수퍼캐패시터: 배터리와 커패시터 사이의 격차 해소

By Fouad Sabry

슈퍼커패시터란?

울트라커패시터라고도 하는 슈퍼커패시터(SC)는 전해 커패시터와 충전식 배터리 사이의 간격을 메우는 고용량 커패시터입니다. 다른 커패시터에 비해 현저히 높은 정전용량 값을 가지지만 다른 커패시터에 비해 전압 한계가 낮다. 배터리보다 훨씬 더 빨리 충전하고 충전할 수 있으며 충전식 배터리보다 더 많은 충전 및 방전 사이클을 견딜 수 있습니다. 일반적으로 전해 커패시터보다 단위 부피 또는 질량당 10~100배 더 많은 에너지를 저장합니다.

혜택

(I) 통찰, 다음 주제에 대한 검증:

1장: 슈퍼 커패시터

2장: 리튬 이온 배터리

3장: 충전식 배터리

4장: 공기 아연 배터리

5장: 커패시터 유형

6장: 플로우 배터리

7장: 커패시터

8장: 나노 배터리

9장: 나노도트

10장: 종이 배터리

11장: 이중층(표면 과학)

12장: 리튬 이온 커패시터

13장: 나노볼 배터리

14장: 리튬 공기 배터리

15장: 탄화물 유래 탄소

16장: 의사 커패시터

17장: 아연-세륨 배터리

18장: 알루미늄 이온 배터리

19장: 의사 커패시터

20장: 이중층 정전 용량

21장: 리튬 이온 배터리 연구

(II) Answering 슈퍼커패시터에 대한 대중의 주요 질문.

(III) 많은 분야에서 슈퍼커패시터를 사용하는 실제 사례

(IV) 각 업계에서 슈퍼커패시터의 기술을 360도로 완전히 이해할 수 있도록 합니다.

이 책의 대상자

전문가, 학부생 및 대학원생, 애호가, 애호가 , 그리고 모든 종류의 슈퍼커패시터에 대한 기본 지식이나 정보를 넘어서고 싶은 사람들

• Language: 한국어
• Publisher: 10 억 지식이 걸립니다 [Korean]
• Release date: Dec 18, 2022

Book preview

저작권

슈퍼 커패시터 저작권 © 2022 푸아드 사브리. 모든 권리 보유.

모든 권리 보유. 이 책의 어떤 부분도 저자의 서면 허가 없이 정보 저장 및 검색 시스템을 포함한 전자적 또는 기계적 수단으로 어떤 형태나 형태로도 복제할 수 없습니다. 유일한 예외는 리뷰에서 짧은 발췌문을 인용 할 수있는 리뷰어에 의한 것입니다.

표지는 푸아드 사브리가 디자인했습니다.

이 책은 픽션 작품입니다. 이름, 인물, 장소 및 사건은 저자의 상상력의 산물이거나 허구로 사용됩니다. 실제 사람, 산 사람이나 죽은 사람, 사건 또는 지역과의 유사성은 전적으로 우연의 일치입니다.

보너스

[e-mail] 로 슈퍼 커패시터: 배터리와 커패시터 사이의 격차 해소라는 제목으로 이메일을 보내면 이 책의 처음 몇 장이 포함된 이메일을 받게 됩니다.

푸아드 사브리

1BK 웹 사이트 방문

www.1BKOfficial.org

머리말

나는 왜 이 책을 썼을까?

이 책을 쓰는 이야기는 1989 년 중등 학교 학생이었을 때 시작되었습니다.

그것은 현재 많은 선진국에서 이용할 수 있는 STEM(과학, 기술, 공학 및 수학) 학교와 매우 유사합니다.

STEM은 학제 간 및 응용 접근 방식으로 과학, 기술, 공학 및 수학의 네 가지 특정 분야에서 학생들을 교육한다는 아이디어에 기반한 커리큘럼입니다. 이 용어는 일반적으로 학교의 교육 정책 또는 커리큘럼 선택을 다루는 데 사용됩니다. 인력 개발, 국가 안보 문제 및 이민 정책에 영향을 미칩니다.

도서관에는 매주 수업이 있었는데, 각 학생은 자유롭게 책을 선택하고 1 시간 동안 읽을 수 있습니다. 수업의 목적은 학생들이 교육 커리큘럼 이외의 과목을 읽도록 격려하는 것입니다.

