1. 동작원리와 기본구조(2)
초고용량 캐퍼시터 (Super Capacitor) 는 크기와 형태에 따라 Coin 형, 원통형 및 각형으로 분류할 수 있다. 코인형 전기 이중층 커패시터는 한 쌍의 Sheet 형상의 활성탄 전극이 격리막(Separator)을 사이에 두고 배치되어 전극에 전해액을 침투시킨 상태로 상/하 금속케이스와 패킹에 의해 밀봉된다. 각각의 활성탄소 전극은 상/하의 금속케이스에 도전성 접착제에 의해 접촉되어 있따. 단 Cell의 정격전압은 2.5를 나타내지만, 2 cell을 직렬로 접촉시켜 5.5v의 정격전압을 형성한다. 용량은 2F 이하이고, 저전류부하에 사용된다.
각형 초고용량 커패시터는 알루미늄 집전체의 표면에 활물질을 도포 형성시킨 한 쌍의 전극 사이에 격리막을 두고 대향 배치된 구조로 단자인출방식이 간단하게 구성되어 있다. 또한 전극 대향 면적이 넓고 활성탄 전극 두께의 박층화가 가능하여 전극체 중의 확산 저항이 적고, 코인형에 비해 대용량, 고출력화가 용이하여 대전류 부하용도에 적용 가능하다.
원통형 초고용량 커패시터는 알루미늄 집전체의 표면에 활물질을 도포 형성시킨 한 쌍의 전극사이에 격리막을 둔 상태로 감고, 이것에 전해액을 침투시켜 알루미늄 케이스에 넣어 고무로 밀봉한 구조를 가지고 있다. 알루미늄 집전체에는 리드선이 연결되어 있고, 이 리드선에 의해 외부로 단자가 인출된다. 대용량 원통형의 경우 수 많은 인출 단자들로 인해 접촉저항이 증가하여 출력특성의 감소를 가져오게 된다. 이를 보완하기 위하여 Up-Cap 구조로 양/음극 전극 잔체를 상/하 알루미늄 케이스 용접에 의해 부착시킨 구조가 개발되기도 하였다. Up-Cap 은 100F를 넘는 초대용량 초고용량 커패시터에 적합하고, 단자인출방식의 개량에 의해 초저저항을 구현한다.
2. 기타 에너지 저장 디바이스와의 비교
초고용량 커패시터는 전기이중층 커패시터, 의사 커패시터 (Pseudo Capacitor)와 하이브리드 커패시터 (Hybrid Capacitor)가 있다. 전기이중층 커패시터는 활성탄 표면에서 이온들의 물리적인 흡/탈착을 활용하여 출력특성과 높은 충방전효율 및 반영구적인 충방전 싸이클 특성은 리튬이차전지에 비해 우수하지만, 전극 활물질 내부에서의 인터컬레이션을 이용하는 리튬 이차전지에 비해 용량이 1/10 수준이다. 의사 커패시터는 수계 전해액에서의 프로톤(H+)에 의한 금속산화물 또는 폴리머 활물질에서의 Redox 반응을 이용하는 것으로 사용전압이 1V 이하로 제한하는 단점이 있고, 양극과 음극에 충방전 메커니즘을 달리하는 활물질 전극을 사용하는 하이브리드 커패시터는 에너지 밀도가 다른 초고용량 커패시터에 비해 높은 편이지만, 극판의 설계 및 제조공정이 복잡하고 제조빙ㅇ이 높아 적극적인 상용화에는 다소 무리가 있다. 이들 커패시터는 충방전시간, 에너지밀도, 출력밀도 및 Cycle 회수면에서 전해 콘덴서와 리튬이차전지의 중간적 특성을 가지게 된다. 따라서 초고용량 커패시터의 응용으로서는 리튬이차전지가 실현하지 못하는 고출력, 장수명 특성을 부각하여 펄스 부하 흡수전원, 파워전원, 리튬 2차 전지와의 혼용에 의한 보조전원으로 활용될 수 있다.
3. 응용분야 및 전망
초고용량 커패시터는 용량에 따라 소용량품(<1F), 중용량품 (1~100F급) 및 대용량품 (100~5000F급) 으로 분류할 수 있다. 소용량품을 중심으로 하는 수요는 리튬전지 등의 1차전지 또는 2차전지용의 저가격화에 의해 경쟁이 심화되고 있지만, 고급 기종 또는 GSM 폰 등의 휴대전화의 실시간 기능의 메모리 백업 등의 전원 시장은 확대되고 있는 추세이다. 또한 메모리 백업 용도가 중심이지만, 고기능화가 진행됨에 따라 배터리의 부하를 보완하는 목적으로 초고용량 커패시터를 채용하는 경향이 증가하고 있다. 100F까지의 중용량품은 태양광 에너지 저장, 자발광식 도로병 및 OA기기 등에 채용되고 있으며, 최근에는 자동차의 에너지 재생용, 전동완구 등의 새로운 용도에 활용되고 있다. 대용량품에서는 자동차의 ISG (Integrated Starting Generator) 용으로 전기이중층 커패시터가 개발되어 적용되고 있다.
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