울트라커패시터

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울트라커패시터

울트라커패시터는 많은 양의 전하를 저장할 수 있는 전기 에너지 저장 장치입니다.

열의 형태로 에너지를 발산하는 저항기와 달리 이상적인 울트라커패시터는 에너지를 잃지 않습니다. 우리는 또한 커패시터의 가장 간단한 형태가 공기, 운모, 종이, 세라믹 등과 같은 절연 물질로 분리되고 거리 "d"를 통해 유전체라고 불리는 두 개의 평행 전도성 금속판이라는 것을 확인했습니다.

커패시터는 전압 (V) 에 따라 커패시터에 저장된 전하량으로 전하를 저장하는 능력의 결과로 에너지를 저장하며 , 전압이 클수록 다음과 같이 커패시터에 더 많은 전하가 저장됩니다. Q ∨V .

일반적인 울트라
커패시터

커패시터는 커패시턴스(기호 C) 라고 하는 비례 상수를 가지며 , 이는 커패시터 커패시턴스 값에 따른 전하량으로 전하를 저장할 수 있는 커패시터의 능력 또는 용량을 나타냅니다 .

 

그러면 전하 Q , 전압 V 및 커패시턴스 C 사이에 관계가 있음을 알 수 있으며, 커패시턴스가 클수록 동일한 양의 전압에 대해 커패시터에 저장된 전하량이 많아지고 이 관계를 정의할 수 있습니다. 커패시터의 경우 다음과 같습니다.

커패시터의 충전

여기서: Q  (전하, 쿨롱) =  C  (커패시턴스, 패럿) x  V  (전압, 볼트)

커패시턴스의 단위는 쿨롱/볼트이며, 이는 패럿( F )(M. Faraday의 이름을 따서 명명됨)이라고도 하며 1패럿은 커패시터의 커패시턴스로 정의되며 전위차를 설정하려면 1쿨롱의 전하가 필요합니다. 두 판 사이의 전압은 1V입니다.

그러나 기존의 1패럿 커패시터는 대부분의 실제 전자 응용 분야에서 매우 크므로 다음과 같은 경우 마이크로패럿( μF ), 나노패럿( nF ) 및 피코패럿( pF )과 같은 훨씬 작은 단위가 일반적으로 사용됩니다.

• 마이크로패럿(μF)    1μF = 1/1,000,000 = 0.000001 = 10 -6F
• 나노패럿(nF)    1nF = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = 10 -9 F
• 피코패럿(pF)    1pF = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10 -12F

그러나 울트라커패시터( Ultracapacitor) 또는 슈퍼커패시터( Supercapacitor) 라는 또 다른 유형의 커패시터를 사용할 수 있습니다. 이 커패시터는 매우 작은 크기로 몇 mF(밀리 패럿)에서 수십 패럿의 정전용량 값을 제공하여 두 커패시터 사이에 훨씬 더 많은 전기 에너지를 저장할 수 있습니다. 접시.

커패시턴스와 전하에 관한 튜토리얼에서 우리는 커패시터에 저장된 에너지가 다음 방정식으로 주어진다는 것을 보았습니다.

여기서 E 는 전기장에 저장된 에너지(줄), V 는 플레이트 간의 전위차, C 는 패럿 단위의 커패시터 커패시턴스이며 다음과 같이 정의됩니다.

여기서: ε 는 판 사이의 물질 유전율, A 는 판의 면적, d 는 판의 분리입니다.

울트라커패시터는 전극이라고 불리는 큰 전도성 플레이트와 표면적( A ) 및 그 사이의 매우 작은 거리( d )를 갖도록 구성된 또 다른 유형의 커패시터입니다. 테플론, 폴리에틸렌, 종이 등과 같은 고체의 건식 유전 물질을 사용하는 기존 커패시터와 달리 울트라커패시터는 전극 사이에 액체 또는 습식 전해질을 사용하여 전해 커패시터와 유사한 전기 화학 장치에 가깝습니다.

울트라커패시터는 전기화학 장치의 일종이지만 전기 에너지를 저장하는 데에는 화학 반응이 관여하지 않습니다. 이는 울트라커패시터가 그림과 같이 두 전도성 전극 사이에 전기장의 형태로 전기 에너지를 저장하는 정전기 장치로 효과적으로 남아 있음을 의미합니다.