도서관에서 선반에있는 책을 보면서 5 부로 총 5,000 페이지의 거대한 책을 발견했습니다. 책 이름은 기술 백과 사전으로, 우리 주변의 모든 것을 설명하고, 반도체에 절대 제로, 그 당시 거의 모든 기술은 다채로운 삽화와 간단한 단어로 설명되었습니다. 나는 백과 사전을 읽기 시작했고, 물론 매주 1 시간 수업에서 그것을 끝낼 수 없었다.

그래서 나는 아버지에게 백과사전을 사도록 설득했습니다. 아버지는 제 인생의 시작에서 모든 기술 도구, 최초의 컴퓨터 및 최초의 기술 백과 사전을 구입했으며 둘 다 저와 제 경력에 큰 영향을 미쳤습니다.

나는 올해 같은 여름 방학에 전체 백과 사전을 마쳤고, 우주가 어떻게 작동하는지, 그리고 그 지식을 일상적인 문제에 적용하는 방법을보기 시작했습니다.

기술에 대한 저의 열정은 30 년 전에 시작되었으며 여전히 여정은 계속되고 있습니다.

이 책은 신흥 기술 백과 사전의 일부로, 독자들에게 내가 고등학교 때와 같은 놀라운 경험을 제공하려는 시도이지만, 20세기 기술 대신 21 세기 신흥 기술, 응용 프로그램 및 산업 솔루션에 더 관심이 있습니다.

신흥 기술 백과 사전은 365 권의 책으로 구성되며 각 책은 하나의 신흥 기술에 초점을 맞출 것입니다. 신흥 기술 목록과 산업별 분류는 책 끝에 있는 출시 예정 부분에서 읽을 수 있습니다.

365 권의 책은 독자들에게 1 년 동안 매일 하나의 신흥 기술에 대한 지식을 높일 수있는 기회를 제공합니다.

소개

이 책은 어떻게 썼습니까?

신흥 기술 백과 사전의 모든 책에서 나는 사람들의 마음에서 직접 즉각적이고 생생한 검색 통찰력을 얻으려고 노력하고 있으며 신흥 기술에 대한 질문에 답하려고 노력하고 있습니다.

매일 30억 건의 Google 검색이 이루어지며 그 중 20%는 이전에 본 적이 없습니다. 그들은 사람들의 생각에 직접적인 라인과 같습니다.

때로는 '용지 걸림을 제거하는 방법'입니다. 다른 경우에는 감히 Google과 공유 할 수있는 끔찍한 두려움과 은밀한 갈망입니다.

Supercapacitor에 대한 콘텐츠 아이디어의 미개척 금광을 발견하기 위해 많은 도구를 사용하여 Google과 같은 검색 엔진의 자동 완성 데이터를 듣고 모든 유용한 문구와 질문을 신속하게 처리하여 사람들이 키워드 Supercapacitor를 묻습니다.

그것은 사람들의 통찰력의 금광이며, 신선하고 매우 유용한 콘텐츠, 제품 및 서비스를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 당신과 같은 친절한 사람들은 정말로 원합니다.

사람 검색은 인간의 정신에 대해 수집 된 가장 중요한 데이터 세트입니다. 따라서이 책은 라이브 제품이며, 당신과 나와 같은 사람들이이 새로운 신흥 기술에 대해 궁금해하고 그것에 대해 더 알고 싶어하는 사람들이 묻는 슈퍼 커패시터에 대한 새로운 질문에 대한 점점 더 많은 답변으로 지속적으로 업데이트됩니다.

이 책을 쓰는 접근 방식은 사람들이 Supercapacitor를 검색하는 방법에 대한 더 깊은 수준의 이해를 얻고, 반드시 내 머리 꼭대기에서 생각하지 않을 질문과 질문을 드러내고, 이러한 질문에 매우 쉽고 소화하기 쉬운 단어로 대답하고, 책을 탐색하는 것입니다.

그래서이 책을 쓸 때 가능한 한 최적화되고 타겟팅되도록했습니다. 이 책의 목적은 사람들이 슈퍼 커패시터에 대한 지식을 더 잘 이해하고 성장하도록 돕는 것입니다. 나는 사람들의 질문에 가능한 한 가깝게 대답하고 더 많은 것을 보여 주려고 노력하고 있습니다.

