커패시터는 전자 제품에 널리 사용되는 2 단자 수동 부품입니다. 우리가 전자 제품에서 찾은 거의 모든 회로는 다양한 용도로 하나 이상의 커패시터를 사용합니다. 커패시터는 저항 다음으로 가장 많이 사용되는 전자 부품입니다. 그들은 에너지 를 저장 하는 특별한 능력을 가지고 있습니다. 시장에는 다양한 유형의 커패시터가 있지만 최근 인기를 얻고 향후 배터리 교체 또는 대체를 약속하는 커패시터 는 슈퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터 라고도합니다.. 슈퍼 커패시터는 일반 커패시터보다 커패시턴스 값이 훨씬 높지만 전압 제한이 낮은 고용량 커패시터에 불과하며, 전해 커패시터보다 단위 부피 또는 질량 당 10 ~ 100 배 더 많은 에너지를 저장할 수 있고 배터리보다 더 많은 충전-방전주기를 견딜 수 있습니다.
슈퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터는 현대에 많이 개발 된 새로운 에너지 저장 기술입니다. 슈퍼 커패시터는 상당한 산업 및 경제적 이점을 제공합니다
커패시터의 커패시턴스는.1uF (마이크로 패러 드), 1mF (밀리 파라 드)와 같이 패러 드 (F)로 측정됩니다. 그러나 낮은 값의 커패시터는 전자 제품에서 매우 일반적이지만, 훨씬 더 높은 밀도로 에너지를 저장하고 매우 높은 정전 용량 값으로 사용할 수있는 매우 높은 값의 커패시터도 사용할 수 있습니다.
위 이미지에는 로컬에서 사용 가능한 2.7V, 1Farad 슈퍼 커패시터 이미지가 나와 있습니다. 정격 전압은 훨씬 낮지 만 위 커패시터의 커패시턴스는 상당히 높습니다.
슈퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터의 이점
슈퍼 커패시터에 대한 수요 는 날로 증가하고 있습니다. 급속한 개발과 수요의 주된 이유는 슈퍼 커패시터의 다른 많은 이점 때문이며, 그중 일부는 아래에 설명되어 있습니다.
- 약 1 백만 충전주기의 매우 좋은 수명을 제공합니다.
- 작동 온도는 거의 -50도에서 70도이므로 소비자 애플리케이션에 사용하기에 적합합니다.
- 배터리에 의해 달성되는 최대 50 배의 높은 전력 밀도.
- 유해 물질, 독성 금속은 일회용 부품으로 인증 된 슈퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터 제조 공정의 일부가 아닙니다.
- 배터리보다 효율적입니다.
- 배터리에 비해 유지 보수가 필요 없습니다.
슈퍼 커패시터는 전기장에 에너지를 저장하지만 배터리의 경우 화학 화합물을 사용하여 에너지를 저장합니다. 또한 빠른 충전 및 방전 기능으로 인해 슈퍼 커패시터는 배터리 시장에 서서히 진입하고 있습니다. 매우 높은 효율로 낮은 내부 저항, 유지 보수 비용 없음, 더 긴 수명은 현대 전원 관련 시장에서 수요가 높은 주된 이유입니다.
커패시터의 에너지
커패시터는 Q = C x V 형태의 에너지를 저장 합니다. Q는 쿨롱 단위의 전하, 패럿 단위의 커패시턴스, V는 볼트 단위의 전압을 나타냅니다. 따라서 커패시턴스를 늘리면 저장된 에너지 Q도 증가합니다.
커패시턴스 단위는 M. Faraday의 이름을 딴 Farad (F)입니다. 패러 드는 쿨롱 / 볼트에 대한 커패시턴스 단위입니다. 1 패러 드의 커패시터라고하면 1 쿨롱 전하에 따라 플레이트간에 1 볼트 전위차가 생성됩니다.
1 Farad는 일반 전자 부품으로 사용하기위한 매우 큰 값의 커패시터입니다. 전자 장치에서는 일반적으로 마이크로 패러 드 대 피코 패러 드 커패시턴스가 사용됩니다. Microfarad는 uF (1 / 1,000,000 Farad 또는 10 -6 F), nano farad는 nF (1 / 1,000,000,000 또는 10 -9 F), Pico farad는 pF (1 / 1,000,000,000,000 또는 10 -12 F)로 표시됩니다.
mF에서 몇 패러 드 (일반적으로 <10F)까지 값이 훨씬 높아진다면 커패시터가 플레이트 사이에 훨씬 더 많은 에너지를 보유 할 수 있음을 의미하며, 해당 커패시터를 울트라 커패시터 또는 슈퍼 커패시터 라고 합니다.
커패시터에 저장된 에너지는 E = ½ CV 2 Joules입니다. E는 저장된 에너지 (줄), C는 패러 드 (Farad)의 커패시턴스, V는 플레이트 간의 전위차입니다.
