휴대폰이 번개처럼 빠르게 충전되고, 전기 자동차의 주행 거리가 두 배로 늘어나며, 이러한 모든 장치가 더욱 환경 친화적이고 내구성이 높아지는 세상을 상상해 보세요. 이 비전은 슈퍼커패시터(기존 커패시터와 배터리 사이의 격차를 해소하는 에너지 저장 구성 요소) 덕분에 점차 현실이 되고 있습니다. 이 기사에서는 슈퍼커패시터의 유형, 주요 기술 사양 및 산업 전반의 다양한 응용 분야를 살펴보겠습니다.
일상생활에서 우리는 슈퍼컴퓨터, 초전도체, 슈퍼트레인 등 "슈퍼"라는 접두사가 붙은 용어를 자주 접합니다. 이 접두사는 일반적으로 뛰어난 성능이나 용량을 나타냅니다. 울트라커패시터 또는 전기화학 커패시터(EC)라고도 불리는 슈퍼커패시터는 커패시터와 배터리의 최고의 기능을 결합한 에너지 저장 장치로서 이러한 명칭에 부응합니다.
기존 커패시터에 비해 슈퍼커패시터는 훨씬 더 높은 정전용량을 제공하므로 더 많은 전하를 저장할 수 있습니다. 배터리와 비교하여 측정하면 우수한 전력 밀도, 더 빠른 충전/방전 속도 및 더 긴 주기 수명을 보여줍니다. 에너지 밀도는 일반적으로 배터리에 미치지 못하지만 이러한 고유한 장점으로 인해 슈퍼커패시터는 다양한 응용 분야에 이상적입니다.
슈퍼커패시터는 에너지 저장 메커니즘에 따라 주로 세 가지 범주로 분류됩니다.
가장 성숙하고 널리 사용되는 유형인 EDLC는 두 개의 전극, 분리기 및 용해된 이온을 포함하는 전해질로 구성됩니다. 충전하는 동안 이온은 전극 표면에 축적되어 기존 커패시터의 유전체와 유사하지만 훨씬 더 얇은 매우 얇은(0.3-0.8 nm) 전하층을 형성합니다. 이 정전기 프로세스를 통해 급속 충전과 뛰어난 수명이 가능해졌습니다.
EDLC는 일반적으로 활성탄, 탄소 나노튜브 또는 그래핀과 같은 표면적이 큰 탄소 재료를 전극으로 사용합니다. 넓은 표면적은 더 큰 전극-전해질 접촉을 제공하여 정전용량을 증가시킵니다.
이들은 금속 산화물이나 전도성 고분자를 전극으로 활용하여 순수한 정전기 과정이 아닌 표면 산화환원 반응을 통해 에너지를 저장합니다. 이 패러데이 메커니즘은 추가 "유사 용량"을 생성하여 EDLC보다 더 높은 에너지 밀도를 제공하지만 일반적으로 사이클 수명이 감소하고 비용이 더 많이 듭니다.
일반적인 전극 재료에는 산화 루테늄(RuO)이 포함됩니다.2), 이산화망간(MnO2) 및 폴리아닐린과 같은 전도성 폴리머.
EDLC와 유사 커패시터의 장점을 결합한 하이브리드 설계는 다양한 전극 재료를 결합하여 우수한 에너지 및 전력 밀도를 달성합니다. 대표적인 예는 EDLC 스타일 활성탄 양극과 리튬 이온 배터리 음극을 결합하는 리튬 이온 커패시터입니다.
슈퍼커패시터는 여러 부문에 영향을 미치고 있습니다.
전기 및 하이브리드 차량에서는 가속을 위한 버스트 전력을 제공하고 회생 제동 에너지를 포착합니다. 일부 도시에서는 이미 정류장에서 빠르게 재충전되는 슈퍼커패시터 구동 버스를 배치하고 있습니다.
이는 잉여 재생 에너지를 저장하고 태양광/풍력 발전의 변동을 완화하여 전력망을 안정화하는 데 도움이 됩니다.
스마트폰부터 카메라까지 슈퍼커패시터는 급속 충전을 가능하게 하고 백업 전원을 제공하는 동시에 배터리 수명을 연장합니다.
이는 무정전 전원 공급 장치(UPS), 크레인, 용접 장비 및 기타 고전력 산업 시스템에서 사용됩니다.
슈퍼커패시터는 엄청난 가능성을 보여주지만 몇 가지 장애물이 남아 있습니다.
연구원들은 이러한 과제를 극복하기 위해 새로운 전극 재료, 보다 안전한 전해질 및 혁신적인 장치 아키텍처를 적극적으로 개발하고 있습니다. 이러한 발전이 진행됨에 따라 슈퍼커패시터는 에너지 미래에서 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것입니다.
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