사람들이 가지고 있는 질문과 문제를 탐구하고 직접 답변하고 책의 내용에 통찰력, 검증 및 창의성(피치 및 제안까지)을 추가하는 환상적이고 아름다운 방법입니다. 이 책은 풍부하고 덜 혼잡하며 때로는 놀라운 연구 요구 영역을 밝혀냅니다. 이 접근법을 사용하여 책을 읽은 후 잠재적 인 독자의 마음에 대한 지식을 증가시킬 것으로 기대된다는 것은 의심의 여지가 없습니다.

나는이 책의 내용을 항상 신선하게 만들기 위해 독특한 접근법을 적용했다. 이 접근 방식은 검색 청취 도구를 사용하여 사람들의 마음을 듣는 것에 달려 있습니다. 이 접근 방식은 다음을 수행하는 데 도움이되었습니다.

독자가 있는 곳에서 정확히 만나면 화음을 울리고 주제에 대한 이해를 높이는 관련 콘텐츠를 만들 수 있습니다.

사람들이 이 새로운 기술에 대해 새로운 방식으로 이야기할 때 업데이트를 받고 시간 경과에 따른 추세를 모니터링할 수 있도록 손가락을 단단히 고정하십시오.

숨겨진 질문의 보물을 발견하려면 콘텐츠의 관련성을 높이고 승리의 우위를 제공하는 예상치 못한 통찰력과 숨겨진 틈새 시장을 발견하기 위해 새로운 기술에 대한 답변이 필요합니다.

이 책을 쓰기 위한 빌딩 블록에는 다음이 포함됩니다.

(1) 나는 독자들이 원하는 내용에 대한 직감과 추측에 시간을 낭비하지 않고 사람들이 필요로하는 것으로 책 내용을 채우고 추측을 바탕으로 끝없는 내용 아이디어에 작별 인사를했다.

(2) 나는 사람들이 읽고 싶어하고 알고 싶어하는 것을 실시간으로 맨 앞줄에 앉히고 검색 데이터를 사용하여 포함 할 주제와 제외 할 주제에 대한 대담한 결정을 내리기 위해 확고한 결정을 내리고 위험을 줄였습니다.

(3) 콘텐츠 제작을 간소화하여 며칠, 심지어 몇 주의 시간을 절약하기 위해 개별 의견을 수동으로 조사할 필요 없이 콘텐츠 아이디어를 식별했습니다.

사람들이 질문에 대답함으로써 직접적인 방법으로 지식을 늘리도록 돕는 것은 멋진 일입니다.

이 책을 쓰는 접근 방식은 검색 엔진에서 독자가 묻는 중요한 질문을 추적하고 추적하기 때문에 독특하다고 생각합니다.

승인을

책을 쓰는 것은 내가 생각했던 것보다 어렵고 내가 상상할 수 있었던 것보다 더 보람이 있습니다. 이 중 어느 것도 권위있는 연구자들이 완료 한 작업 없이는 불가능했을 것이며,이 신흥 기술에 대한 대중의 지식을 높이기위한 그들의 노력을 인정하고 싶습니다.

헌신

깨달은 사람들, 사물을 다르게 보고 세상이 더 나아지기를 바라는 사람들에게 그들은 현상 유지나 기존 국가를 좋아하지 않습니다. 당신은 그들과 너무 많이 동의하지 않을 수 있고, 그들과 더 논쟁 할 수 있지만, 당신은 그들을 무시할 수 없으며, 항상 사물을 바꾸기 때문에 과소 평가할 수 없습니다 ... 그들은 인류를 앞으로 나아가게 하고, 어떤 사람들은 그들을 미친 사람이나 아마추어로 볼 수 있지만, 다른 사람들은 천재와 혁신가를 봅니다.

제사

울트라 커패시터라고도하는 슈퍼 커패시터 (SC)는 전해 커패시터와 충전식 배터리 사이의 간격을 해소하는 고용량 커패시터입니다. 커패시턴스 값은 다른 커패시터보다 훨씬 높지만 다른 커패시터보다 전압 제한이 낮습니다.  배터리보다 훨씬 더 빨리 흡수하고 충전할 수 있으며 충전식 배터리보다 더 많은 충전 및 방전 주기를 견딜 수 있습니다. 일반적으로 전해 커패시터보다 단위 부피 또는 질량당 10-100 배 더 많은 에너지를 저장합니다.

