슈퍼커패시터 재료
고온 설계: 1,100 °C에서 소결된 ALD 코팅 바륨 타이타네이트 (BaTiO3) 세라믹은 8,000 이상의 유전율과 500 V를 초과하는 항복 전압을 나타내어 항공우주 에너지 시스템용 울트라커패시터를 가능하게 한다.
성능 비교
표: 하이브리드 슈퍼커패시터의 비교 성능.
폐 전극에서 활성탄의 92%를 회수하는 폐쇄 루프 재활용은 코발트와 같은 핵심 재료에 대한 의존도를 줄인다. 미국 에너지부의 중요 재료 혁신 프로그램은 그래핀-탄소 나노튜브 하이브리드 연구에 자금을 지원하여 2030년까지 생산 비용을 40% 절감하는 것을 목표로 한다.
하이브리드형 슈퍼커패시터용 복합 전극은 금속 산화물 및 전도성 고분자와 같은 유사 전기용량 활성 물질이 통합되거나 증착된 탄소 기반 재료로 구성된다. 2013년 기준 슈퍼커패시터에 대한 대부분의 연구는 복합 전극을 탐구하고 있다. CNT는 금속 산화물 또는 전기 전도성 고분자(ECP)의 균질한 분포를 위한 골격을 제공하여 우수한 유사 전기용량과 우수한 이중층 전기 용량을 생성한다. 이러한 전극은 순수 탄소 또는 순수 금속 산화물 또는 고분자 기반 전극보다 높은 전기 용량을 달성한다. 이는 나노튜브의 얽힌 매트 구조가 접근 가능하여 유사 전기용량 재료의 균일한 코팅과 3차원 전하 분포를 가능하게 하기 때문이다. 유사 전기용량 재료를 고정하는 과정은 일반적으로 수열 공정을 사용한다. 그러나 최근 연구원인 델라웨어 대학의 리(Li) 등은 SWNT 필름에 MnO2를 쉽게 침전시켜 유기 전해질 기반 슈퍼커패시터를 만드는 간편하고 확장 가능한 접근 방식을 발견했다.
CNT 전극을 강화하는 또 다른 방법은 리튬 이온 축전지에서처럼 유사 전기용량 도펀트로 도핑하는 것이다. 이 경우 상대적으로 작은 리튬 원자는 탄소 층 사이에 층간 삽입된다. 애노드는 리튬 도핑된 탄소로 만들어져 활성탄으로 만들어진 캐소드와 함께 더 낮은 음전위를 가능하게 한다. 이로 인해 3.8-4 V의 더 큰 전압이 생성되어 전해질 산화를 방지한다. 2007년 기준으로 이들은 550 F/g의 전기 용량을 달성했으며, 최대 14 Wh/kg (50.4 kJ/kg)의 비에너지에 도달한다.
이차 전지 전극은 리튬 이온 축전지와 같은 새로운 하이브리드형 슈퍼커패시터 전극 개발에 영향을 미쳤다. 비대칭 구조에서 탄소 EDLC 전극과 함께 이 구성은 일반적인 슈퍼커패시터보다 더 높은 비에너지를 제공하며, 더 높은 비전력, 더 긴 사이클 수명 및 더 빠른 충방전 시간을 제공한다.
최근에는 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터가 개발되었는데, 양극은 실제 유사 전기용량 금속 산화물 전극(복합 전극이 아님)에 기반하고, 음극은 EDLC 활성탄 전극에 기반한다.
비대칭 슈퍼커패시터(ASC)는 넓은 작동 전위로 인해 높은 성능의 슈퍼커패시터에 대한 큰 잠재적 후보로 부상했으며, 이는 전기 용량 특성을 현저히 향상시킬 수 있다. 이러한 유형의 슈퍼커패시터의 장점은 더 높은 전압과 그에 상응하는 더 높은 비에너지(최대 10-20 Wh/kg (36-72 kJ/kg))이다. 또한 우수한 사이클 안정성을 가지고 있다.
예를 들어, 연구원들은 새로운 스쿠테루다이트 Ni–CoP3 나노시트의 일종을 양극으로 사용하고, 활성탄(AC)을 음극으로 사용하여 비대칭 슈퍼커패시터(ASC)를 제작했다. 이 슈퍼커패시터는 796 W/kg에서 89.6 Wh/kg의 높은 에너지 밀도와 10,000 사이클 후 93%의 안정성을 보여주며, 이는 차세대 전극 후보로서 큰 잠재력을 가질 수 있다. 또한, 탄소 나노섬유/폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/망가니즈 산화물(f-CNFs/PEDOT/MnO2)을 양극으로, AC를 음극으로 사용했다. 이 슈퍼커패시터는 49.4 Wh/kg의 높은 비에너지와 우수한 사이클 안정성(8000회 사이클 후 81.06%)을 가진다. 이 외에도 NiCo2S4@NiO, MgCo2O4@MnO2 등 다양한 나노복합체가 전극으로 연구되고 있다. 예를 들어, Fe-SnO2@CeO2 나노복합체를 전극으로 사용하면 32.2 Wh/kg의 비에너지와 747 W/kg의 비전력을 제공할 수 있다. 이 장치는 5000회 작동 사이클 동안 85.05%의 전기 용량 유지율을 보였다. 현재까지 이러한 종류의 비대칭 전극을 가진 상업용 슈퍼커패시터는 시장에 나와 있지 않다.
