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간단히 말하자면 : 이차전지 중 하나. 물리적 전하분리현상을 이용한 에너지 저장장치
일반 배터리 대비 「고출력」, 「짧은 충∙방전 시간」이 요구되는 분야에 기존 배터리 대체재 또는 보조재로 사용
「긴 수명」과 「저온동작」 특성을 필요로 하는 산업에도 적용
* 유래
1853년 독일의 물리학자 헤르만 폰 헬름홀츠(Hermann Von Helmholtz)에 의해 처음 도입된 개념이다.
* 소개
슈퍼 커패시터는 기존의 전해질 커패시터와 충전식 배터리의 중간에 위치해 있다고 할 수 있다.
전하의 정전기 현상(electro static)을 이용해 전기 이중층 표면에 형성되는 이온층에 전기를 저장한다.
전해액에 임의적으로 흩어져 있는 이온들이 충전시 서로 다른 극성을 띄는 전극에 나란히 배열하는데
이것은 완전한 물리적 작용으로써 화학적 현상에 의해 충전되는 배터리에 비해 높은 출력을 낼 수 있다.
* 원리
Porous Carbon Electrode : 전극(야자수를 태워 만든 카본 가루로 구멍이 많아 표면적을 극대화하였다)
Current Collector : 알루미늄 포일로 되어 있고 카본으로 만든 전극에서 모인 전류를 집적하여 리드탭을 통해 단자로 모은다.
Separator : 분리막. 양극과 음극 전극이 서로 직접 닿아 쇼트가 되지 않도록 분리시킨다.
* 재질
저판(2.31) : 재질 Polypropylene
슬리브(2.32) : 재질 PET. 슬리브는 단순 장식용이 아니라 1500V의 고전압 절연을 위해 씌운다. 이론적으로 커패시터의 표면에는 전압이 뜨지 않고 단자부에만 전압이 떠야 하지만 실제로는 몸통부(알루미늄 캔)에도 전압이 뜨기 때문에 절연이 필요하다.
알루미늄캔(2.33) : Al6061
분리막(2.34) : Cellulose
테이프(2.35) : Polyimide
리드탭(2.36) : 알루미늄
단자판(2.37) : Bakelite
* 구조
원통형은 전극-분리막-전극-분리막으로 겹친 후 감아서 만든다.
각형은 전극을 펀칭을 통해 한장 한장 따서 분리막-전극-분리막-전극-분리막... 순으로 적층시킨다. 가공비가 높아 단종된 제품이 많다.
*충방전
충전 전에 전해액에 흩어져 있던 전자가 충전 후 전자가 양극의 전극에 붙으며 충전상태가 된다.
Activated Carbon : 활성탄, Electrolyte : 전해액, Electrode : 전극
시간에 따른 전압 변화량(충방전)을 보면 배터리는 위 왼쪽과 같이 전압을 유지하는 평평한 구간이 있는 반면에
슈퍼캐패시터는 선형적으로 충방전되어 전압이 계속 변한다.
* 비교
Energy density(에너지 밀도, Wh/kg) : 무게당 전체 에너지량. 일정 힘의 지속시간으로 배터리가 커패시터 보다 높다.
Power density(파워 밀도, W/kg) : 무게당 파워(출력)량. 순간적인 힘이 어디가 세냐이다. 커패시터가 배터리보다 높다.
Aluminum Electrolytic 알루미늄 전해 커패시터 :
Hybrid capacitors 하이브리드 커패시터 : 기본적인 슈퍼 커패시터의 한쪽에 리튬같은 재료를 넣어 화학적 충방전으로 에너지량을 높인 대신 출력량을 줄였다. 커패시터와 배터리의 중간 특성을 보인다.
Double-layer capacitors 슈퍼 커패시터 : 전기 이중층 커패시터, 슈퍼캐패시터, 슈퍼콘덴서 등. 같은 말이다.
리튬 이온 배터리 : 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리
니켈 카드뮴 배터리 :
Lead Acid 납산배터리 :
누설전류는 초기에 크고 점점 줄어든다. 특히 고온(아래 그래프에서는 65도)에서는 상온 대비 더 높아진다.
* 보관
사람들이 일상 생활 가능한 수준에서 보관하면 괜찮다. 일반적으로 전해액의 끓는 점은 81도, 어는 점은 -51도 이다.
아래는 슈퍼커패시터를 충방전 했을 때의 용량과 저항의 변화를 나타낸 그래프이다. 커브의 기울기는 달라지나 100만번 충방전까지 용량 감소율이 20% 미만, 저항 증가율이 100% 미만이다.
* 종류
Coin형
Lead type(Pin)
Snap-in, Lug, Busbar 연결형
* 연결 방식
Snap-in이나 Lug는 주로 PCB에 실장(납땜)한다.
Soldering 시 온도는 대략 아래와 같다. 온도도 중요하지만 시간도 매우 중요해서 꼼꼼하게 납땜한다고 오래 가열하면 제품 소자에 열충격을 주어 파손이 될 수도 있고 납땜하며 +/- 단자부가 연결되서 납땜 중에 Short를 유발할 수도 있다.
대형제품은 저저항(0.23mOhm)으로 전류의 기본 출력이 높아 부스바를 사용하여 연결한다.