목차

저작권

보너스

머리말

소개

승인을

헌신

제사

목차

1 장 : 슈퍼 커패시터

2 장 : 리튬 이온 배터리

3 장 : 충전식 배터리

4 장 : 아연 공기 배터리

5장: 바나듐 산화 환원 배터리

6 장 : 커패시터 유형

7장: 커패시터

제 8 장 : 나노 배터리

챕터 9: 리튬 철 인산염

제 10 장 : 종이 배터리

11장: 이중층(표면 과학)

12 장 : 리튬 이온 커패시터

13장: 리튬 이온 배터리를 위한 나노아키텍처

14 장 : 리튬 공기 배터리

챕터 15: 탄화물 유래 탄소

16장: 의사 커패시터

17장: 아연 세륨 배터리

18 장 : 알루미늄 이온 배터리

제 19 장 : 의사 정전 용량

20 장 : 이중층 커패시턴스

제 21 장 : 리튬 이온 배터리 연구

후기

저자에 관하여

개봉박두

부록: 각 산업의 신기술

1 장 : 슈퍼 커패시터

울트라 커패시터라고도하는 슈퍼 커패시터 (SC)는 전해 커패시터와 충전식 배터리 사이의 간격을 해소하는 고용량 커패시터입니다. 커패시턴스 값은 다른 커패시터보다 훨씬 높지만 다른 커패시터보다 전압 제한이 낮습니다. 배터리보다 훨씬 더 빨리 흡수하고 충전할 수 있으며 충전식 배터리보다 더 많은 충전 및 방전 주기를 견딜 수 있습니다. 일반적으로 전해 커패시터보다 단위 부피 또는 질량당 10-100 배 더 많은 에너지를 저장합니다.

장기간의 소형 에너지 저장보다는 많은 급속 충전/방전 주기가 필요한 응용 분야에서는 슈퍼 커패시터를 사용합니다. 이러한 응용 분야에는 자동차, 버스, 기차, 크레인 및 엘리베이터가 포함되며 회생 제동, 단기 에너지 저장 또는 버스트 모드 전력 공급에 사용됩니다. 슈퍼 커패시터는 많은 급속 충전/방전 주기가 필요한 응용 제품에도 사용됩니다. 정적 랜덤 액세스 메모리의 전원 백업은 보다 컴팩트한 구성 요소(SRAM)로 구성됩니다.

커패시터의 총 커패시턴스에 기여하는 정전기 이중층 커패시턴스와 전기 화학적 의사 커패시턴스는 모두 기존의 고체 유전체를 사용하는 일반 커패시터와 달리 슈퍼 커패시터에 사용됩니다. 대신 슈퍼 커패시터는 정전기 이중층 커패시턴스와 전기 화학적 의사 커패시턴스를 사용합니다.

정전기 이중층 커패시터 (EDLC)의 정전기 이중층 커패시턴스는 전기 화학 전극의 전기 화학적 의사 정전 용량보다 훨씬 큽니다. EDLC는 탄소 전극 또는 유도체를 사용하여 전도성 전극 표면과 전해질 사이의 접촉에서 Helmholtz 이중층 내부의 전하 분리를 달성합니다.

전하의 분리는 몇 옹스트룀(0.3–0.8 nm) 정도이며, 일반적인 커패시터보다 훨씬 덜 중요합니다.

전기 화학적 의사 커패시터는 이중층 커패시턴스 외에도 전기 화학적 의사 커패시턴스가 큰 금속 산화물 또는 전도성 폴리머 전극을 사용합니다. 이 전극은 전기 화학적 의사 커패시터에 사용됩니다. 의사 커패시턴스는 산화 환원 공정, 삽입 또는 전기 흡착뿐만 아니라 Faradaic 전자 전하 전달 과정을 통해 생성 될 수 있습니다.

리튬 이온 커패시터와 같은 하이브리드 커패시터에 사용되는 전극은 다양한 특성을 가지며, 하나는 대부분 정전기 커패시턴스를 표시하고 다른 하나는 주로 전기 화학적 커패시턴스를 표시합니다. 하이브리드 커패시터는 리튬 이온 커패시터와 같은 장치에 사용됩니다.

전해질에 의한 두 전극 사이의 이온 전도성 연결의 형성은 전극과 전해질 사이에 항상 유전체층을 갖는 전통적인 전해 커패시터와 이러한 커패시터를 구별하며, 전해질로 알려진 물질, 예를 들어, MnO2 또는 전도성 폴리머는 실제로 음극으로 지칭되는 제 2 전극의 구성 요소이며,  또는 더 정확하게 말하면 양극).

슈퍼 커패시터에 비대칭 전극을 사용하면 장치가 분극 전하를 갖거나 대칭 전극의 경우 생산 중에 전압을 인가하여 장치가 생성됩니다.

