전기 이중층, 슈퍼커패시터:
소자 구조 및 특성 구분:
전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)와 슈퍼커패시터는 체적당 매우 높은 정전용량과 일반적으로 수 볼트 이하의 낮은 전압 정격을 특징으로 하는 전해 커패시터와 유사한 소자 그룹입니다. 이러한 소자들 간의 구조 유형과 동작 원리는 서로 다르며 R&D에서 계속해서 노력하고 있는 주제이지만, 그 중에서 공통적으로 발견되는 테마는 (활성탄, 에어로겔 등과 같은) 굉장히 높은 체적당 표면적을 제공하는 전극 소재의 사용과 전통적인 고체 유전체의 부재입니다. 다른 커패시터 유형에서 볼 수 있는 전통적인 세라믹, 폴리머, 또는 금속 산화물 유전체 대신, EDLC, 슈퍼커패시터 그리고 다른 이름의 유사한 소자들은 매우 작은 전하 이격 거리를 가능케 하는 다양한 전기화학적, 정전기, 전하 이동 효과를 필요로 합니다. 커패시터의 "플레이트"가 이격된 거리는 일반적으로 소수점 단위의 나노미터로 측정됩니다.
실용적 목적에서, EDLC, 슈퍼커패시터 그리고 다른 이름의 유사한 소자들은 전통적인 커패시터와 2차(충전식) 전지 사이 일종의 절충안으로 여겨질 수 있습니다. 이들의 에너지 저장 밀도는 전통적인 커패시터보다 높지만 전기화학 전지보다는 낮고, ESR 값은 커패시터 기준으로는 높지만 전기화학 전기 기준으로는 낮으며, 수명은 불과 수백에서 수천 사이클인 화학 전지의 수명과 비교하여 거의 무기한에 가깝습니다. 전기화학 전지와 마찬가지로, 여러 EDLC를 하나의 패키지로 통합하여 공칭 전압이 더 높은 합성 소자를 만들 수 있습니다.
다른 커패시터 유형에 비해 높은 ESR과 낮은 선형성 특성의 결합으로 EDLC와 슈퍼커패시터는 대부분의 신호 및 kHz 이상의 고주파 응용 분야에 적합하지 않지만 인간 차원 시간 단위에서의 에너지 저장에는 상당히 유용합니다. 이 영역 내에서 다양한 응용 분야를 위한 소자의 연속성이 있습니다. 작은 소자는 ESR 값이 수백 옴에 달할 수 있으며, uA 수준의 전류를 필요로 하는 메모리 및 실시간 클록의 백업 전원 장치와 같은 응용 분야를 위한 것입니다. 반대로 ESR이 소수점 단위의 밀리옴인 소자들은 차량용 회생 제동 시스템과 같은 수백 암페어의 전류가 흐르는 응용 분야에 사용하기 위한 것입니다.
사용 가능한 정전용량과 전압의 범위:
아래 도표는 이 게시글 작성 당시 DigiKey에 재고가 있는 EDLC 및 슈퍼커패시터의 정전용량과 전압 정격을 보여줍니다. 수직 척도의 단위는 유사한 도표에서 볼 수 있는 마이크로패러드 단위와는 대조적으로 패러드입니다.
일반적인 고장 메커니즘 / 중요한 설계 고려 사항:
EDLC/슈퍼커패시터 산하의 소자들 간 기술 차이가 그룹 전체에 대한 고장 메커니즘과 중요한 설계 고려 사항에 대한 자세한 논의를 불가능하게 합니다. 그러나 응용 분야의 관점에서, 알루미늄 전해 커패시터에 적용되는 우려 사항들이 거의 바로 EDLC 및 슈퍼커패시터에 적용된다는 것만으로 충분합니다:
- 증발하기 쉬운 액체 전해질 용액이 들어 있어서, 온도가 10°C 상승할 때마다 장치 수명이 절반으로 줄어들 것으로 예상하는 아레니우스의 경험 법칙이 성립됩니다. 많은 EDLC/슈퍼커패시터들의 온도 정격이 상대적으로 낮다는 점과 연장된 충전 사이클을 포함하는 응용 분야에서는 자기 가열 효과가 현저해진다는 점에 유의해야 합니다. 또한 많은 보드 장착 소자들은 리플로우 솔더링 공정이 허용되지 않으며, 그 결과 조립 과정에 특별한 주의가 필요할 수 있습니다.
- 정격 전압 이상으로 동작해서는 안됩니다. 그렇게 하면 전해질 손실 및/또는 절연 파괴에 따른 고장이 발생할 수 있습니다. 유기 전해질을 사용하는 소자의 경우 특히 관련이 있으며, 이는 데이브의 경험이 입증하듯이 고장 시 방출되는 물질이 상당히 독성이 있을 수 있기 때문입니다. (도자기로 된 전화기로 랄프와 실험에 대해 논의한 결과, 데이브는 살아남을 수 있었습니다…)
- 이들은 상당한 유전 흡수 및 온도 함수로서의 소자 특성 변화를 보여줍니다. 또한, EDLC/슈퍼커패시터, 특히 직렬 연결된 커패시터들로 구성된 복합 소자에서 누설 전류가 대체로 상당히 높습니다. 이러한 소자들은 용량 또는 누설 전류의 불균형으로 인한 특정 셀의 과전압 상태를 방지하기 위해 각 셀에 인가되는 전압의 균형을 맞추기 위한 일종의 회로를 흔히 필요로 합니다.
- 커패시터는 Q=C*V 방정식에 따른 출력 전압과 잔존용량 간에 선형적인 관계를 보입니다. 이 부분이 일반적으로 잔존용량 함수로서 출력 전압의 안정기가 넓고 다소 평평한 전기 화학 셀과 다릅니다. 많은 대부분의 응용 분야에서, 이 부분이 EDLC/슈퍼커패시터의 전체 용량을 최대로 활용하기 위해서는 일종의 전력 관리 회로가 필요하다는 것을 의미합니다.