 

울트라커패시터 구성

양면 코팅 전극은 활성 전도성 탄소, 탄소 나노튜브 또는 탄소 젤 형태의 흑연 탄소로 만들어집니다. 분리기라고 불리는 다공성 종이 막은 전극을 서로 분리시켜 주지만 더 큰 전자는 차단하면서 양이온은 통과시킵니다. 종이 분리기와 탄소 전극 모두 울트라커패시터 솔더 탭에 전기 연결을 만드는 집전기 역할을 하기 위해 둘 사이에 알루미늄 호일이 사용된 액체 전해질이 함침되어 있습니다.

탄소 전극과 분리막의 이중층 구조는 매우 얇지만 함께 감으면 유효 표면적이 수천 제곱미터에 이릅니다. 그런 다음 울트라 커패시터의 정전 용량을 늘리려면 커패시터의 물리적 크기를 늘리지 않고 접촉 표면적 A (m 2 단위)를 늘리거나 특수 유형의 전해질을 사용하여 사용 가능한 용량을 늘려야 한다는 것이 분명합니다. 전도성을 높이기 위해 양이온을 사용합니다.

그런 다음 울트라 커패시터는 매우 작은 거리 d 또는 플레이트의 분리와 전극 의 표면 형성을 위한 높은 표면적 A 로 인해 수백 패럿에 달하는 높은 커패시턴스 값으로 인해 우수한 에너지 저장 장치를 만듭니다. 이중층을 형성하는 전해질 이온층. 이 구조는 각 탄소 전극에 하나씩 두 개의 커패시터를 효과적으로 생성하여 울트라커패시터에 두 개의 커패시터를 직렬로 형성하는 "이중층 커패시터"라는 두 번째 이름을 부여합니다.

그러나 이 작은 크기의 문제점은 울트라 커패시터 셀의 정격 전압이 주로 전해질의 분해 전압에 의해 결정되기 때문에 커패시터 양단의 전압이 매우 낮을 수 있다는 것입니다. 그러면 일반적인 커패시터 셀의 작동 전압은 사용된 전해질에 따라 1~3V이며, 이는 저장할 수 있는 전기 에너지의 양을 제한할 수 있습니다.

적절한 전압으로 전하를 저장하려면 울트라커패시터를 직렬로 연결해야 합니다. 전해 및 정전 커패시터와 달리 울트라 커패시터는 단자 전압이 낮은 것이 특징입니다. 정격 단자 전압을 수십 볼트로 높이려면 울트라커패시터 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 그림과 같이 더 높은 커패시턴스 값을 달성해야 합니다.

울트라커패시터 가치 증가

여기서, V CELL은 한 셀의 전압이고, C CELL 은 한 셀의 정전용량입니다.

각 커패시터 셀의 전압은 약 3.0V이므로 더 많은 커패시터 셀을 직렬로 연결하면 전압이 증가합니다. 더 많은 커패시터 셀을 병렬로 연결하면 커패시턴스가 증가합니다. 그런 다음 울트라커패시터 뱅크의 총 전압과 총 정전용량을 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

여기서 M 은 열 수이고 N 은 행 수입니다. 또한 배터리와 마찬가지로 울트라커패시터와 슈퍼커패시터는 커패시터 본체에 양극 단자가 표시된 정의된 극성을 가지고 있습니다.

울트라커패시터 예시 No1

전자 회로의 에너지 저장 백업 장치로 5.5V, 1.5패럿 울트라커패시터가 필요합니다. 울트라커패시터가 개별 2.75v, 0.5F 셀로 만들어지는 경우 필요한 셀 수와 어레이 레이아웃을 계산합니다.

따라서 어레이에는 필요한 5.5v를 제공하기 위해 각각 직렬로 연결된 2.75v의 커패시터 셀 2개가 있습니다.

그런 다음 어레이는 총 6개의 개별 열을 가지게 되며, 6개의 행으로 구성된 2개의 행으로 구성되어 그림과 같이 6 x ​​2 어레이의 울트라커패시터를 형성합니다.

6×2 울트라커패시터 어레이

울트라커패시터 에너지

모든 커패시터와 마찬가지로 울트라커패시터는 에너지 저장 장치입니다. 전기 에너지는 판 사이의 전기장에 전하로 저장되며, 이렇게 저장된 에너지의 결과로 두 판 사이에 전위차, 즉 전압이 존재합니다. 충전하는 동안(연결된 공급 장치에서 울트라커패시터를 통해 흐르는 전류) 전기 에너지가 플레이트 사이에 저장됩니다.