이중 레이어 및 의사 커패시턴스 모델의 개발이 발견 될 수 있습니다 (이중 레이어 (interfacial) 모델에 대한 자세한 내용은 여기를 확인하십시오).

1950년대 초부터 General Electric의 엔지니어들은 커패시터 설계에 다공성 탄소 전극을 실험하기 시작했습니다. 이것은 연료 전지 및 충전식 배터리에 대한 이전 작업에서 자연스러운 진행이었습니다. 전기 전도체일 뿐만 아니라 활성탄은 상당한 양의 표면적을 가진 특히 다공성 및 해면질 유형의 탄소입니다. 다공성 탄소 전극이있는 저전압 전해 커패시터는 1957 년 H. Becker에 의해 발명되었습니다. 그는 전해 커패시터가 에칭 된 호일의 기공에 전하를 유지하는 방법과 유사하게 에너지가 탄소의 기공에 전하로 유지된다는 인상을 받았습니다. 에너지 저장에 사용되는 경우 구성 요소에서 무슨 일이 일어나고 있는지 정확히 이해되지는 않지만 엄청나게 큰 용량으로 이어집니다. 그는 이중층 메커니즘에 대해 몰랐기 때문에 당시 특허에서 이것을 언급했습니다.

처음에 제너럴 일렉트릭은이 작업 라인을 따르지 않았습니다. 1966 년 실험용 연료 전지 설계 작업을하는 동안 오하이오 주 스탠더드 오일 (SOHIO)의 연구원은 전기 에너지 저장 시스템으로 알려진 또 다른 버전의 구성 요소를 생산했습니다.

초기 전기 화학 커패시터에서 전극은 활성탄으로 코팅 된 두 장의 알루미늄 호일로 구성되었습니다. 이 전극은 전해질에 잠기고 다공성 절연체의 얇은 층에 의해 서로 분리되었습니다. 이 설계의 결과는 동일한 크기의 전해 커패시터보다 훨씬 큰 1 패럿 정도의 커패시턴스를 가진 커패시터였습니다. 이 기본적인 기계 설계는 계속해서 대부분의 전기화학 커패시터의 기초 역할을 합니다.

SOHIO는 그들의 발견을 상업화하지 않고 대신 NEC에 라이센스를 부여했으며, 결국 1978 년에 발견을 슈퍼 커패시터로 상업화했습니다. 이들은 컴퓨터 메모리에 백업 전원을 공급하도록 설계되었습니다. SOHIO는 그들의 아이디어를 상업화하지 않았습니다. 그의 슈퍼 커패시터는 부분적으로 헬름홀츠 이중층에 전하를 저장했고 부분적으로는 전극과 전해질 사이의 전자와 양성자의 전하 전달인 의사 정전 용량과의 패러다틱 반응의 결과로 저장했습니다. 이 두 가지 메커니즘은 전하의 전반적인 저장에 기여했습니다. 산화 환원 과정, 삽입, 전기 흡착은 의사 커패시터(표면에 흡착)의 기능을 구성하는 세 가지 메커니즘입니다. Conway의 연구는 전기 화학 커패시터에 대한 지식 체계의 확장에 크게 기여했습니다.

시장은 점진적으로 성장했습니다. 1978년경, 파나소닉은 골드캡스 브랜드를 마케팅하기 시작했고, 이로 인해 이러한 변화가 일어났습니다. 1세대 EDLC의 방전 전류는 셀의 비교적 높은 내부 저항에 의해 제한되었습니다. SRAM 칩에 전력을 공급하거나 데이터를 백업하는 등 저전류가 필요한 응용 제품에서는 이를 활용했습니다.

커패시턴스 값은 전극 재료의 발전 덕분에 1980 년대 말에 상승했습니다. 동시에 전도도가 향상된 전해질의 개발은 충전/방전 전류를 증가시켰습니다. 이는 등가 직렬 저항(ESR)이 감소했기 때문에 가능했습니다. 1982년 피나클 연구소(PRI)는 군사용으로 내부 저항이 낮은 최초의 슈퍼 커패시터를 생산했습니다. 이 슈퍼 커패시터는 PRI Ultra 커패시터라는 브랜드 이름으로 판매되었습니다. 이 작업은 1992 년 Maxwell Laboratories에 의해 채택되었으며 결국 Maxwell Technologies가되었습니다. PRI는 맥스웰이 울트라 커패시터라는 용어를 얻은 원천이었습니다. Maxwell은 전력 응용 제품에서의 사용을 강조하기 위해 이러한 장치의 이름을 부스트 캡으로 변경했습니다.