부스바를주로 해서 연결
부스바를 최소화하여 너트로 연결(저항 최소화 및 경량화)
M2플라스틱키트로 기본적인 진동에 대비한 Prototype을 만들 수 있다.
모듈화 예시
부스바(셀과 셀을 연결하는 부품)
부스바는 고출력에 대응해야 하므로 전기동 99.99%에 주석도금을 하여 전기전도도를 높인 제품을 써야 하며, 스틸 제품을 쓰면 저항이 높아 문제가 발생할 수 있다.
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* 시장 규모
대략 1조원, 그 중 소형(100F 미만)이 50% 정도이며, 분류에 따라 달라질 수 있다.
* 적용
사용시간(실제 1회 충방전 필요 시간)이 중요하며, 충방전 소요시간이 짧기 때문에 반복적으로 충방전이 되어야 할 수록 슈퍼커패시터 채택이 더 유리하다.
예외는 있지만 보통 경제성 측면에서 지속시간이 1분이 넘어가면 배터리나 배터리+ 슈퍼커패시터 보조. 1분 미만이면 슈퍼커패시터를 많이 고려한다.
AGM배터리 VS 하이브리드배터리(AGM+슈퍼커패시터)
또한 사용 환경이 안 좋거나, 간단한 수리하러 헬기 띄워야 하는 오지, 원근해, 사막 같은 곳 즉 수명이 길어야 하는데 주로 쓴다.
미국 태양열발전 Mirror Tracking 시스템.
태양열 발전의 한 가운데 Water Tower를 향해 둘러싼 거울이 열을 모은다. 슈퍼커패시터가 거울의 반사 각도를 계속 조정한다.
풍력 발전기 Pitch Control System
강풍에 풍력 발전기 날개가 파손되지 않도록 바람의 대향 각도를 조절해야 하며 그 비상 전원으로 사용한다.
무인운반차(AGV : Auto Guided Vehicle)
아마존/월마트 등 물류의 이동이 많아 수요가 높아졌다. 무인운반차에 사용하는데 슈퍼 커패시터의 특성 상 일정 궤도를 도는 동안 일정 충전포인트만 거치게 되면 별도의 충전시간에 의한 휴지기 없이 24시간 가동이 가능하다.
번개/벼락 치는 데 전압이 요동치지 않게 중간에 완충 작용을 해서 반도체/디스플레이 공장을 보호하는 장비 등에 반응성이 빨라야 할 경우에 사용한다.
순간정전보상
트롤리 버스 무가선 구간 전원
곤돌라 정전시 비상탈출용 전원
가깝게는 자동차 전압안정기로도 사용한다.
철도 시동용 모듈
점프스타터
모터사이클용 부스터/전압안정기
오디오 우퍼 출력을 보조하거나 자동차 전압안정에 쓰이거나,
배터리와 결합해 장수명용 하이브리드배터리로도 사용된다.
저온시동성을 이용해 러시아, 알래스카와 같이 추운 곳에 자동차 시동용 점프스타터로 사용된다.
상온(25도)에서 배터리 힘(출력)을 100%, 엔진 시동 거는 데 필요한 힘이 100%라고 가정할 때,
온도가 0도가 되면 배터리 힘은 63%로 낮아지고, 엔진 시동에 필요한 힘은 165%가 된다.
한 마디로 가장 좋은 상태에 비해 3배 정도의 힘을 내야 한다.
* 용도별 제품 선정
적어도 최고 전압, 최소전압(값이 없으면 보통 최고전압의 50%로 추산), 유지 시간이 필요하다.
아래 표 참조.
우선 필요 에너지 값을 구하고 (E=1/2*C*V^2), CV=it 공식을 통해 전류값도 구해서,
1) 최대 전압을 버틸 수 있는지 (셀을 몇 개 쓰는지 결정)
2) 최대 전류를 버틸 수 있는지 (셀의 Max. Current를 보고 셀 결정)
3) 필요한 시간을 지속해서 버틸 수 있는지 (CV=it에서 보통 전압, 전류, 지속 시간 봐서 용량 정할 때 쓴다)
를 보고 밸런싱이 틀어졌을 때와 2~10년 후에 용량 줄어 드는 것까지 고려해서 20% 이상 여유를 두고 설계한다.
여기까지 해 놓고 보면 그 다음은 보통 사이즈가 문제가 된다.
경우에 따라 다르지만 셀은 2.7~3.0V가 정격전압이라 하더라도 1.8~2.6V 또는 그 이하에서 사용한다고 생각하고 계산한다. 즉, 셀의 전압을 모두 다 쓰지 않고 실 사용 전압을 보고 여유있게 사용한다.
예를 들어 자동차용으로 사용할 때도 12V 배터리 실제 전압은 15V까지 간다.
15V 나누기 2.4V = 6.25개이니 6~7개를 써야 한다. 3V 셀 5개를 쓰면 여유가 없다.
셀을 여유있게 써야 하는 이유는
1) 발란싱(셀간 전압편차가 없게 하는 것)을 정확하게 맞춘다고 하더라도 점점 편차가 발생한다.
2) 정격 전압을 넘겨서 쓰면 셀의 열화가 가속된다.
3) 발란싱 회로는 전압 편차를 줄여주는 보조 장치로 보호회로가 아니다.(차단 기능 같은 것은 없다)
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