1-1. 전기이중층 커패시터 (Electric Double Layer Capacitor), EDLC

슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터 (Electric Double Layer Capacitor), 슈도커패시터 (Pseudocapacitor),
 
하이브리드커패시터 (Hybrid Capacitor) 크게 3가지로 나눌 수 있다. 
 
 
 
커패시터의 종류에 따라 전극의 종류와 전해질의 종류가 달라지고 에너지를 저장하는 방식도 달라진다.
 
 
 
 
 
그 중에서 오늘은 전기이중층 커패시터에 대해 설명하려고 한다.
 
 
 
 
 
 

1. 전기이중층 커패시터 (Electric Double Layer Capacitor)

 
 
전기이중층 커패시터는 영어의 앞글자들을 따와 EDLC라고 불리기도 하며 이름 그대로
 
전기 이중층을 가진 커패시터라는 뜻이다.
 
 
 
 
 
그렇다면 전기 이중층이란 무엇일까?
 
 
 
전기 이중층이란 두 물질간의 경계에서 전기장이 존재하는 분자 크기의 영역이며,
 
반드시 각 물질이 전기적 으로 대전된 입자를 포함하고 있어야 한다.
 
 
 
좀 더 자세히 말하면 전극과 벌크용액 (bulk solution) 사이에
 
이온들이 이동하는 확산층 (diffusion layer) 이 존재하는데
 
 
 
전극과 확산층 (diffusion layer) 사이에 정전기적 인력 (electrostatic interaction) 이 발생하여
 
층이 발생하는 것을 뜻한다.
 
 
 
전기 이중층의 넓이는 10~100Å 정도이다.
 
 
 
 
 
 
그렇다면 전기 이중층의 원리는 무엇일까?
 
 
 
전기 이중층을 설명하는 모델에는 크게 3가지가 있는데 헬름홀츠 모델 (helmholtz model)
 
-> 구이-채프먼 모델 (gouy-chapman model) -> 스턴 모델 (stern model)순으로 발전해왔다.
 

3 Models of the electrical double-layer at a positively charged surface : (a) Helmholtz model ; (b) Gouy–Chapman model ; (c) Stern model      (Zhang, L.L. and Zhao, X.S., Chem. Soc. Rev., 38, 2520–2531, Copyright 2009. Reproduced by permission of the Royal Society of Chemistry)

 
 
(a)는 헬름홀츠 모델 (helmholtz model) 로 (+) 전하를 가진 전극 표면으로 인해 정전기적 인력을 받으면서
 
확산층에 움직이지 않는 밀집된 반대 이온들이 전극 표면 가까이 정렬되어 있는 모델이다.
 
 
 
이 모델의 경우 정전기적 인력 (electrostatic interaction) 만이 고려되는 상태이다.
 
 
 
 
 
(b)는 구이-채프먼 모델 (gouy-chapman model) 로 (a) 모델에서 열적 상호작용이 추가된 모델로
 
정전기적 상호작용과 열적 상호작용의 경쟁으로 (a)의 모델보다는 반대 전하가 적은 것이 특징이다.
 
 
 
이 경우 확산층 (diffusion layer) 에 정전기적 상호작용 (electrostatic interaction)과
 
열적 상호작용 (thermal interaction) 의 경쟁으로 나타나는 모델이다.
 
 
 
 
 
(c)는 스턴 모델 (stern model) 로 헬름홀츠 모델 (helmholtz model) 과
 
구이-채프먼 모델 (gouy-chapman model) 을 합친 모델이라고 생각하면 된다. 

 

Stern model (https://web.nmsu.edu/~snsm/classes/chem435/Lab14/double_layer.html)

 

 
위의 사진은 stern model을 설명하는 사진으로
 
Inner Helmholtz Plane (IHP) 과 Outer Helmholtz Plane (OHP) 를 설명하고 있는 사진이다.
 
 
 
IHP는 OHP를 뚫고 들어오는 전극 표면과 같은 전하의 흡착으로 생기는 것이며 
 
OHP는 전극 표면 가까이에 생기는 반대 전하를 이르는 것이다.
 
 
 
OHP 안 부분은 Compact layer이라고 불리는 층으로 그래프가 선형 (linear) 형태가 나오는 층이며
 
OHP 바깥 부분은 Diffuse layer이라고 불리는 층으로 그래프가 비선형 형태가 되는 층이다.
 
 
 
또한, Diffuse layer에서 반대 전하는 전극에서 멀어질 수록 점점 감소하는 경향을 보인다.
 
Diffuse layer의 형성은 이온 분위기 (ionic atmosphere) 의 형성과 동일한 원리이다.
 
 
 
 
 
 
전기이중층 커패시터 (Electric Double Layer Capacitor) 는 위의 구조를 가진 커패시터를 이야기하는 것이며
 
정전기적 인력 (electrostatic interaction) 을 통해 에너지를 저장한다.
 
 
 
커패시터는 중간의 절연체가 전류가 흐르지 않아 전극만이 (+), (-)로 대전되고
 
이를 이용하여 에너지를 저장한다.
 
그러나 슈퍼커패시터의 경우 전극과 전해질 사이에 존재하는 IHP가 전극과 이온의 직접적인 흡착을 막는다.
 
 
 
 
 
 
C = Q/V = εA/d = εrε0A/d위의 식은 전기용량 (capacitance) 을 계산하는 식이다.
 
이 식을 보면 전기용량은 A인 전극의 면적에 비례하고 d인 전극 사이의 거리에 반비례한 것을 볼 수 있다.
 
 
 
이를 통해 전기용량이 크기 위해서는 전극의 면적이 큰 물질을 사용해야 하며
 
기공성 물질 (porous material) 을 주로 사용하게 되는데
 
전기이중층 커패시터의 전극은 주로 기공성 물질 (porous material) 로 사용이 된다.
 
 
 
 
 
 
기공성 물질 (porous material) 은 AC라고 불리는 활성탄소 (Activated Carbon), 그래핀 (graphene),
 
CNT라고 불리는 탄소나노튜브 (Carbon Nano Tube) 등이 있다. 
 
 
 
활성탄소 (Activated Carbon) 는 표면적이 넓고 전도성이 좋으며 비용이 낮아 전극재료로 사용이 되며
 
 
 
그래핀 (graphene) 은 가장 넓은 표면적을 가지고 있으며
 
전도성이 좋으며 질량이 작은 것이 특징이다.
 
또한, 화학적 안정성이 높고 전기적, 열적 특징이 좋아 전극재료로 사용된다.
 
 
 
탄소나노튜브 (Carbon Nano Tube) 는 비축전량 (specific capacitance)가 높고
 
전류 부하 (current load) 가 높은 상태에서도 안정성이 좋으며
 
내적 저항 (internal resistance) 이 낮아 전극재료로 사용된다.