과입니다.

전력 애플리케이션의 수명은 현재 부하 또는 사이클 수에 따라 제한될 수도 있습니다. 이 제한은 관련 제조업체에서 지정해야 하며 유형에 따라 크게 달라집니다.

자가방전

이중층에 전기 에너지를 저장하면 기공 내 전하 운반체가 분자 범위의 거리로 분리됩니다. 이 짧은 거리에서 불규칙성이 발생하여 전하 캐리어의 작은 교환과 점진적인 방전으로 이어질 수 있습니다. 이 자가 방전을 누설 전류라고 합니다. 누출은 용량, 전압, 온도 및 전극/전해질 조합의 화학적 안정성에 따라 달라집니다. 상온에서는 누설이 너무 적어 몇 시간, 며칠 또는 몇 주 단위로 자가 방전하는 시간으로 지정됩니다. 예를 들어, 5.5 V/F Panasonic "Goldcapacitor"는 이중 셀 커패시터의 경우 600시간(25일 또는 3.6주) 내에 5.5 V에서 3 V로 20°C에서 전압 강하를 지정합니다.^[94]

후방 충전 전압 완화

EDLC가 충전 또는 방전을 경험한 후 시간이 지남에 따라 전압이 드리프트되어 이전 전압 레벨로 완화됩니다. 관찰된 이완은 몇 시간에 걸쳐 발생할 수 있으며 EDLC 내의 다공성 전극의 긴 확산 시간 상수로 인해 발생할 수 있습니다.^[89]

극성

대칭형 슈퍼커패시터의 양극과 음극(또는 단순히 각각 양극과 음극)은 동일한 물질로 구성되어 있으므로 이론적으로 슈퍼커패시터는 진정한 극성을 갖지 않으며 일반적으로 치명적인 고장이 발생하지 않습니다. 그러나 슈퍼커패시터를 역충전하면 용량이 낮아지므로 생산 중에 전극 형성에 따른 극성을 유지하는 것이 좋습니다. 비대칭 슈퍼커패시터는 본질적으로 극성입니다.

전기화학적 전하 특성을 가진 의사 커패시터 및 하이브리드 슈퍼 커패시터는 역극성으로 작동하지 않아 AC 작동에 사용할 수 없습니다. 그러나 이 제한은 EDLC 슈퍼커패시터에는 적용되지 않습니다.

절연 슬리브의 바는 편광 구성 요소에서 음극 단자를 식별합니다.

일부 문헌에서는 음극과 양극을 대신하여 "음극"과 "음극"이라는 용어를 사용합니다. 양극과 음극을 사용하여 슈퍼커패시터(및 리튬 이온 배터리를 포함한 충전식 배터리)의 전극을 설명하면 구성 요소가 발전기로 간주되는지 전류의 소비자로 간주되는지에 따라 극성이 변경되기 때문에 혼동이 발생할 수 있습니다. 전기화학에서 음극과 양극은 각각 환원 반응과 산화 반응과 관련이 있습니다. 그러나 전기 이중층 정전용량을 기반으로 하는 슈퍼커패시터에서는 두 전극 중 어느 하나에도 산화 또는 환원 반응이 없습니다. 따라서 음극과 양극의 개념은 적용되지 않습니다.

선택된 상용 슈퍼커패시터의 비교

사용 가능한 전극 및 전해질의 범위는 다양한 용도에 적합한 다양한 구성 요소를 산출합니다. 의사 정전용량이 높은 전극과 결합된 저오믹 전해질 시스템의 개발은 더 많은 기술적 해결책을 가능하게 합니다.

다음 표는 용량 범위, 셀 전압, 내부 저항(ESR, DC 또는 AC 값) 및 체적 및 중량 비에너지에서 다양한 제조업체의 커패시터 간 차이를 보여줍니다. 표에서 ESR은 각 제조업체의 정전용량 값이 가장 큰 부품을 나타냅니다. 대략적으로 슈퍼커패시터를 두 그룹으로 나눕니다. 첫 번째 그룹은 약 2,000만h의 더 큰 ESR 값과 0.1~470F의 상대적으로 작은 용량을 제공합니다. 메모리 백업 또는 이와 유사한 응용 프로그램을 위한 "이중층 커패시터"입니다. 두 번째 그룹은 100~10,000 F의 ESR 값을 제공하며 100만 ohm 이하로 상당히 낮은 ESR 값을 제공합니다. 이러한 구성 요소는 전력 애플리케이션에 적합합니다. Pandolfo와 Hollenkamp에서는 여러 제조업체의 슈퍼커패시터 시리즈와 다양한 건설 기능의 상관관계를 제공합니다.^[38]

상용 이중층 커패시터, 또는 보다 구체적으로 에너지 저장이 이중층 정전용량에 의해 주로 달성되는 EDLC에서, 전도성 전극의 표면에 전해질 이온의 전기적 이중층을 형성함으로써 에너지를 저장합니다. EDLC는 배터리의 전기화학적 전하 전달 역학에 제한을 받지 않기 때문에 100만 사이클 이상의 수명을 가지며 훨씬 더 높은 속도로 충전 및 방전할 수 있습니다. EDLC 에너지 밀도는 작동 전압과 전극/전해질 시스템의 특정 용량(파라드/그램 또는 파라드/cm³)에 의해 결정됩니다. 비용량은 전해질이 접근할 수 있는 SSA(Specific Surface Area), 계면 이중층 용량 및 전극 재료 밀도와 관련이 있습니다.

