커패시터의 개념은 오랫동안 사용되어 왔습니다. 그것은 처음으로 라이덴 병으로 알려졌습니다. 그 프로토 타입은 가수 분해 된 산 유전체를 포함하는 유리 병입니다. 산에 침지 된 도체와 유리 병 외부에 코팅 된 금속 포일은 두 개의 전극으로 사용됩니다. 그 사이의 유리는도 1에 도시 된 바와 같이 유전체 재료로서 사용된다. 1757 년에 특허를 출원 한 Berker는 1 차 전지의 전기 에너지가 수성 유전체 다공성 탄소에 침지 된 이중 전지에 저장된 전하에 의해 저장됨을 설명한다. 소재 인터페이스. 전기 화학 커패시터 (일명 슈퍼 커패시터) 란 무엇입니까? 첫 번째로 명명 된 것은 하프늄 산화막 시스템과 탄소 이중층에 의해 개발 된 대용량 커패시터 (그램 당 패럿 용량)입니다. 이러한 큰 충전 용량은 어떻게 달성됩니까? 다음으로 우리는 무슨 일이 일어나고 있는지 알아볼 것입니다.
그림 1 라이덴 병의 원리와 물리적지도

I. 분류 및 원리
전기 화학 커패시터는 고전력 밀도 (빠른 충전 및 방전, 2 차), 긴 사이클 수명 및 상대적으로 큰 에너지 밀도 (리튬 이온 배터리보다 약간 작음)와 같이 몇 가지 주목할만한 기능을 가지고있는 것으로 알려져 있습니다. 기구. 에너지 저장 원리에 따르면, 전기 화학 커패시터는 일반적으로 전기 이중층 커패시터와 패러데이 탄탈 커패시터로 나뉩니다. 물론이 둘을 혼합하는 것을 하이브리드 커패시터라고도합니다. 각각의 에너지 저장 메커니즘은 무엇이며 리튬 이온 배터리와 어떻게 다릅니 까? 아래에서는 그림 2와 같이 몇 가지 기본 에너지 저장 원리와 리튬 이온 배터리와의 차이점을 간략하게 이해합니다.

그림 2 전기 이중층 커패시터, 패러데이 탄탈륨 커패시터 및 리튬 이온 배터리의 기본 구성 및 에너지 저장 메커니즘 비교
전기 이중층 커패시터에서, 전하는 표면 부근의 영역에 집중되어 전해질에서 양이온 및 음이온을 끌어 당기고, 따라서 전극과 전해질 사이에 에너지 저장을 위해 정전기 장이 형성된다. 두 극은 각각 양과 음의 전하 쌍을 가지므로 전기 이중층 커패시터라고합니다. 이 반응은 가역적 인 물리적 흡착, 우수한 사이클 안정성 (> 100,000 배)이며, 충 방전 속도는 매우 빠르지 만, 제한된 충전으로 인해 에너지는 높지 않습니다. 패러데이 탄탈륨 커패시터에서, 전하는 전극 전해질의 계면을 통과하고, 전극 내에 또는 그 안에 내장 된 가변 원자가 물질의 표면은 전하의 저장을 실현하기 위해 산화 환원 반응이 전해질의 이온과 결합되게한다. 에너지 저장 메커니즘은 전통적인 전기 이중층 에너지 저장과 다릅니다. 이러한 산화 환원 반응 중 일부는 전극 표면에서의 빠른 가역 반응이고, 일부는 특정 상 변화를 갖는 매립 된 반응이기 때문에, 사이클 안정성은 전기 이중층 커패시터의 것보다 나쁘지만, 저장된 에너지는 개선된다. 리튬 이온 배터리의 경우, 주로 충전 및 방전 동안 양극 및 음극의 적층 구조에 전해질에서 리튬 이온이 매립 및 제거되어 전하 저장 및 방출을 실현한다. 이 메커니즘 하에서, 저장된 에너지는 매우 크지 만, 상 변화 프로세스로 인해, 전하 전송 속도가 느리고 구조가 쉽게 붕괴되어 사이클 성능이 높지 않다.
2. 구조 및 개발
전기 화학 커패시터의 기본 구조는도 1에 도시되어있다. 주로 전극, 전해질 및 두 전극 사이에 절연 된 세퍼레이터를 포함한다. 전극 재료와 전해질은 가장 중요한 두 가지 구성 요소이며 얻은 연구는 매우 체계적입니다. 다음은 주요 전극 재료 및 전해질의 연구 진행에 대한 간략한 소개입니다.
전극 재료
전극 재료에 대한 연구는 매우 성숙했습니다. 원래의 전기 이중층 커패시터의 대부분은 다공성 탄소, 탄소 섬유, 탄소 나노 튜브 및 그래 핀과 같은 탄소 재료를 사용 하였다. 탄소 재료는 용량이 작고 에너지 밀도가 낮지 만, 전도성 기판 상에의로드는 매우 높을 수있어, 상업화 분야에서 광범위하고 깊이 적용된다. 물론 최근 연구자들은 더 높은 에너지 밀도를 달성하기 위해 탄소 재료를 활성화하기 시작했으며, 이는 상용 등급 탄소의 성능 수준을 크게 높일 것으로 예상됩니다.
탄탈륨 커패시터는 탄소 재료의 정전 용량이 제한되고 에너지 저장이 충분하지 않기 때문에 점차 연구 핫스팟이되었습니다. 탐구되는 주요 물질은 금속 산화물, 전도성 중합체, 금속 질화물 및보다 최근에는 고온 금속 탄화물에 대한 연구를 포함한다. 가장 널리 연구 된 것은 이트륨 산화물로, 전기 화학 성능이 뛰어나지 만 수율이 낮고 가격이 높아 점차 주목을 받고 있습니다. 많은 금속 산화물은 성능이 우수하지만, 전기 전도성 커패시터의 급속 충전 및 방전 특성에 크게 영향을 미치는 전기 전도성이 좋지 않다는 단점이있다. 전도성 중합체의 전도성은 대부분의 금속 산화물의 전도성보다 우수하고, 성능은 유사하지만, 사이클 안정성이 나쁘다는 문제가있다. 금속 질화물은 우수한 전기 전도성 및 우수한 에너지 저장 용량을 갖지만, 전기 화학적 사이클링 동안 쉽게 산화되어 전기 전도성을 감소시키고 사이클 성능이 보장되지 않는다. 금속 탄화물 또는 탄질화물 및 이에 대응하는 층상 물질 (예 : Mxene 등)은 최근 연구자들로부터 광범위한 관심을 받아 개발 가능성이 높습니다.
전해질
전기 화학 커패시터의 전해질 시스템은 전극의 발달과 함께 점차 성숙하고있다. 큰 분류의 관점에서, 전해질은 주로 수성 전해질 및 유기 전해질을 포함한다. 수계 전해질은 산, 산 및 중성을 포함하고, 이온 전도성이 높지만, 물의 분해 전압 한계 (1.23V)에 의해 제한되고 작동 전압이 낮다. 수성 전해질은 과학 연구에서 더 많이 사용되지만 상용 제품은 거의 없습니다. 유기 전해질의 유형은 비교적 크며, 가장 큰 특징은 한계 전압이 수성 전해질 (2.7-3.7 V)보다 훨씬 높다는 것입니다. 따라서 높은 작동 전압은 슈퍼 커패시터가 에너지 밀도를 크게 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 상업용 전기 화학 커패시터에서, 대다수의 유기 전해질이 사용된다.
전기 화학 커패시터 구조 개발
연구 작업의 심화 및 특수성으로 인해 전기 화학 커패시터의 장치 모양도 많이 발전했습니다. 상업적으로 이용 가능한 최초의 슈퍼 커패시터는 그림 3과 같이 주로 상처 유형과 버튼 유형 (기존 배터리와 동일한 구조)이었습니다.

