2. 슈퍼커패시터의 성능 평가 (Electrochemical measurement) - GCD

슈퍼커패시터의 성능을 평가하는데는 여러 방법이 있는데
 
이번 글에서는 GCD, Galvanostatic Charge-Discharge 에 대해 써보려고 한다.
 
 
 
 

1. GCD (Galvanostatic Charge-Discharge)

 
GCD는 소제목에서 보이듯이 Galvanostatic Charge-Discharge 를 줄인 말이다.
 
Galvanostatic은 한국 말로 정전류이기 때문에
 
GCD는 정전류를 유지하기 위해 시료의 저항/커패시턴스에 따라 전압을 변화시키는 것이며
 
정전류를 인가하고 전압을 측정하는 방식이다.
 
 
 

슈퍼커패시터와 배터리의 GCD (출처. Yuanlong Shao, Maher El-Kady, Jingyu Sun, Yaogang Li, "Design and Mechanisms of Asymmetric Supercapacitors", September 2018Chemical Reviews 118(18))

 
위의 사진에서 c, d의 그래프는 슈퍼커패시터와 배터리의 이상적인 GCD와 실제 GCD를 나타낸 것이다.
 
 
우선 슈퍼커패시터와 배터리의 GCD에는 공통적인 부분이 하나 보이는데 
 
charging되는 부분의 최고점과 discharging되는 부분의 최고점이 차이가 있는 것이다.
 
이 부분이 생기는 이유는 사진에 적혀있는 것처럼 ESR이라고 불리는 내부 저항 때문이다.
 
 
 
 
 
그렇다면 ESR이란 무엇일까?
 
ESR은 Equivalent Series Resistance로, 한국말로는 등가 직렬 저항이라고 부른다.
 
이 저항은 주파수가 있는 조건에서 존재하는 저항성분으로 
 
교류회로에서 사용할 경우 성능에 영향을 주게 된다.
 
 
 
 
 
실제 커패시터의 경우 전극이 flat하지 못하다던지, 집전체와 회로 사이 연결 문제 등으로 
 
ESR, 내부 저항이 존재하게 되는데 
 
이로 인해 누설전류가 발생하면서 voltage drop 현상이 나타나게 된다.
 
 
 
 
 
그래서 ESR의 경우 작을수록 좋은 성능을 나타낸다.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
앞에서 배터리와 슈퍼커패시터의 GCD의 공통점에 대해 봤다면
 
이번에는 차이점을 보려고 한다.
 
 
 
슈퍼커패시터의 GCD는 선형의 그래프를 볼 수 있으나
 
배터리의 GCD는 비선형의 그래프를 확인할 수 있다.
 
왜 그런 것일까?
 
 
 
이는 배터리와 슈퍼커패시터의 구조 차이점 때문인데
 
슈퍼커패시터는 보통 정전기적 인력을 이용하여 에너지를 저장한다. (전기이중층 커패시터)
 
 
 
그러나 배터리의 경우 전기화학적인 상호작용을 이용하여 에너지를 저장한다.
 
 
 
따라서 배터리는 3가지 분극 현상이 발생하게 되는데 
 
첫번째는 GCD의 방전 그래프에서 초반에 급격하게 하강하는 모양의 그래프가 나타나는데
 
이는 금속 표면과 용액 계면에서 전하 교환이 많아지면서 일어나는
 
activation polarization 으로 인한 것이며
 
 
 
두번째는 평평한 모양의 그래프가 나타나는데 
 
이는 화학적 변화로 인해 일어나는 ohmic polarization 때문이며
 
 
 
세번째는 농도 변화로 인한 concentration polarization으로 
 
방전 말단에서 급격하게 감소하는 모양의 그래프가 나타난다.
 
 
 
따라서 슈퍼커패시터와 배터리는 다른 모습의 GCD를 볼 수 있으며 
 
슈퍼커패시터 중에 전기화학적 반응을 이용하는 슈도커패시터나 하이브리드커패시터의 경우
 
배터리와 비슷한 모습의 그래프를 확인할 수 있다.
 
 
 
 
 
 
 
 
GCD는 충방전시간을 측정할 수 있으며
 
cycle 수를 크게 할 경우 소자의 life time도 체크할 수 있다.
 
 
 
 
또한, 다음 글에서 설명할 CV와 동일하게 그래프의 값을 이용해
 
specific capacitance, 비축전량을 구할 수 있다.
 

Cs = 2I△t / w△V

 
위의 식으로 specific capacitance를 구할 수 있는데
 
discharging current인 I, discharging time인 △t,
 
전극의 질량인 w, 방전에서 전압의 차이인 △V를 대입하면 된다.