전해질은 용매와 용해된 화학 물질로 구성되며, 이들은 양양이온과 음음이온으로 해리되어 전해질을 전기적으로 전도성으로 만든다. 전해질에 포함된 이온이 많을수록 전도성이 좋아진다. 슈퍼커패시터에서 전해질은 두 전극 사이의 전기 전도성 연결 역할을 한다. 또한 슈퍼커패시터에서 전해질은 헬름홀츠 이중층의 분리 단일층에 분자를 제공하고 유사 전기용량에 필요한 이온을 공급한다.
전해질은 축전기의 작동 전압, 온도 범위, ESR 및 전기 용량과 같은 특성을 결정한다. 동일한 활성탄 전극을 사용하더라도 수성 전해질은 160 F/g의 전기 용량 값을 달성하는 반면, 유기 전해질은 100 F/g만 달성한다.
전해질은 축전기의 전기적 매개변수의 장기적인 안정적인 거동을 보장하기 위해 화학적으로 불활성해야 하며 축전기 내 다른 재료를 화학적으로 공격해서는 안 된다. 전해질의 점도는 전극의 다공성, 스펀지 같은 구조를 적시기에 충분히 낮아야 한다. 이상적인 전해질은 존재하지 않으므로 성능과 기타 요구 사항 사이에서 절충해야 한다.
물은 무기 화학 물질에 대한 비교적 좋은 용매이다. 황산 (H2SO4)과 같은 산, 수산화 칼륨 (KOH)과 같은 알칼리, 또는 4차 인산염 염, 과염소산 나트륨 (NaClO4), 과염소산 리튬 (LiClO4) 또는 육불화 비소염 리튬 (LiAsF6)과 같은 염으로 처리된 물은 약 100~1000 mS/cm의 비교적 높은 전도성 값을 제공한다. 수성 전해질은 전극당 1.15 V (2.3 V 축전기 전압)의 해리 전압과 비교적 낮은 작동 온도 범위를 가진다. 이들은 낮은 비에너지와 높은 비전력을 가진 슈퍼커패시터에 사용된다.
아세토나이트릴, 프로필렌 카보네이트, 테트라히드로푸란, 디에틸 카보네이트, γ-부티로락톤과 같은 유기 용매와 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트 (N(Et)4BF4) 또는 트리에틸 (메틸) 테트라플루오로보레이트 (NMe(Et)3BF4)와 같은 4차 암모늄염 또는 알킬 암모늄염 용액은 수성 전해질보다 비싸지만, 일반적으로 전극당 1.35 V (2.7 V 축전기 전압)의 더 높은 해리 전압과 더 넓은 온도 범위를 가진다. 유기 용매의 낮은 전기 전도도 (10~60 mS/cm)는 낮은 비전력으로 이어지지만, 비에너지는 전압의 제곱에 비례하여 증가하므로 더 높은 비에너지를 제공한다.
이온성 전해질은 액체 염으로 구성되며, 더 넓은 전기화학적 창에서 안정적으로 유지될 수 있어 3.5 V 이상의 축전기 전압을 가능하게 한다. 이온성 전해질은 일반적으로 수성 또는 유기 전해질보다 낮은 몇 mS/cm의 이온 전도도를 가진다.
분리막은 두 전극을 물리적으로 분리하여 직접 접촉으로 인한 합선을 방지해야 한다. 분리막은 매우 얇을 수 있으며 (수백분의 일 밀리미터), ESR을 최소화하기 위해 전도성 이온에 대해 매우 다공성이어야 한다. 또한, 분리막은 전해질의 안정성과 전도성을 보호하기 위해 화학적으로 불활성해야 한다. 저렴한 부품은 개방형 축전지 종이를 사용한다. 더 정교한 설계는 폴리아크릴로니트릴 또는 캡톤과 같은 부직포 다공성 고분자 필름, 직조 유리 섬유 또는 다공성 직조 세라믹 섬유를 사용한다.
전류 수집기는 전극을 축전기 단자에 연결한다. 수집기는 전극에 분사되거나 금속박이다. 이들은 최대 100 A의 피크 전류를 분배할 수 있어야 한다. 하우징이 금속(일반적으로 알루미늄)으로 만들어진 경우, 수집기는 부식성 갈바니 전지 형성을 방지하기 위해 동일한 재료로 만들어져야 한다.