상용 EDLC는 유기 용매에 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트 염을 포함하는 전해질이 함침된 두 개의 대칭 전극을 기반으로 합니다. 유기 전해질을 포함하는 현재의 EDLC는 2.7 V에서 작동하며 5-8 Wh/kg 및 7-10 Wh/L 정도의 에너지 밀도에 도달합니다. 비용량은 전해질이 접근할 수 있는 비용량(SSA), 계면 이중층 비용량 및 전극 재료 밀도와 관련이 있습니다. 메조 다공성 스페이서 물질을 갖는 그래핀 기반 혈소판은 전해질의 SSA를 증가시키기 위한 유망한 구조입니다.^[95]

표준

슈퍼커패시터는 거의 교환할 수 없을 정도로 충분히 다양하며, 특히 더 높은 비에너지를 갖는 커패시터입니다. 응용 분야는 낮은 피크 전류에서 높은 피크 전류까지 다양하므로 표준화된 테스트 프로토콜이 필요합니다.^[96]

시험 규격 및 파라미터 요구사항은 일반 사양 IEC/EN 62391–1, 전자 장비에 사용하기 위한 고정 전기 이중층 커패시터에 명시되어 있습니다.

이 표준은 방전 전류 수준에 따라 네 가지 응용 프로그램 클래스를 정의합니다.

1. 메모리 백업
2. 모터 구동에 주로 사용되는 에너지 저장장치는 짧은 시간 작동이 필요하며,
3. 전력, 장시간 운전 시 더 높은 전력 수요,
4. 짧은 작동 시간에도 수백 암페어에 이르는 비교적 높은 전류 단위 또는 피크 전류를 필요로 하는 애플리케이션에 대한 순간 전력

3개의 추가 표준은 특별한 용도를 설명합니다.

• IEC 62391–2, 전자기기용 고정식 전기 이중층 콘덴서 - 블랭크 상세 사양 - 전력용 전기 이중층 콘덴서
• IEC 62576, 하이브리드 전기 자동차에 사용되는 전기 이중층 커패시터. 전기적 특성 시험방법
• BS/EN 61881-3, 철도 적용. 롤링 스톡 장비. 전력 전자 장치용 커패시터입니다. 전기 이중층 콘덴서

적용들

슈퍼커패시터는 비교적 짧은 시간 동안 많은 양의 전력이 필요한 응용 분야에서 매우 높은 충방전 사이클 수 또는 더 긴 수명이 필요한 응용 분야에서 장점이 있습니다. 일반적인 응용 분야는 최대 몇 분 동안 밀리암페어 전류 또는 밀리와트 전력에서 훨씬 짧은 기간 동안 수 암페어 전류 또는 수백 킬로와트 전력에 이르기까지 다양합니다.

슈퍼커패시터는 교류(AC) 애플리케이션을 지원하지 않습니다.

가전제품

노트북 컴퓨터, PDA, GPS, 휴대용 미디어 플레이어, 휴대용 장치 ^[97]및 태양광 시스템과 같이 부하가 변동하는 애플리케이션에서 슈퍼커패시터는 전력 공급을 안정화할 수 있습니다.

슈퍼커패시터는 디지털 카메라의 사진 플래시와 90초와 같이 훨씬 짧은 시간에 충전할 수 있는 LED 손전등에 전력을 공급합니다.^[98]

일부 휴대용 스피커는 슈퍼커패시터로 구동됩니다.^[99]

에너지 저장을 위한 슈퍼커패시터가 장착된 무선 전기 스크루 드라이버는 동급 배터리 모델보다 실행 시간이 약 절반이지만 90초 만에 완전히 충전할 수 있습니다. 3개월을 유휴 상태로 둔 후에도 85%의 충전량을 유지합니다.^[100]

발전 및 분배

그리드 전력 버퍼링

EV 충전기, HEV, 공조 시스템 및 첨단 전력 변환 시스템과 같은 수많은 비선형 부하는 전류 변동 및 고조파를 유발합니다.^[101][102] 이러한 전류 차이는 원치 않는 전압 변동을 일으키고 따라서 그리드에서 전원 진동을 일으킵니다.^[101] 전력 진동은 그리드의 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 공통 커플링 버스에서 전압 강하를 유발할 수 있으며 전체 시스템에서 상당한 주파수 변동을 일으킬 수 있습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 슈퍼커패시터를 부하와 그리드 사이의 인터페이스로 구현하여 그리드와 충전소에서 인출되는 고펄스 전력 사이의 버퍼 역할을 수행할 수 있습니다.^[103][104]

저전력 장비 전력 버퍼링

슈퍼커패시터는 RAM, SRAM, 마이크로 컨트롤러 및 PC 카드와 같은 저전력 장비에 백업 또는 비상 차단 전력을 제공합니다. 자동 미터 판독(^[105]AMR) 장비와 같은 저에너지 응용 프로그램 또는 산업 전자 장치의 이벤트 알림을 위한 유일한 전원입니다.

