2. 슈퍼커패시터의 성능 평가 (Electrochemical measurement) - EIS

슈퍼커패시터의 성능을 평가하는데는 여러 방법이 있는데

이번 글에서는 EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy 에 대해 써보려고 한다.

 

 

 

 

 

 

1. EIS ( Electrochemical Impedance Spectroscopy )

 

EIS는 소자에 교류전압을 인가해 주었을 때

 

시간에 따라 달라지는 Impedance 값을,

 

실수 Impedance 값과 허수 Impedance 값으로 표현하는 전기화학적 분석 방식이다.

 

EIS에 대한 자세한 설명은 전기화학 글로 설명할 예정이다.

 

따라서 이번 글에서는 커패시터의 EIS에 대해 설명할 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

2. 커패시터의 EIS

 

이상적인 커패시터의 EIS 그래프의 경우 아래의 그림처럼 그려진다.

Bing-Ang Mei,Obaidallah Munteshari,Jonathan Lau,Bruce Dunn,and Laurent Pilon, Physical Interpretations of Nyquist Plots for EDLC Electrodes and Devices

 

위의 그래프를 보면 

 

첫번째는 허수임피던스 값이 0으로 유지되는 부분,

 

두번째는 반원의 그래프가 그려지는 부분,

 

세번째는 기울기를 가지면서 올라가는 직선의 부분,

 

네번째는 수직으로 올라가는 부분이 존재하는데

 

 

 

커패시터의 EIS의 경우

 

앞에서 간단히 설명한대로 크게 4가지의 부분으로 나누어진다.

 

 

 

 

 

첫번째로 설명할 부분은

 

허수임피던스 값이 0으로 유지되는 부분으로써

 

이는 bulk electrolyte의 저항과 ESR로 인해 발생하는 부분이다.

 

 

 

여기서 ESR이란 내부 저항 (internal resistance) 로 알려져 있는 저항으로써

 

전극과 집전체 사이에서의 접촉 저항, bulk electrolyte와 전극 자체의 저항의 합을

 

나타내는 것이다.

 

 

 

 

 

 

두번째로 설명할 부분은

 

반원의 그래프가 그려지는 부분으로써

 

이는 전극의 pore로 인한 전해질의 저항, 전극과 집전체 사이의 접촉 저항,

 

charge transfer의 저항 등에 의해 발생하는 부분이다.

 

 

 

우리가 현재 측정하는 EDLC의 경우

 

charge transfer의 저항은

 

첫번째, 두번째 부분의 원인인

 

전극의 porous한 구조로 인한 전해질 저항, 전극 저항, 전극과 집전체 사이의 접촉 저항과

 

상응하기 때문에

 

첫번째와 두번째 부분은 내부저항으로 인한 것이라고 생각할 수 있다.

 

또한, 이 부분들은 높은 주파수 (고주파) 에서 측정이 쉬운 편이다.

 

 

 

 

 

세번째로 설명할 부분은

 

기울기를 가지면서 올라가는 직선의 부분으로써

 

이는 porous한 구조의 전극에서 전해질의 이온 이동 제한, 

 

bulk electrolyte에서 이온 이동 제한,

 

일정하지 못한 전극 pore 크기와 전극 roughness로

 

bulk electrolyte에서 porous한 전극까지의 이온 이동 경로의 일정하지 못함 등으로

 

발생하는 부분이다.

 

 

 

와버그 임피던스라고 부르기도 하며

 

앞에서 보다싶이 전해질 내 이온의 확산 정도에 관계된 부분이라고 할 수 있다.

 

이 부분은 중간정도의 주파수에 측정이 쉬운 편이다.

 

 

 

 

 

네번째로 설명할 부분은

 

수직으로 올라가는 부분으로써

 

capacitive behavior라고 주로 부른다.

 

 

 

이 부분은 전극/전해질 계면에서 형성되는 전기이중층의 특성으로 인해

 

발생하는 부분이며

 

낮은 주파수 (저주파)에서 측정이 쉬운 편이다.

 

 

 

 

 

그렇다면 이 EIS 측정 결과를 가지고 어떻게 소자의 성능을 비교할 수 있을까?

 

 

 

parameter를 구하는 것은 랩마다 방식이 다르기에 

 

간단히 그래프만으로 성능을 비교하는 방법을 보자면

 

주로 첫번째, 두번째 부분을 보고 성능을 비교한다.

 

 

 

첫번째 부분의 길이, 즉 값이 짧을수록

 

두번째 부분의 반원이 작을수록

 

간단히 소자의 성능이 더 좋겠구나... 하고 유추할 수 있다.

 

 

 

또한, EIS 측정기기에 회로를 기입하여

 

측정하게 되면 자동으로 capacitance가 나와

 

그 값을 소자 성능 비교에 이용할 수 있다.