슈퍼커패시터의 원리

게시일:

2023-02-22

이중층 커패시터는 물리학자 헬름홀츠가 제창한 계면 이중층 이론을 기반으로 한 완전히 새로운 유형의 커패시터입니다. 잘 알려져 있듯이, 전해질 용액에 삽입된 금속 전극의 표면과 액체의 두 측면에서는 서로 반대 부호를 띠는 과잉 전하가 형성되어, 그 결과 계면 간에 전위차가 발생합니다.

　　이중층 커패시터는 물리학자 헬름홀츠가 제창한 계면 이중층 이론을 기반으로 한 완전히 새로운 형태의 커패시터입니다. 잘 알려져 있듯이, 전해질 용액에 삽입된 금속 전극의 표면과 액체의 두 측면에는 서로 반대 부호를 띠는 과잉 전하가 형성되어, 그 결과 계면 간에 전위차가 발생합니다. 따라서 전해질 속에 두 개의 전극을 동시에 삽입하고, 그 사이에 전해질 용액의 분해 전압보다 낮은 전압을 인가하면, 전기장의 작용에 의해 전해질 내의 양이온과 음이온이 각각 두 전극으로 신속히 이동하여, 두 전극의 표면에 각각 밀접한 전하층, 즉 이중층을 형성하게 됩니다. 이 이중층은 전기장 하에서 전기적 분극을 일으키는 전통적인 커패시터의 유전체와 유사한 특성을 보이며, 따라서 커패시턴스 효과를 발생시킵니다. 밀접한 이중층은 마치 평행판 커패시터와 비슷하지만, 그 전하층 간의 간격이 일반 커패시터의 전하층 간 거리보다 훨씬 작기 때문에, 일반 커패시터에 비해 더 큰 정전용량을 갖게 됩니다.

　　이중층 커패시터는 알루미늄 전해 커패시터에 비해 내부 저항이 크므로, 부하 저항을 연결하지 않은 상태에서도 직접 충전할 수 있습니다. 또한 과전압으로 인한 충전이 발생하더라도 이중층 커패시터는 회로를 개방하여 소자가 손상되지 않으며, 이는 알루미늄 전해 커패시터의 과전압 파괴와는 다른 특성입니다. 한편, 이중층 커패시터는 충전식 배터리에 비해 제한 없는 충전이 가능하고 충전 횟수도 10^6회 이상에 달하기 때문에, 단순한 커패시터로서의 특성뿐만 아니라 배터리로서의 특성도 지니고 있어 배터리와 커패시터의 중간에 위치하는 독특한 신형 부품입니다.

　　기본 원리는 다음과 같다: 전극에 충전을 가하면, 이상적인 극화 상태에 있는 전극 표면의 전하가 주변 전해질 용액 내의 이종 이온을 끌어당겨 이들 이온이 전극 표면에 부착함으로써 이중 전하층을 형성하고, 이로 인해 이중층 커패시터가 구성된다. 두 전하층 간의 거리가 매우 작기(일반적으로 0.5 nm 이하) 때문에, 더불어 특수한 전극 구조를 채택함으로써 전극 표면적이 수만 배 증가하게 되어, 결과적으로 큰 정전용량이 발생한다.

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