슈퍼커패시터는 충전식 배터리로 전력을 완충하여 짧은 전력 중단과 고전류 피크의 영향을 완화합니다. 배터리는 예를 들어 주 전원 또는 연료 전지에 고장이 발생하여 배터리 수명이 길어지는 경우와 같이 장시간 중단되는 경우에만 사용됩니다.

무정전 전원 공급 장치(UPS)는 훨씬 더 큰 뱅크의 전해 커패시터를 대체할 수 있는 슈퍼커패시터로 구동될 수 있습니다. 이 조합은 사이클당 비용을 줄이고 교체 및 유지 관리 비용을 절약하며 배터리의 크기를 줄일 수 있게 하고 배터리 수명을 연장합니다.^{[106][107][108]}

슈퍼커패시터는 풍력 터빈 피치 시스템의 액추에이터를 위한 백업 전력을 제공하여 메인 공급 장치가 고장 나더라도 블레이드 피치를 조정할 수 있습니다.^[109]

전압 안정화

슈퍼커패시터는 댐퍼 역할을 하여 전력선의 전압 변동을 안정화할 수 있습니다. 풍력 및 태양광 시스템은 슈퍼커패시터가 밀리초 이내에 완충할 수 있는 돌풍 또는 구름에 의해 유발되는 변동하는 공급을 나타냅니다.

마이크로그리드

마이크로 그리드는 일반적으로 깨끗하고 재생 가능한 에너지로 구동됩니다. 그러나 이러한 에너지 발전의 대부분은 하루 종일 일정하지 않으며 일반적으로 수요에 부합하지 않습니다. 슈퍼커패시터는 수요가 많고 생산량이 순간적으로 감소할 때 순간적으로 전력을 주입하고 반대 조건에서 에너지를 저장하는 마이크로그리드 저장에 사용할 수 있습니다. 마이크로그리드는 DC에서 전력을 생산하는 비율이 증가하고 있으며 커패시터는 DC 및 AC 애플리케이션 모두에 사용될 수 있기 때문에 이 시나리오에서 유용합니다. 슈퍼커패시터는 화학 배터리와 함께 가장 잘 작동합니다. 능동 제어 시스템을 통해 충전 및 방전 속도가 높아 빠르게 변화하는 전력 부하를 보상하기 위해 즉각적인 전압 버퍼를 제공합니다.^[112] 전압이 완충되면 인버터를 통해 전력망에 교류 전원을 공급합니다. 슈퍼커패시터는 AC 그리드에서 직접 이러한 형태의 주파수 보정을 제공할 수 없습니다.^[113][114]

에너지 하베스팅

슈퍼커패시터는 에너지 수확 시스템에 적합한 임시 에너지 저장 장치입니다. 에너지 하베스팅 시스템에서 에너지는 주변 또는 재생 가능한 소스, 예를 들어 기계적 움직임, 빛 또는 전자기장에서 수집되고 에너지 저장 장치에서 전기 에너지로 변환됩니다. 예를 들어, RF(radio frequency) 필드로부터 수집된 에너지는 (적절한 정류 회로로서 RF 안테나를 사용하여) 인쇄된 슈퍼커패시터에 저장될 수 있음이 입증되었습니다. 그런 다음 수확된 에너지를 사용하여 애플리케이션별 집적 회로(ASIC)에 10시간 이상 전원을 공급했습니다.^[115]

건전지

울트라 배터리는 하이브리드 충전식 납축 배터리이자 슈퍼커패시터입니다. 셀 구성에는 표준 납축 배터리 양극, 표준 황산 전해질 및 이중층 정전 용량으로 전기 에너지를 저장하는 특수 제조된 음극 기반 전극이 포함됩니다. 슈퍼커패시터 전극의 존재는 배터리의 화학적 성질을 변화시키고 이러한 방식으로 사용되는 밸브 조절 납-산 셀의 전형적인 고장 모드인 고속 부분 충전 상태에서 황산화로부터 상당한 보호를 제공합니다. 결과적으로 생성된 셀은 납축 셀 또는 슈퍼커패시터 이상의 특성으로 수행되며, 충전 및 방전 속도, 사이클 수명, 효율성 및 성능이 모두 향상됩니다.

의료의

슈퍼커패시터는 심장을 부비동 리듬으로 다시 충격을 주기 위해 500줄을 전달할 수 있는 제세동기에 사용됩니다.^[116]

군사의

슈퍼커패시터의 낮은 내부 저항은 단기 고전류가 필요한 애플리케이션을 지원합니다. 가장 초기에 사용된 것 중에는 탱크와 잠수함의 대형 엔진을 위한 모터 시동(특히 디젤 엔진 시동)이 있었습니다. 슈퍼커패시터는 배터리를 완충하여 짧은 전류 피크를 처리하고 사이클을 줄이고 배터리 수명을 연장합니다. 고도의 특정 전력을 필요로 하는 추가적인 군사 응용 분야는 위상 배열 레이더 안테나, 레이저 전원 공급 장치, 군용 무선 통신, 항공 전자 디스플레이 및 계측, 에어백 전개를 위한 백업 전력 및 GPS 유도 미사일 및 발사체입니다.