연구원들은 커패시터에 저장할 수 있는 에너지의 양이 전압의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에 전해질의 항복 전압을 높이는 방법을 찾고 있었습니다. David A. Evans는 1994 년 고전압 탄탈 전해 커패시터의 양극을 사용하여 전해 하이브리드 전기 화학 커패시터를 발명했습니다. 이 커패시터의 용량은 200V입니다. 엄청난 생산 비용으로 인해 제한된 군사 목적으로 만 사용할 수있었습니다.

최근의 기술 발전 중 하나는 리튬 이온 커패시터의 사용입니다. 2007년 Fujitsu의 FDK는 이러한 하이브리드 커패시터 개발의 선구자였습니다. 그들은 배터리를 만들기 위해 미리 도핑 된 리튬 이온 전기 화학 전극과 정전기 탄소 전극을 혼합합니다. 이 조합의 결과로 커패시턴스 값이 증가합니다. 또한, 사전 도핑 절차는 더 낮은 양극 전위 및 높은 셀 출력 전압을 가져오며, 이는 함께 특정 에너지의 훨씬 더 큰 증가에 기여합니다.

다양한 조직과 대학의 연구 부서는 사이클 안정성, 특정 에너지 및 특정 전력과 같은 품질을 향상시키고 제조 비용을 낮추기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다.

슈퍼 커패시터라고도하는 전기 화학 커패시터는 이온 투과성 막으로 만들어진 분리막과 두 전극을 이온으로 연결하는 전해질로 물리적으로 분리 된 두 개의 전극으로 구성됩니다. 인가된 전압은 전극을 분극화하고 이로 인해 전해질의 이온이 전극과 반대되는 극성을 가진 전기 이중층을 생성합니다. 예를 들어, 양극 극성 전극은 전극 / 전해질 계면에 음이온 층과 음극 층에 흡착되는 양이온의 전하 균형 층을 갖습니다. 이는 양극 극성 전극이 순 양전하를 갖기 때문입니다. 반면에, 음의 분극 전극은 반대 거동을 나타낸다.

또한 전극 재료 및 표면 모양은 일부 이온이 이중층을 통과하여 정확하게 흡착 된 이온으로 변환되고 의사 정전 용량으로 알려진 프로세스를 통해 슈퍼 커패시터의 전체 커패시턴스를 추가 할 수 있는지 여부에 영향을 줄 수 있습니다.

두 전극은 두 개의 개별 커패시터 C1 및 C2의 직렬 회로를 형성합니다.

총 커패시턴스 C합계 는 다음 공식으로 주어집니다.

C_{\text{total}}={\frac {C_{1}\cdot C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}

슈퍼 커패시터의 전극은 대칭이거나 비대칭 일 수 있습니다.

전극이 대칭이면 둘 다 동일한 커패시턴스 값을 가져야하므로 각 단일 전극 값의 절반의 총 커패시턴스가 생성됩니다 (C 1 = C 2 인 경우 C total = 1 /2  C1 ).

비 대칭 커패시터의 경우 총 커패시턴스는 커패시턴스가 더 작은 전극의 커패시턴스로 간주 할 수 있습니다 (C 1 >> C 2 인 경우 C 합계 ≈  C2).

2 층 효과는 전기 에너지를 저장하기 위해 전기 화학 커패시터에서 사용됩니다. 그러나, 이러한 이중층은 전하를 효과적으로 분리하기 위해 전통적인 고체 유전체를 갖지 않는다. 전기 화학 커패시터는 전극의 전기 이중층에서 두 가지 다른 저장 원리를 가지며 이러한 각 저장 원리는 커패시터의 전체 커패시턴스에 기여합니다.

이중층 커패시턴스는 헬름홀츠 이중층에서 전하 분리를 달성함으로써 달성될 수 있는 전기 에너지의 정전기 저장을 나타냅니다.

의사 정전 용량은 전하 이동과 함께 파라다 산화 환원 반응에 의해 달성되는 전기 에너지의 전기 화학적 저장입니다.

측정 방법은 두 커패시턴스를 구별하는 유일한 방법입니다. 각 저장 원리의 커패시턴스는 크게 다를 수 있지만 전기 화학 커패시터에 저장할 수있는 전하의 양은 주로 전극 크기에 비례합니다. 이것은 전기 화학 커패시터가 단위 전압 당 상당한 양의 전하를 저장할 수 있다는 사실에도 불구하고 있습니다.