울트라커패시터가 충전되면 전류는 공급 장치에서 흐르는 것을 멈추고 울트라커패시터 단자 전압은 공급 장치의 전압과 동일해집니다. 결과적으로, 충전된 울트라커패시터는 에너지 저장 장치로 작동해야 할 때까지 전압 공급 장치에서 제거되더라도 이 전기 에너지를 저장합니다.

방전(전류가 흘러나옴)할 때 울트라커패시터는 저장된 에너지를 전기 에너지로 변경하여 연결된 부하에 공급합니다. 그러면 울트라커패시터는 자체적으로 에너지를 소비하지 않고 대신 울트라커패시터에 저장된 에너지 양이 커패시터의 커패시턴스 값에 비례하여 필요에 따라 전기 에너지를 저장하고 방출합니다.

앞서 언급한 바와 같이, 저장된 에너지의 양은 커패시턴스 C 와 터미널 양단의 전압 V 의 제곱에 비례합니다.

여기서: E 는 줄(joule)로 저장된 에너지입니다. 그런 다음 위의 울트라커패시터 예에서 어레이에 저장된 에너지 양은 다음과 같이 제공됩니다.

그러면 울트라커패시터가 저장할 수 있는 최대 에너지 양은 22.7J이며, 이는 원래 5.5V 충전 공급 장치에서 공급된 것입니다. 이렇게 저장된 에너지는 전해질 유전체에서 전하로 계속 사용할 수 있으며 부하에 연결되면 울트라커패시터 전체 22.69줄의 에너지가 전류로 사용 가능해집니다. 분명히 울트라커패시터가 완전히 방전되면 저장된 에너지는 0이 됩니다.

그런 다음 이상적인 울트라커패시터는 에너지를 소비하거나 낭비하지 않고 대신 외부 충전 회로에서 전력을 가져와 전해질 필드에 에너지를 저장한 다음 부하에 전력을 전달할 때 저장된 에너지를 반환한다는 것을 알 수 있습니다.

위의 간단한 예에서 울트라커패시터에 의해 저장된 에너지는 약 23줄이었지만 정전용량 값이 크고 정격 전압이 높을수록 울트라커패시터의 에너지 밀도가 매우 커져서 에너지 저장 장치로 이상적일 수 있습니다.

실제로, 수천 패럿 및 수백 볼트 등급의 울트라커패시터는 현재 하이브리드 전기 자동차(포뮬러 1 포함)에서 회생 제동 시스템용 고체 에너지 저장 장치로 사용되고 있습니다. 이후 가속. 울트라 및 슈퍼 커패시터는 납축 배터리를 대체하기 위해 재생 에너지 시스템에도 사용됩니다.

울트라커패시터 요약

우리는 울트라커패시터가 일반적으로 전하를 정전기적으로 저장하는 전해질 용액에 담긴 활성탄으로 구성된 두 개의 다공성 전극으로 구성된 전기화학 장치라는 것을 확인했습니다 . 이러한 배열은 직렬로 연결된 각 탄소 전극에 하나씩 두 개의 커패시터를 효과적으로 생성합니다.

울트라커패시터는 매우 작은 물리적 크기 내에서 수백 패럿의 커패시턴스를 사용할 수 있으며 배터리보다 훨씬 더 높은 전력 밀도를 달성할 수 있습니다. 그러나 울트라커패시터의 정격 전압은 일반적으로 약 3V 미만이므로 유용한 전압을 제공하려면 여러 커패시터를 직렬 및 병렬 조합으로 연결해야 합니다.

울트라커패시터는 배터리와 유사한 에너지 저장 장치로 사용될 수 있으며 실제로는 울트라커패시터 배터리로 분류됩니다. 그러나 배터리와 달리 울트라커패시터는 더 짧은 시간 동안 훨씬 더 높은 전력 밀도를 달성할 수 있습니다.

또한, 울트라커패시터는 고전압을 신속하게 방전한 후 다음 사이클을 위해 다시 재충전할 수 있는 능력으로 인해 현재 많은 하이브리드 가솔린 차량과 연료 전지 구동 전기 차량에 사용되고 있습니다.

기존 연료 전지 및 자동차 배터리와 함께 울트라커패시터를 사용하면 최대 전력 수요와 부하 조건의 일시적인 변화를 훨씬 더 효과적으로 제어할 수 있습니다.