운송

모든 운송 수단의 주요 과제는 에너지 소비를 줄이고 CO
₂ 배출을 줄이는 것입니다. 제동 에너지의 회복(회생 또는 회생 제동)은 두 가지 모두에 도움이 됩니다. 이를 위해서는 높은 사이클 속도로 장시간에 걸쳐 에너지를 빠르게 저장하고 방출할 수 있는 부품이 필요합니다. 슈퍼커패시터는 이러한 요구 사항을 충족하므로 운송 분야의 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.

항공

2005년 항공우주 시스템 및 제어 회사인 Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH는 에어버스 380을 포함한 여객기에 사용되는 도어 및 대피 슬라이드의 비상 액추에이터에 전원을 공급하기 위해 슈퍼커패시터를 선택했습니다.^[109]

자동차

토요타 야리스 하이브리드-R 컨셉카는 슈퍼커패시터를 사용하여 폭발적인 동력을 제공합니다. PSA 푸조 시트로 ë은 더 빠른 초기 가속을 가능하게 하는 스톱 스타트 연료 절약 시스템의 일환으로 슈퍼커패시터를 사용하기 시작했습니다. Mazda의 i-ELOOP 시스템은 감속 중에 슈퍼커패시터에 에너지를 저장하고 Stop-Start 시스템에 의해 엔진이 정지되는 동안 온보드 전기 시스템의 전원을 공급하는 데 사용합니다.

레일

슈퍼커패시터는 디젤-전기 변속기가 장착된 디젤 철도 기관차의 스타터 시스템의 배터리를 보충하는 데 사용할 수 있습니다. 커패시터는 완전 정지 상태의 제동 에너지를 포착하고 디젤 엔진 시동 및 열차 가속을 위한 피크 전류를 전달하며 라인 전압의 안정화를 보장합니다. 주행 모드에 따라 제동 에너지 회수를 통해 최대 30%의 에너지 절약이 가능합니다. 낮은 유지 보수와 환경 친화적인 재료는 슈퍼커패시터의 선택을 장려했습니다.^[118]

플랜트기계

이동식 하이브리드 디젤 전기 고무 타이어 갠트리 크레인이 터미널 내에서 컨테이너를 이동하고 쌓습니다. 상자를 들어올리려면 많은 양의 에너지가 필요합니다. 부하를 낮추면서 일부 에너지를 회수할 수 있어 효율성이 향상되었습니다.^[119] 3중 하이브리드 지게차는 연료 전지와 배터리를 1차 에너지 저장 장치로 사용하고, 제동 에너지를 저장하여 전력 피크를 완충하는 슈퍼커패시터로 사용합니다. 포크 리프트는 30kW 이상의 피크 파워를 제공합니다. 트리플 하이브리드 시스템은 디젤 또는 연료 전지 시스템에 비해 50% 이상의 에너지 절감 효과를 제공합니다.^[120] 슈퍼커패시터 구동 터미널 트랙터는 컨테이너를 창고로 운반합니다. 디젤 터미널 트랙터에 대한 경제적이고 조용하고 무공해 대안을 제공합니다.^[121]

경전철

슈퍼커패시터는 에너지 절감뿐만 아니라 역사적인 도시 지역의 오버헤드 라인을 대체하여 도시의 건축 유산을 보존하는 것을 가능하게 합니다. 이 방법을 사용하면 많은 새로운 경전철 도시선이 완전한 경로를 지정하기에는 너무 비싼 오버헤드 와이어를 대체할 수 있습니다.

2003년에 Mannheim은 봄바디어 트랜스포테이션(Bombardier Transportation)의 MITRAC Energy Saver 시스템을 사용하여 지붕에 장착된 슈퍼커패시터 장치와 함께 기계적 제동 에너지를 저장하는 프로토타입 경전철 차량(LRV)을 채택했습니다.^[122][123] 3개의 평행선으로 상호 연결된 2700F/2.7V의 192개의 커패시터로 구성된 여러 장치가 포함되어 있습니다. 이 회로는 에너지 함량이 1.5kWh인 518V 시스템을 생성합니다. 가속을 위해 이 "온보드 시스템"은 LRV에 600kW를 제공할 수 있으며 오버헤드 라인 공급 없이 차량을 1km까지 주행할 수 있으므로 LRV를 도시 환경에 더 잘 통합할 수 있습니다. 기존 LRV 또는 Metro 차량이 에너지를 그리드로 되돌리는 것에 비해 온보드 에너지 스토리지는 최대 30% 절약하고 피크 그리드 수요를 최대 50%^[124]까지 줄입니다.

2009년 슈퍼커패시터를 통해 하이델베르크의 역사적인 도시 지역에서 LRV가 오버헤드 와이어 없이 작동하여 도시의 건축 유산을 보존할 수 있었습니다.^{[citation needed]} SC 장비는 차량 한 대당 추가 비용이 270,000유로이며, 이 비용은 운영 첫 15년 동안 회수될 것으로 예상됩니다. 슈퍼커패시터는 차량이 예정된 정류장에 있을 때 경유지에서 충전됩니다. 2011년 4월 하이델베르크를 담당하는 독일 지역 운송 사업자 라인-네카르는 11대를 추가로 주문했습니다.^[125]