모든 전기 화학 커패시터에는 전해질을 통해 서로 이온으로 결합 된 두 개의 전극이 있습니다. 이 전극은 분리기에 의해 기계적으로 서로 분리됩니다. 전해질은 물과 같은 액체에 용해 된 양전하와 음전하를 띤 이온의 조합입니다. 두 전극 표면 각각은 액체 전해질이 전극의 전도성 금속 표면과 접촉하는 영역의 시작점 역할을하는 영역을 갖는다. 이 계면은 불용성 고체 전극 표면과 인접한 액체 전해질과 같은 물질의 두 가지 별개의 위상 사이에 공유 경계를 만듭니다. 이 상 중 하나는 전극 표면이고 다른 하나는 전해질입니다. 2층 효과로 알려진 매우 독특한 현상이 바로 여기 이 인터페이스에서 발생합니다.

전기 화학 커패시터에 전압이 가해지면 커패시터의 두 전극이 모두 전기 이중층을 형성합니다. 이 이중층은 두 개의 서로 다른 전하 층으로 구성됩니다 : 하나의 전자 층은 전극의 표면 격자 구조에서 찾을 수 있고, 다른 하나는 반대 극성을 가지며 전해질의 용해되고 용매화 된 이온에서 나옵니다. 이 두 층은 극성이 반대입니다. 용매 분자의 단층 또는 물이 용매인 경우 물 분자는 두 수준 사이의 분리기 역할을 합니다. 이 단층을 내부 헬름홀츠 평면(IHP)이라고 합니다. 용매 분자는 물리적 흡착으로 알려진 과정을 통해 전극 표면에 달라붙습니다. 그렇게함으로써, 그들은 반대 편광 된 이온을 서로 분리하고 일종의 분자 유전체로 개념화 될 수 있습니다. 공정 전반에 걸쳐 전극과 전해질 사이에 전하 교환이 없기 때문에 접착은 화학 결합이 아니라 정전기력과 같은 물리적 힘에 의해 발생합니다. 흡착 된 분자는 분극되어 있지만 전해질과 전극 사이에 전하 이동이 없기 때문에 화학적 변화를 겪지 않았습니다.

전극에 존재하는 전하의 양은 외부 헬름홀츠 평면 (OHP)에 존재하는 역전하 수준과 같습니다. 이 이중층 현상은 전하를 저장하여 일반적인 커패시터와 동일한 기능을 수행합니다. 이중층의 전하는 IHP의 용매 분자 분자층에 정적 전기장을 생성합니다. 이 필드의 크기는 적용되는 전압의 강도에 비례합니다.

단일 분자의 두께 만 가지고 있지만 이중층은 기존 커패시터의 유전체 층과 유사한 기능을 수행합니다. 따라서 기존 플레이트 커패시터의 커패시턴스를 계산하는 데 사용되는 공식을 다음 커패시터에도 사용할 수 있습니다.

C=\varepsilon {\frac {A}{d}} .

따라서, 커패시턴스 C는 유전율이 높은 ε, 전극판 A의 높은 표면적 및 판 D 사이의 짧은 거리를 갖는 재료로 제조 된 커패시터에서 가장 크다.

결과적으로, 이중층 커패시터의 커패시턴스 값은 활성탄 전극의 매우 넓은 표면적과 Debye 스케일의 길이에 따라 몇 ångströms (0.3-0.8 nm) 정도의 매우 얇은 이중층 거리로 인해 발생하는 일반 커패시터의 커패시턴스 값보다 훨씬 큽니다.

이온 공간 전하의 커패시턴스의 결과.

따라서, 탄소 전극 나노 구조체의 양자 커패시턴스의 상승은 SC의 커패시턴스 밀도의 후속 증가와 결합 될 가능성이 존재한다.

전극 크기는 모든 전압 단위에 대해 전기 화학 커패시터에 저장할 수있는 전하의 양을 결정하는 주요 요소입니다. 이중층에서의 에너지의 정전기 저장은 저장된 전하와 관련하여 선형이며 흡착 된 이온의 농도에 해당합니다. 이는 저장된 전하가 저장되는 에너지의 양에 비례하기 때문입니다. 또한 전하는 기존 커패시터에서 전자를 통해 전달되는 반면 이중층 커패시터에서는 커패시턴스가 전해질에서 이온의 제한된 이동 속도 및 전극의 저항성 다공성 구조와 관련이 있습니다. 이는 기존 커패시터에서 전하가 전달되는 방식과는 대조적입니다. 전극이나 전해질 내부에서 일어나는 화학 반응이 없기 때문에 이론적으로 충전 및 방전되는 전기 이중층의 용량은 무한합니다. 실제 슈퍼 커패시터의 수명을 단축시킬 수있는 유일한 것은 전해질 증발의 영향입니다.