건설
슈퍼 커패시터는 전기 화학 장치입니다. 흥미롭게도 전기 에너지를 저장할 책임이있는 화학 반응이 없습니다. 그 구조는 전극 사이에 액체 또는 습식 전해질이있는 전해 커패시터와 동일합니다. 여기에서 다양한 유형의 커패시터에 대해 알아볼 수 있습니다.
슈퍼 커패시터 는 전도성 전극 사이의 전기장으로 전기 에너지를 저장하는 정전기 장치 역할을합니다.
전극, 빨간색과 파란색은 양면 코팅되어 있습니다. 그들은 일반적으로 탄소 나노 튜브 또는 젤 형태의 흑연 탄소 또는 특수한 유형의 전도성 활성탄으로 만들어집니다.
전극 사이의 큰 전자 흐름을 차단하고 양이온을 통과시키기 위해 다공성 종이 멤브레인이 사용됩니다. 종이 멤브레인은 또한 전극을 분리합니다. 위의 이미지에서 볼 수 있듯이 다공성 종이 멤브레인은 녹색으로 중간에 위치합니다. 전극과 종이 분리기는 액체 전해질로 함침됩니다. 알루미늄 호일은 전기적 연결을 설정하는 집 전체로 사용됩니다.
분리 판과 판의 면적은 커패시터의 커패시턴스 값을 담당합니다. 관계는 다음과 같이 표시 될 수 있습니다.
여기서, Ɛ는 플레이트 사이에 존재하는 재료의 유전율입니다.
A는 플레이트의 면적입니다.
D는 플레이트 사이의 분리입니다.
따라서 슈퍼 커패시터의 경우 접촉면을 늘려야하지만 한계가있다. 커패시터의 물리적 모양이나 크기를 늘릴 수 없습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 특수한 유형의 전해질을 사용하여 플레이트 사이의 전도도를 증가시켜 정전 용량을 증가시킵니다.
슈퍼 커패시터는 이중층 커패시터라고도 합니다. 그 뒤에 이유가 있습니다. 특수 전해질을 사용하여 매우 작은 분리와 넓은 표면적, 전해질 이온의 표면층은 이중층을 형성합니다. 각 탄소 전극에 하나씩 두 개의 커패시터 구조를 만들고 이중층 커패시터라고합니다.
이러한 구조에는 단점이 있습니다. 전해액의 분해 전압으로 인해 커패시터 양단의 전압이 매우 낮아졌습니다. 전압은 전해질 재료에 크게 의존하며 재료는 커패시터의 전기 에너지 저장 용량을 제한 할 수 있습니다. 따라서 낮은 단자 전압으로 인해 수퍼 커패시터를 직렬로 연결하여 유용한 전압 수준에서 전하를 저장할 수 있습니다. 이로 인해 직렬로 연결된 supecapacitor는 평소보다 더 높은 전압을 생성하고 병렬로 커패시턴스가 커졌습니다. 아래의 슈퍼 커패시터 어레이 구성 기술로 명확하게 이해할 수 있습니다.
슈퍼 커패시터 어레이 구성
유용한 필수 전압으로 전하를 저장하려면 슈퍼 커패시터를 직렬로 연결해야합니다. 그리고 커패시턴스를 높이려면 병렬로 연결해야합니다.
Supercapacitor의 어레이 구성을 살펴 보겠습니다.
위 이미지에서 단일 셀 또는 커패시터의 셀 전압은 Cv로 표시되고 단일 셀의 커패시턴스는 Cc로 표시됩니다. 슈퍼 커패시터의 전압 범위는 1V ~ 3V이며 직렬 연결은 전압을 증가시키고 더 많은 커패시터는 병렬로 커패시턴스를 증가시킵니다.
어레이를 생성하면 직렬 전압은
총 전압 = 셀 전압 (Cv) x 행 수
그리고 병렬로 연결된 커패시턴스는
총 커패시턴스 = 셀 커패시턴스 (Cc) x (열 수 / 행 수)
예
백업 저장 장치를 만들어야하며이를 위해서는 6V 정격의 2.5F 슈퍼 또는 슈퍼 커패시터가 필요합니다.
3V 정격의 1F 커패시터를 사용하여 어레이를 생성해야하는 경우 어레이 크기와 커패시터 수량은 얼마입니까?
총 전압 = 셀 전압 x 행 번호 다음, 행 번호 = 6/3 행 번호 = 2
직렬로 연결된 두 개의 커패시터가 6V 전위차를 가짐을 의미합니다.
자, 커패시턴스, 총 커패시턴스 = 셀 커패시턴스 x (열 번호 / 행 번호) 그러면 열 수 = (2.5 x 2) / 1
따라서 2 개의 행과 5 개의 열이 필요합니다.
배열을 구성 해 보겠습니다.
어레이에 저장된 총 에너지는 다음과 같습니다.
슈퍼 커패시터는 에너지를 저장하고 빠른 충전 또는 방전이 필요한 곳에 적합합니다. 백업 전원 공급이나 빠른 방전이 필요한 백업 장치로 널리 사용됩니다. 프린터, 자동차 및 다양한 휴대용 전자 장치에 더 많이 사용됩니다.