2009년 알스톰과 RATP는 시타디스 트램에 "STEEM"이라고 불리는 실험적인 에너지 회수 시스템을 장착했습니다.^[126] 이 시스템에는 제동 에너지를 저장하기 위해 48개의 지붕 장착형 슈퍼커패시터가 장착되어 있으며, 이는 트램이 경로의 일부에서 오버헤드 송전선 없이 운행할 수 있도록 함으로써 높은 수준의 에너지 자율성을 제공합니다. 전원이 공급되는 경유지에서 이동하는 동안 충전합니다. 파리의 트램웨이 네트워크 T3호선의 포르테 디탈리와 포르테 드 초이스 정류장 사이에서 진행된 테스트 동안 트램셋은 평균 약 16%의 에너지를 덜 사용했습니다.^[127]

2012년 트램 운영사인 제네바 대중교통은 제동 에너지를 회수하기 위해 원형 루프 장착 슈퍼커패시터 장치가 장착된 LRV의 테스트를 시작했습니다.^[128]

Siemens는 모바일 스토리지를 포함한 슈퍼커패시터 강화 경전철 운송 시스템을 제공하고 있습니다.^[129]

홍콩의 사우스 아일랜드 지하철 노선은 에너지 소비를 10%^[130] 줄일 것으로 예상되는 2MW 에너지 저장 장치 2개를 갖출 예정입니다.

2012년 8월, 중국 CSR Zhou Zhou Electric Locomotive Corporation은 지붕에 장착되는 슈퍼커패시터 장치가 장착된 2량 경전철 시제품을 선보였습니다. 이 열차는 전선 없이 2km까지 주행할 수 있으며, 지상에 장착된 픽업을 통해 역에서 30초 만에 충전할 수 있습니다. 공급업체는 이 열차가 중국 중소도시 100곳에서 사용될 수 있다고 주장했습니다.^[131] 슈퍼커패시터로 구동되는 7대의 트램(노면차)이 2014년 중국 광저우에서 운행될 예정이었습니다. 슈퍼커패시터는 레일 사이에 위치한 장치에 의해 30초 안에 재충전됩니다. 최대 4km(2.5마일)까지 트램에 동력을 공급합니다.^[132] 2017년 현재 Zhuzhou의 슈퍼커패시터 차량은 새로운 난징 노면전차 시스템에도 사용되며 우한에서 시범 운행 중입니다.^[133]

2012년 프랑스 리옹에서 SYTRAL(Lyon 대중교통국)은 LRV, LRT 및 메트로용 "NeoGreen"이라는 자체 에너지 세이버를 개발한 Adetel Group이 구축한 "웨이 사이드 재생" 시스템의 실험을 시작했습니다.^[134]

2014년부터 중국은 슈퍼커패시터로 구동되는 트램을 사용하기 시작했는데, 이 트램은 레일 사이에 위치한 장치에 의해 30초 만에 충전되어 최대 4km까지 운행할 수 있는 전력을 저장하며, 이는 사이클을 반복할 수 있는 다음 정류장에 도달하기에 충분한 시간 이상입니다.

2015년 알스톰은 트램 정류장에 위치한 지상 도체 레일을 통해 트램에 탑승한 슈퍼커패시터를 충전하는 에너지 저장 시스템인 SRS를 발표했습니다. 이를 통해 단거리를 위해 오버헤드 라인 없이 트램을 운영할 수 있습니다.^[135] 이 시스템은 2016년 개통된 브라질 리우데자네이루의 VLT 네트워크의 경우처럼 회사의 지상급 전원공급장치(APS) 시스템의 대안으로 선전되거나 이와 함께 사용될 수 있습니다.^[136]

CAF는 또한 ACR 시스템의 형태로 Urbos 3 트램의 슈퍼커패시터를 제공합니다.^[117]

버스

미국의 슈퍼커패시터 제조업체인 맥스웰 테크놀로지스는 특히 중국에서 20,000대 이상의 하이브리드 버스가 이 장치를 사용하여 가속도를 높이고 있다고 주장했습니다.^{[citation needed]}

유럽에서 슈퍼커패시터가 장착된 최초의 하이브리드 전기 버스는 2001년 독일 뉘른베르크에서 출시되었습니다. MAN의 소위 "Ultracapbus"였으며, 2001/2002년에 실제 운영에서 테스트되었습니다. 테스트 차량에는 슈퍼커패시터와 결합된 디젤 전기 드라이브가 장착되었습니다. 시스템에는 80V의 울트라캡 모듈 8개가 제공되었으며 각 구성 요소에는 36개가 포함되어 있습니다. 이 시스템은 640V로 작동했으며 400A에서 충전/방전이 가능했습니다. 에너지 함량은 0.4kWh, 무게는 400kg이었습니다.