전기 화학 커패시터의 단자에 전압이 가해지면 전해질 이온이 반대쪽 극성 전극으로 이동합니다. 이 작용은 두 층 사이의 분리기 역할을하는 용매 분자의 단일 층이있는 이중 층을 생성합니다. 가전 용량은 전해질에서 흡착 된 일부 이온이 이중층을 통과하면 나타날 수 있습니다. 이 의사 정전 용량은 전기 이중층을 갖는 전기 화학 커패시터에서 적절한 전극의 표면에 가역적 인 패러 다산 산화 환원 반응을 통해 전기 에너지를 저장합니다.) 요금 이동이 일어나고 있기 때문입니다.

산화 환원 전극 시약의 궤도라고도하는 원자가 전자 상태는 파라다 과정에 관여하는 전자가 운반되는 곳입니다. 그들은 음극으로 들어간 다음 외부 회로를 통해 양극으로 흐르고 동일한 양의 음이온으로 발달 한 두 번째 이중층을 찾습니다. 이중층을 형성하는 음이온으로 전달되는 대신, 양극으로 이동하는 전자는 전극 표면에있는 강렬하게 이온화되고 전자가 많이 가는전이 금속 이온에 머물러 있습니다. 그 결과, faradaic pseudocapacitance의 저장 용량은 접근 가능한 표면에 존재하는 시약의 양이 충분하지 않기 때문에 제한됩니다.

모든 의사 정전 용량 반응은 용매화 쉘을 가진 용매화 된 이온보다 훨씬 작은 탈 용매화 된 이온에서만 발생하기 때문에 Faradaic 의사 정전 용량은 정적 이중층 커패시턴스와 함께 만 발생할 수 있습니다. 그 크기는 전극의 성질과 구조에 따라 동일한 표면적에 대한 이중층 커패시턴스의 값을 100배 초과할 수 있다. 이것은 파라다 일부 제한된 제한 내에서 의사 정전 용량의 양은 선형 함수를 따릅니다. 이러한 한계는 흡착 된 음이온에 의해 달성 된 표면 피복의 전위 의존적 정도에 의해 결정됩니다.

산화 환원 반응, 삽입 또는 전기 흡착을 사용하여 의사 정전 용량 효과를 달성하는 전극의 능력은 전극 기공의 모양과 직경 외에도 전극 표면에 흡착되는 이온에 대한 전극 재료의 화학적 친화력에 크게 의존합니다.

의사 커패시터에서 전극으로 사용하기 위해 산화 환원 거동을 나타내는 물질은 활성탄과 같은 전도성 전극 재료에 도핑하여 삽입 된RuO2, IrO2 또는 MnO2와 같은 전이 금속 산화물이며 , 전극 재료를 폴리 아닐린과 같은 전도성 폴리머 또는 폴리 티오 펜 유도체로 코팅합니다.

의사 정전 용량으로 유지 될 수있는 전하의 양은 적용되는 전압의 양에 정비례합니다. 패럿은 의사 정전 용량의 측정 단위입니다.

정전기 커패시터라고도하는 기존 커패시터는 유전체 물질로 분리 된 두 개의 전극으로 구성됩니다. 종래의 커패시터의 예는 세라믹 커패시터 및 필름 커패시터이다. 충전 후 에너지는 전극 사이에있는 유전체를 관통하는 정적 전기장에 유지됩니다. 총 에너지는 축적 된 전하의 양에 비례하며, 이는 차례로 판 사이에 존재하는 전위 (전압)와 선형 관계를 갖습니다. 유전체의 항복 필드의 강도는 플레이트 사이에 존재할 수있는 최대 전위차 (최대 전압)에 제한 효과가 있습니다. 정적 저장의 동일한 원리가 전해 커패시터에 적용되지만, 대부분의 전위 강하가 양극의 상대적으로 얇은 산화물 층에서 발생한다는 사실에도 불구하고. 습식전해 커패시터의 경우 상대적으로 내성이