1. 슈퍼커패시터 (supercapacitor)

슈퍼커패시터는 전하의 형태로 전기적 에너지를 저장할 수 있는 고체 상태의 소자이다.
 
 
 
 
 

1. 커패시터 (capacitor)

 
 
슈퍼커패시터를 설명하기 전에 커패시터부터 간단히 설명하자면
 
 
커패시터 (capacitor)는 한국말로 콘덴서, 또는 축전기라고도 불리며 
전기 회로에서 전기 용량을 전기적 퍼텐셜 에너지로 저장하는 장치이다. 
 

커패시터의 구조

 
위의 그림에서 보시다 싶이 커패시터는 2개의 도체판 사이에 절연체가 들어간 구조이다.
 
 
두 도체판 사이에 전압을 걸면
음극쪽의 절연체에는 (+) 전하가 유도되고 양극쪽의 절연체에는 (-) 전하가 유도되면서 전기에너지를 일시적으로 저장한다.
 
 
이 때 모이는 전하량은 전압에 비례하며 
커패시터가 전하를 충전할 수 있는 능력을 커패시턴스 (capacitance), 또는 정전용량이라고 한다.
 
 
단위는 F (패럿)이며 커패시터의 경우에는 pF나 uF를 주로 사용한다.
 
 
 
 
 

2. 슈퍼커패시터 (supercapacitor)

 
 
슈퍼커패시터는 배터리와 커패시터의 중간이라고 보면 되는데
 
 

MyungSuk Son, JunHyung Ryu,"Recent Research Trends of Supercapacitors for Energy Storage Systems", Clean Technol., Vol. 27, No. 4, December 2021, p279

 

위의 사진을 보면 슈퍼커패시터는 에너지밀도가 커패시터보다는 높지만 배터리보다는 낮고
전력밀도는 배터리보다는 높지만 커패시터보다는 낮은 것을 볼 수 있다.
 
 
 
에너지밀도는 실제로 저장할 수 있는 에너지를 이야기하고
전력밀도는 한 번에 출력할 수 있는 전력을 이야기하는 것이기 때문에
 
 
 
에너지밀도를 보면
슈퍼커패시터는 커패시터의 특성상 충방전시간 (charge-discharge time)이 짧아
배터리보다는 실제로 저장하는 에너지가 적지만 커패시터보다는 많다.
 
 
 
전력밀도를 보면
슈퍼커패시터는 배터리보다 훨씬 더 높은 전력을 한 번에 출력할 수 있지만
커패시터보다는 적은 편이라고 이해할 수 있는 것이다.
 

 

PRIYANKA SHARMA, VINOD KUMAR, "Current Technology of Supercapacitors: A Review", Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 49, No. 6, 2020, p.3521

 

또한, 슈퍼커패시터의 특성으로는 앞에서 언급한 것뿐만 아니라
배터리에 비해서 충방전시간이 짧은 점, 사이클 수명이 긴 점, 무게가 가벼운 점 등이 있다.
 

 
 
 
 

3. 슈퍼커패시터의 구조

 
 

앞에서 언급한 대로 커패시터가 2개의 전극과 절연체로 이루어져 있는 것과는 달리
슈퍼커패시터는 2개의 전극과 전해질로 이루어져 있다.
 
 
조금 더 자세히 설명하자면 집전체 (current collector), 전극활물질 (electrode material), 전해질 (electrolyte), 분리막 (separator) 로 이루어져 있다.
 

 

A schematic diagram of a supercapacitor at the charged state (https://www.researchgate.net/figure/A-schematic-diagram-of-a-supercapacitor-at-the-charged-state_fig1_335531465)

 
 
 
 
 
 

3.1. 집전체 (current collector)

 

집전체는 전극활물질에서 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나
전극활물질에서 전자를 받아 외부로 흘려 보내는 통로이다. 
 
 
슈퍼커패시터의 경우에는 주로 Al foil을 사용한다.
 
 
집전체에 사용되는 물질의 경우 높은 전도성을 가지고 질량이 가벼우며 내부식성이 있고 전위 안정성이 있을 경우
집전체에 사용하기 좋은 물질이라고 할 수 있다.

 
 
 
 
 

3.2. 전극활물질 (electrode material)

 
전극활물질은 양극에서 전극 반응에 관여하는 물질로
소자의 종류에 따라 양극이 같을 수도 다를 수도 있다.
 
 
 
슈퍼커패시터에서 주로 사용하는 전극활물질로는
carbon 기반 물질, 전도성 고분자 (conducting polymer), 금속산화물 (metal oxide) 가 있다.
carbon 기반 물질로는 activated carbon (AC), graphene, carbon nano cube(CNT) 등이 있다.
 
 
 
전극활물질의 경우 고용량, 고밀도, 고전도성을 가지고 수명이 높으며 저항이 낮을 경우
좋은 전극활물질이라고 할 수 있다.
 
 
 
전극활물질의 경우 설명할 부분이 많아 다른 글에 추가적으로 설명하려고 한다.
 
 
 
 
 

3.3. 전해질 (electrolyte)

 
전해질은 자신이 이온 전도도를 가져 전하를 양극으로 공급하는 물질이다.
 
 
슈퍼커패시터에서 사용되는 전해질에는 여러 종류가 있는데
aqueous electrolyte, organic electrolyte, ionic liquids (ILs) 등 소자의 종류마다 다양하다.
 
 
 
전해질은 이온 전도도, 작동 전압와 온도 특성에 따라 성능이 달라진다.
 
 
 
전해질도 전극활물질과 마찬가지로 다음에 좀 더 자세히 설명하려고 한다.
 
 
 
 
 

3.4. 분리막 (separator)

 
분리막은 소자가 단선 (electrical short circuit) 되는 것을 방지하도록 하는 물질이다.
 
 
분리막으로는 주로 기공 구조 물질 (porous material) 과 고분자막 (polymer membrane) 이 사용된다.