슈퍼커패시터는 제동 에너지를 다시 포착하고 시동 에너지를 전달했습니다. 기존 디젤 차량 대비 연료 소모량을 10~15% 줄였습니다. 다른 장점으로는 CO
₂ 배출량 감소, 조용하고 배기가스가 없는 엔진 시동, 진동 감소, 유지보수 비용 절감 등이 있습니다.^[137][138]

2002년^[update] 스위스 루체른에서 TOHYCO-Rider라는 전기 버스 함대가 테스트되었습니다. 슈퍼커패시터는 3~4분 이내에 운송 주기마다 유도식 비접촉식 고속 전력 충전기를 통해 충전할 수 있습니다.^[139]

2005년 초, 상하이는 버스가 정차할 때마다 부분적으로 충전하고 (이른바 전기 우산 아래) 종점에서 완전히 충전하는 대형 온보드 슈퍼커패시터를 사용하여 전력선 없이 운행하는 카파버스라고 불리는 새로운 형태의 전기 버스를 테스트했습니다. 2006년에 두 개의 상용 버스 노선이 카파버스를 사용하기 시작했습니다. 그 중 하나는 상하이의 11번 노선입니다. 이 슈퍼커패시터 버스는 리튬이온 배터리 버스보다 값이 싸고, 버스 한 대는 디젤 버스의 에너지 비용이 10분의 1 수준으로 평생 연료 절감 효과가 20만 달러에 달한 것으로 추정됐습니다.^[140]

트라이브리드라고 불리는 하이브리드 전기 버스는 학생 수송용으로 사용하기 위해 2008년 웨일즈의 글래머건 대학에 의해 공개되었습니다. 수소 연료 또는 태양 전지, 배터리 및 울트라 커패시터로 구동됩니다.^[141][142]

자동차 경주

자동차 경주 경기의 관리 기관인 FIA는 Formula 1 버전 1의 Power-Train 규정 프레임워크에서 제안했습니다.2007년 5월 23일 3일에 배터리와 슈퍼커패시터를 병렬로 연결하여 만든 "슈퍼배터리"를 사용하여 최대 200kW의 입력 및 출력 전력의 하이브리드 구동을 포함하는 새로운 일련의 파워 트레인 규정이 발행됩니다.^[143][144] KERS 시스템을 사용하면 약 20%의 탱크-투-휠 효율에 도달할 수 있습니다. 르망 프로토타입(Le Mans Prototype) 규칙에 따라 개발된 레이싱카인 토요타 TS030 하이브리드 LMP1 자동차는 슈퍼커패시터가 장착된 하이브리드 드라이브트레인을 사용합니다.^[145][146] 2012 24 Hours of Le Mans 레이스에서 TS030은 플라이휠 에너지 저장 장치가 장착된 Audi R18 e-트론 콰트로보다 1.055초 느렸다(3:24.842 대 3:23.787).^[147] 급속 충전-방전 기능이 제동과 가속 모두에 도움이 되는 슈퍼커패시터와 플라이휠 부품은 아우디와 도요타 하이브리드를 경주에서 가장 빠른 자동차로 만들었습니다. 2012년 르망 레이스에서 두 경쟁 TS030은 슈퍼커패시터와 무관한 이유로 은퇴했습니다. TS030은 2012 FIA 월드 인듀어런스 챔피언십 시즌에서 8번의 레이스 중 3번의 레이스에서 우승했습니다. 2014년 도요타 TS040 하이브리드는 슈퍼커패시터를 사용하여 두 개의 전기 모터에서 480마력의 힘을 추가했습니다.^[132]

하이브리드 전기 자동차

전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 슈퍼커패시터/배터리 조합이 잘 조사되었습니다.^{[96][148][149]} EV 또는 HEV에서 브레이크 에너지를 회수함으로써 20~60%의 연료 절감 효과가 있다는 주장이 제기되었습니다. 슈퍼커패시터가 배터리보다 훨씬 빠르게 충전할 수 있는 능력, 안정적인 전기적 특성, 더 넓은 온도 범위 및 더 긴 수명이 적합하지만 무게, 부피 및 특히 비용은 이러한 이점을 완화합니다.

슈퍼커패시터의 낮은 비에너지는 장거리 주행을 위한 독립형 에너지원으로 사용하기에 적합하지 않습니다.^[150] 커패시터와 배터리 솔루션 간의 연비 향상은 약 20%이며 더 짧은 주행에만 사용할 수 있습니다. 장거리 주행 시 이점이 6%로 감소합니다. 커패시터와 배터리를 결합한 차량은 실험 차량에서만 운행됩니다.^[151]

2013년^[update] 현재 모든 EV 또는 HEV 자동차 제조업체는 드라이브라인 효율을 향상시키기 위해 배터리 대신 슈퍼커패시터를 사용하여 제동 에너지를 저장하는 프로토타입을 개발했습니다. 마쓰다 6는 슈퍼커패시터를 사용하여 제동 에너지를 회수하는 유일한 생산 자동차입니다. i-e루프로 브랜드화된 회생제동은 연료 소비를 약 10%^[152] 감소시키는 것으로 알려져 있습니다. 러시아 Yo-cars ё-mobile 시리즈는 가솔린 구동 로터리 베인 유형과 트랙션 모터 구동을 위한 전기 발전기와 함께 작동하는 개념 및 크로스오버 하이브리드 차량이었습니다. 상대적으로 낮은 용량의 슈퍼커패시터는 정지 상태에서 가속할 때 브레이크 에너지를 회수하여 전기 모터에 전원을 공급합니다.^[153] 도요타의 야리스 하이브리드-R 콘셉트카는 슈퍼커패시터를 사용해 빠른 출력을 제공합니다.^[132] PSA 푸조 시트로 ë는 정지 시동 연료 절약 시스템의 일부로 일부 자동차에 슈퍼커패시터를 장착합니다. 이는 신호등이 녹색으로 바뀌면 더 빠른 시동이 가능하기 때문입니다.