그림 3 권선 및 버튼형 슈퍼 커패시터
점차 수요가 증가함에 따라, 경질 기판을위한 전기 화학 커패시터의 적용 표면에는 약간의 단점이있다. 유연한 휴대용 슈퍼 커패시터가 연구 핫스팟이되었습니다. 주요한 진보는 기판이도 4에 도시 된 바와 같이 카본 천, 카본 페이퍼, 니켈 폼,가요 성 금속 시트 및 자립형 CNT 등과 같은가요 성 전도성 재료라는 것이다.

그림 4 여러 개의 유연한 슈퍼 커패시터를위한 유연한 전극 재료
플렉서블 슈퍼 커패시터는도 1에 도시 된 바와 같이 에너지 저장 유닛 및 플렉서블 전기 화학 커패시터의 편리한 운반을 실현할 수있다. 5는 전자 시계를 동시에 시계 줄로 구동합니다.

그림 5 2 차원 플렉시블 슈퍼 커패시터의 일부 응용
또한, 웨어러블 장치에있어서, 2 차원가요 성 기판은 여전히 직조에 대한 요구를 충족시키기에 불충분하다. 이때, 1 차원 선형 슈퍼 커패시터도 개발되었다. 그림 6의 일부에서 볼 수 있듯이 이러한 선형 슈퍼 커패시터를 사용하여 의복을 효과적으로 제직 할 수 있습니다.

그림 6 1 차원 선형 슈퍼 커패시터의 제직 디스플레이
3. 미래와 전망
슈퍼 커패시터의 미래는 어떻게 발전할까요? 에너지 저장 장치이지만 원칙적인 한계로 인해 저장 용량이 배터리를 초과하기 어렵고 (수퍼 커패시터보다 큰 경우) 배터리와 동일한 효과를 가져서는 안되지만 다음과 같이 사용해야합니다. 배터리. 주 전원에 강력한 추가 기능. 이 경우 개발은 자연스럽게 수요에 달려 있습니다. 태양 에너지 또는 풍력을 사용하여 에너지를 저장하면 전력이 증가합니다. 백업 전원으로 사용하면 에너지 저장이 최대화됩니다. 요컨대, 그것은 요구를 따라야합니다.
가까운 시일 내에 전기 화학 커패시터는 배터리와 같은 일상 생활에서 없어서는 안될 품목이 될 것이며 우리의 훌륭한 조력자가 될 것이라고 믿습니다!

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