전기 이중층 커패시터란?
전기이중층 커패시터는 전극과 전해질 계면에 형성된 전기이중층을 이용해 전하를 저장하는 커패시터로, 특히 에너지 밀도가 높은 것이 특징입니다. 에너지 밀도가 높기 때문에 니켈수소전지나 리튬이온전지와 같은 이차전지와 자주 비교되지만, 전지는 충방전 시 화학반응을 수반하는 반면 전기이중층 커패시터는 물리적인 전하의 흡착만으로 화학반응을 수반하지 않습니다.
따라서 전기이중층 커패시터는 에너지 밀도(단위 중량 또는 부피당 저장할 수 있는 에너지의 양)는 이차전지에 비해 떨어지지만, 출력 밀도(순간적으로 뽑아낼 수 있는 전력의 크기)와 반복적인 충방전으로 인한 성능 저하(수명)가 매우 적다는 것이 장점입니다. 장점으로 꼽을 수 있습니다.
전기 이중층 커패시터의 사용 용도
전기이중층 커패시터는 축전 장치로 활용되고 있으며, 많은 에너지를 필요로 하는 용도로는 이차전지가 적합하지만, 빠른 충방전이 필요하고 내구성이 요구되는 곳에서는 전기이중층 커패시터가 선택되고 있습니다.
구체적으로 모바일 기기 등 전자회로의 백업용 전원, 프린터, 복사기, 전동 칫솔, 태양전지 시계 등에 사용되고 있습니다. 소행성 탐사선 ‘야부사’의 로봇 동력 시스템, 자동차 감속 시 에너지 회생에도 활용되고 있습니다.
전기 이중층 커패시터의 원리
전기이중층 커패시터는 활물질의 계면에 발생하는 전기이중층을 이용하여 커패시터로 만들어집니다. 커패시턴스 커패시턴스는 ‘C=εS/d’라는 공식으로 정의되며, 이 공식에서 커패시턴스 C를 크게 하기 위해서는 다음과 같은 대책이 필요합니다.
- 활물질의 표면적(S)을 크게 한다.
- 전기 이중층의 두께(d)를 작게 한다.
- 전해액의 유전율(ε)을 높여야 한다.
전해질은 4급 암모늄염, 이미다졸륨염 등의 전해질을 유기용매에 용해시킨 것, 양극과 음극의 활물질은 활성탄이 사용되며, 정전용량을 크게 하기 위해서는 다음과 같은 대책이 필요합니다.
- 표면적이 큰(입경이 작은) 활성탄을 사용한다.
- 이온 반경이 작은 전해질 사용한다.
- 고유전율의 유기용매 사용한다.
커패시터의 충방전은 전해액 내의 양극과 음극의 이온이 각각의 전극에 흡착되면, 전해액과 전극의 계면에 전하가 짝을 이루도록 전하가 증가하는 작용을 이용하고 있습니다. 저장된 전하가 방전되면 이온이 전기이중층에서 탈착됩니다. 전기이중층 커패시터의 형태는 원통형과 적층형이 있습니다. 원통형은 양극, 음극, 분리막을 겹겹이 쌓아 원통에 넣은 후 전해액을 주입하기만 하면 되기 때문에 생산이 용이하다는 장점이 있습니다.
전기 이중층 커패시터의 기타 정보
1. 전기 이중층 커패시터의 수명
전기이중층 커패시터는 배터리와 달리 충방전 시 화학반응이 일어나지 않습니다. 이 때문에 이차전지의 경우 1000회 정도면 초기부터 용량이 크게 감소하는 반면, 전기이중층 커패시터는 원칙적으로 100만회 충방전해도 성능 저하가 거의 없는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 실제로는 다음과 같은 요인에 의해 전기이중층 커패시터의 용량이 감소합니다.
- 충방전 시 내부 저항에 의한 발열로 인해 온도 상승에 의한 열화가 발생하여 용량이 감소합니다.
- 사용 환경 온도가 10℃ 올라갈수록 열화 속도는 2배로 증가합니다. (사용환경 70℃ 이하에서)
- 사용 상한 전압 이상의 전압이 커패시터에 가해지면 전해액이 분해됩니다.
- 전기 이중층 커패시터를 사용할 때는 수명에 미치는 영향을 고려하여 온도 상승, 직렬 및 병렬로 사용하는 경우 전압 및 전류 편차 등에 주의해야 합니다.
2. 전기 이중층 커패시터의 단점
전기 이중층 커패시터의 단점은 다음과 같습니다.
드라이 업
전기 이중층 커패시터의 밀봉부에서 전해액이 외부로 증발하는 현상으로 인해 발생합니다. 이 단점은 비등점이 높은 전해액을 사용하거나 봉지부를 작게 만들면 줄일 수 있습니다.
액체 누출
밀봉하고 있는 부틸 고무가 열화되어 액체가 누출될 수 있습니다. 고무를 열화시키는 원인이 되는 수분이 내부로 침투하기 어렵도록 밀봉부를 작게 만들어 억제할 수 있습니다.
교류 회로에서 사용 불가
직류회로의 전원 백업 등 2차 전기적 사용을 전제로 하고 있기 때문에 교류회로에는 사용할 수 없습니다.