곤돌라

오스트리아의 젤람 시(Zellam See)에는 공중 리프트가 도시와 슈미텐회헤(Schmittenhöhe) 산을 연결합니다. 곤돌라는 때때로 조명, 문 개방 및 통신에 전기를 사용하여 하루 24시간 작동합니다. 역에서 배터리를 충전할 수 있는 유일한 시간은 짧은 시간 동안의 게스트 로딩 및 언로딩 시간으로, 배터리를 충전하기에는 너무 짧습니다. 슈퍼커패시터는 배터리보다 빠른 충전, 더 높은 사이클 수 및 더 긴 수명을 제공합니다. 템스 케이블카라고도 알려진 에미레이트 항공(케이블카)은 영국 런던에 있는 1킬로미터(0.62마일) 길이의 곤돌라 노선으로, 그리니치 반도에서 로열 도크까지 템스 강을 가로지릅니다. 객실에는 슈퍼커패시터로 구동되는 현대식 인포테인먼트 시스템이 장착되어 있습니다.^[154][155]

개발사항

2013년^[update] 현재 상용화된 리튬 이온 슈퍼커패시터는 15 Wh/kg(54 kJ/kg)에 달하는 현재까지 가장 높은 중량비 에너지를 제공합니다. 연구는 특정 에너지 개선, 내부 저항 감소, 온도 범위 확대, 수명 증가 및 비용 절감에 중점을 둡니다.^[22] 프로젝트에는 맞춤형 기공 크기의 전극, 의사 용량 코팅 또는 도핑 물질 및 개선된 전해질이 포함됩니다.

공지사항

발전	날짜.	비에너지[A]	특정전력	주기	정전용량	메모들
휘발성 액체의[156] 모세관 압축에 의해 압축된 그래핀 시트	2013	60 Wh/L				나노미터 이하의 전해질 통합으로 연속적인 이온 수송 네트워크를 만들었습니다.
수직으로 정렬된 탄소나노튜브 전극[10][60]	2007 2009 2013	13.50 Wh/kg	37.12 W/g	300,000		최초실현[157]
휘어진 그래핀 시트[55][56]	2010	85.6 Wh/kg			550F/g	대면적으로 재쌓이지 않는 곡선형 그래핀 시트의 단층으로 최대 4V의 전압에서 환경 친화적인 이온 전해질에 의해 접근 가능하고 젖을 수 있는 메조기공을 형성합니다.
KOH 재구조화 흑연산화물[158][159]	2011	85 Wh/kg		>10,000	200F/g	수산화칼륨은 3차원 다공성 네트워크를 만들기 위해 탄소를 재구성했습니다.
매크로 기공 및 메조[160] 기공을 갖는 슈퍼커패시터 전극으로서 활성화된 그래핀 기반 탄소	2013	74 Wh/kg				표면적이 3290 m2/g인 거대다공성 스캐폴드에 메조기공이 통합된 그래핀 유래 탄소의 3차원 기공 구조체
공액 미세다공성 고분자[161][162]	2011	53 Wh/kg		10,000		Aza-fused π 결합 미세다공성 골조
SWNT 복합전극[163]	2011		990W/kg			맞춤형 중-대공 구조로 더 많은 전해질을 담을 수 있어 용이한 이온 수송을 보장합니다.
CNT 복합전극[164] 위의 수산화니켈 나노플레이크	2012	50.6 Wh/kg			3300 F/g	Ni(OH)/2CNT/NF 전극을 1.8V의 셀 전압을 갖는 활성탄(AC) 음극으로 조립된 음극으로 사용하는 비대칭 슈퍼커패시터
배터리-전극 나노하이브리드[76]	2012	40 Wh/L	7.5 W/L	10,000		탄소나노섬유(CNF) 양극 및 활성탄 음극에 증착된 LiTiO 4 5 12(LTO)
중다공성 카본 에어로겔에[165] 증착된 니켈코발트아이트	2012	53 Wh/kg	2.25W/kg		1700 F/g	니켈코발트석, 저렴한 비용과 환경 친화적인 초용량 소재
이산화망간 삽입 나노플레이크[166]	2013	110 Wh/kg			1000 F/g	습식 전기화학 공정은 MnO 2 층간층에 Na(+) 이온을 삽입했습니다. 나노플레이크 전극은 향상된 산화환원 피크와 함께 더 빠른 이온 확산을 나타냅니다.
3차원 다공성 그래핀 전극[167]	2013	98 Wh/kg			231 F/g	주름진 단일층 그래핀 시트는 적어도 일부 공유 결합을 갖는 수 나노미터 크기입니다.
온칩 에너지 저장을[168] 위한 그래핀 기반 평면 마이크로 슈퍼커패시터	2013	2.42 Wh/L				온칩라인 필터링
나노시트 콘덴서[169][170]	2014				27.5μF cm−2	전극: RuO0.9520.2– 유전체: CaNbO2310–. 상온 용액 기반 제조 공정 총 두께가 30nm 미만입니다.
LSG/이산화망간[171]	2015	42 Wh/L	10kW/L	10,000		전도성, 다공성 및 표면적을 위한 3차원 레이저 스크립팅 그래핀(LSG) 구조. 전극의 두께는 약 15미크론입니다.
레이저 유도 그래핀/고체 전해질[172][173]	2015		0.02mA/cm2		9mF/cm2	반복적인 굴곡에서 살아남습니다.
전이금속 디칼코게나이드, 이황화텅스텐(WS2)[174][175]의 껍질로 둘러싸인 삼산화텅스텐(WO3) 나노선 및 2차원 구조체	2016	~100 Wh/L	1kW/L	30,000		나노와이어를 둘러싼 2차원 쉘

^A 전극 재료에 대한 연구는 전극 또는 반전지와 같은 개별 구성 요소의 측정이 필요합니다.^[176] 측정에 영향을 주지 않는 상대 전극을 사용함으로써 관심 전극만의 특성을 드러낼 수 있습니다. 실제 슈퍼커패시터의 비에너지 및 전력은 전극 밀도의 약 1/3에 불과합니다.

시장.

2016년^[update] 기준으로 슈퍼커패시터의 전 세계 매출은 약 4억 달러입니다.^[177]

배터리 시장(Frost & Sullivan 추정)은 475억 달러(76.4% 또는 363억 달러가 충전식 배터리)에서 950억 달러로 성장했습니다.^[178] 슈퍼캐패시터 시장은 여전히 더 큰 경쟁자와 보조를 맞추지 못하는 작은 틈새 시장입니다.

2016년 IDTechEx는 매출이 2억 4천만 달러에서 2026년까지 20억 달러로 매년 약 24%^[179] 증가할 것으로 전망했습니다.

2006년 슈퍼커패시터 비용은 패러드당 US$0.01 또는 킬로줄당 US$2.85였으며 2008년에는 패러드당 US$0.01 미만으로 움직였으며 중기적으로 더 떨어질 것으로 예상되었습니다.^[180]

참고 항목

• Capa vehicle – Wikidata 설명을 폴백으로 표시하는 운송 차량 유형 페이지
• 커패시터 타입 – 전자 기기의 제조 스타일
• 공액 미세다공성 고분자 – Wikidata 설명을 폴백으로 표시하는 다공성 재료의 유형 페이지
• 전기 자동차 배터리 – 배터리 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차의 전기 모터에 전원을 공급하는 데 사용되는 배터리
• 플라이휠 에너지 저장 – 에너지 저장 방법
• 신흥 기술 목록 – 개발 중인 신기술
• 리튬 이온 커패시터 – 하이브리드 유형의 커패시터
• 기계식으로 작동하는 손전등 – 사람이 작동하는 손전등
• 나노플라워(nanoflower) – 미세한 관점에서 꽃과 유사한 형태를 만드는 화합물

참고문헌

추가읽기

• Abruña, H. D.; Kiya, Y.; Henderson, J. C. (2008). "Batteries and Electrochemical Capacitors" (PDF). Phys. Today. 61 (12): 43–47. Bibcode:2008PhT....61l..43A. doi:10.1063/1.3047681. Archived from the original (PDF) on 4 March 2016. Retrieved 17 February 2015.
• Bockris, J. O'M.; Devanathan, M. A. V.; Muller, K. (1963). "On the Structure of Charged Interfaces". Proc. R. Soc. A. 274 (1356): 55–79. Bibcode:1963RSPSA.274...55B. doi:10.1098/rspa.1963.0114. S2CID 94958336.
• Béguin, Francois; Raymundo-Piñeiro, E.; Frackowiak, Elzbieta (2009). "Electrical Double-Layer Capacitors and Pseudocapacitors". Carbons for Electrochemical Energy Storage and Conversion Systems. Advanced Materials and Technologies. Vol. 20091238. CRC Press. pp. 329–375. doi:10.1201/9781420055405-c8. ISBN 978-1-4200-5540-5.
• Conway, Brian Evans (1999). Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications. Springer. doi:10.1007/978-1-4757-3058-6. ISBN 978-0306457364.
• Zhang, J.; Zhang, L.; Liu, H.; Sun, A.; Liu, R.-S. (2011). "8. Electrochemical Supercapacitors". Electrochemical Technologies for Energy Storage and Conversion. Weinheim: Wiley-VCH. pp. 317–382. ISBN 978-3-527-32869-7.
• Leitner, K. W.; Winter, M.; Besenhard, J. O. (2003). "Composite Supercapacitor Electrodes". J. Solid State Electr. 8 (1): 15–16. doi:10.1007/s10008-003-0412-x. S2CID 95416761.
• Kinoshita, K. (18 January 1988). Carbon: Electrochemical and Physicochemical Properties. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-84802-8.
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• Palaniselvam, Thangavelu; Baek, Jong-Beom (2015). "Graphene based 2D-materials for supercapacitors". 2D Materials. 2 (3): 032002. Bibcode:2015TDM.....2c2002P. doi:10.1088/2053-1583/2/3/032002. S2CID 135679359.
• Ploehn, Harry (2015). "Composite for energy storage takes the heat". Nature. 523 (7562): 536–537. Bibcode:2015Natur.523..536P. doi:10.1038/523536a. PMID 26223620. S2CID 4398225.
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외부 링크

• 슈퍼커패시터: 개요