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원자당 10−22 cm2 sr−1의 차동 라만 산란 단면적을 가진 탄소 나노튜브 내부에 갇힌 카바인 사슬은 이제까지 보고된 가장 강한 라만 산란체이며, 다른 알려진 어떤 물질보다 두 자릿수나 높다.
매스 드라이버(mass driver) 또는 전자기 투석기(electromagnetic catapult)는 직선형 전동기를 사용하여 페이로드를 고속으로 가속하고 투척하여 비로켓 우주 발사를 수행하는 제안된 방법이다. 기존 및 제안된 매스 드라이버는 전기로 동력을 공급받는 코일을 사용하여 전자석을 만들지만, 회전식 매스 드라이버도 제안되었다. 일련의 전자석을 순차적으로 발사하여 페이로드를 경로를 따라 가속시킨다.
탄도 페이로드를 추진하는 데 사용되는 모든 장치는 기술적으로 매스 드라이버이지만, 이 맥락에서 매스 드라이버는 본질적으로 자화 가능한 홀더와 페이로드로 구성된 패키지를 자기적으로 가속시키는 코일건이다. 페이로드가 가속되면 둘은 분리되고, 홀더는 감속되어 다른 페이로드를 위해 재활용된다. 또는 매스 드라이버는 항공모함 의 전자식 항공기 발진시스템 (EMALS)에 사용되는 직선형 유도 전동기를 기반으로 할 수도 있다.
매스 드라이버는 세 가지 다른 방식으로 우주선을 추진하는 데 사용될 수 있다. 지상 기반의 대형 매스 드라이버는 지구, 달, 또는 다른 천체에서 우주선을 발사할 수 있다. 소형 매스 드라이버는 우주선에 탑재된 로켓 엔진으로 작동하여 물질 조각을 우주로 던져 자신을 추진할 수 있다. 또 다른 변형은 달이나 소행성에 있는 대규모 시설이 원거리 우주선을 돕기 위해 발사체를 보내는 것이다.
소형화된 매스 드라이버는 고전적인 총기나 화학 연소를 이용하는 캐넌과 유사한 방식으로 무기로도 사용될 수 있다. 코일건과 레일건의 하이브리드인 나선형 레일건도 가능하다.
고정식 매스 드라이버.
매스 드라이버는 동적 자기 부상을 통해 발사체를 안내하므로 움직이는 부품 사이에 물리적인 접촉이 필요 없어 고체 상태 전력 스위칭의 경우 극도의 재사용성과 이론적으로 수백만 번의 발사 수명을 제공한다. 한계 비용은 따라서 낮게 유지되는 경향이 있지만, 초기 개발 및 건설 비용은 성능, 특히 발사체의 의도된 질량, 가속도 및 속도에 크게 의존한다. 예를 들어, 제라드 K. 오닐은 1976~1977년에 2,000달러 예산으로 그의 첫 번째 매스 드라이버를 제작하여 40m/s의 속도와 33g로 발사체를 발사하는 짧은 시험 모델을 만들었지만, 그의 다음 모델은 비슷한 자금 증가 후 10배 더 큰 가속도를 가졌고, 몇 년 후 텍사스 대학교 연구원들은 6000m/s로 10kg 발사체를 발사하는 매스 드라이버가 4,700만 달러가 들 것이라고 추정했다.
주어진 에너지량에 대해 무거운 물체는 비례적으로 느리게 움직인다. 가벼운 물체는 20km/s 이상으로 투사될 수 있다. 한계는 일반적으로 충분히 빠르게 방전될 수 있는 에너지 저장 장치의 비용과 전력 스위칭 비용이며, 이는 반도체 또는 기체상 스위치(여전히 극단적인 펄스 전력 응용 분야에서 틈새 시장을 차지하는 경우가 많음)로 이루어질 수 있다. 그러나 에너지는 초전도 코일에 유도적으로 저장될 수 있다. 1km 길이의 초전도 코일로 만들어진 매스 드라이버는 20kg 차량을 80%의 변환 효율과 5,600g의 평균 가속도로 10.5km/s까지 가속할 수 있다.
스타트램 개념과 같이 지구에서 궤도로 차량을 추진하는 지구 기반 매스 드라이버는 상당한 자본 투자를 필요로 할 것이다. 지구의 상대적으로 강한 중력과 상대적으로 두꺼운 대기는 실용적인 해결책의 구현을 어렵게 만든다. 또한, 모든 것은 아닐지라도 대부분의 그럴듯한 발사 장소는 잦은 항공 교통 경로를 통해 우주선을 추진할 것이다. 이러한 발사가 유발할 대규모 난류로 인해 해당 지역에서 운항하는 다른 항공기의 안전을 보장하기 위해 상당한 항공 교통 관제 조치가 필요할 것이다.
지구에서 발사할 재사용 가능 로켓(특히 1단 로켓)의 확산과 함께, 매스 드라이버가 지구에서 로켓을 대체할 대안으로 가질 수 있었던 경제적 이점은 점점 더 의심스러워지고 있다. 이러한 이유로 많은 제안은 달에 매스 드라이버를 설치하는 것을 특징으로 한다. 달의 낮은 중력과 대기가 없는 환경은 달 궤도에 도달하는 데 필요한 속도를 크게 줄여주기 때문이다. 고정된 위치에서 달 발사는 낮은 인구 밀도와 달 항공 여행의 어려움으로 인해 교통 통제와 같은 문제와 관련하여 문제를 일으킬 가능성이 훨씬 적다.
대부분의 진지한 매스 드라이버 설계는 합리적인 에너지 효율(설계에 따라 종종 50%에서 90% 이상)을 달성하기 위해 초전도 코일을 사용한다. 장비에는 초전도 버킷 또는 알루미늄 코일이 페이로드로 포함될 수 있다. 매스 드라이버의 코일은 페이로드의 알루미늄 코일에 와전류를 유도한 다음, 생성된 자기장에 작용할 수 있다. 매스 드라이버는 두 부분으로 나뉜다. 최대 가속도 부분은 코일을 일정한 거리에 배치하고 코일 전류를 버킷에 동기화한다. 이 섹션에서는 버킷이 견딜 수 있는 최대치까지 속도가 증가함에 따라 가속도가 증가한다. 그 후에는 일정한 가속도 영역이 시작된다. 이 영역은 단위 시간당 일정한 속도 증가를 제공하기 위해 코일을 증가하는 거리에 배치한다.
이러한 방식에 기반하여, 매스 드라이버의 주요 제안은 달 표면 물질을 태양 에너지를 사용하여 처리하기 위한 우주 거주지로 운송하는 것을 포함한다. 우주연구소는 이 응용이 합리적으로 실용적임을 보여주었다.
일부 설계에서는 페이로드를 버킷에 담아 발사한 다음 버킷을 감속하여 재사용한다. 반면에 일회용 버킷은 트랙 전체에서 가속을 이용할 수 있다. 또는 트랙이 달(또는 상당한 대기가 없는 다른 천체)의 전체 둘레에 걸쳐 건설된다면 재사용 가능한 버킷의 가속도는 트랙의 길이에 제한되지 않을 것이다. 그러나 이러한 시스템은 승객 및 화물을 매우 높은 속도로 가속시키기 위한 것이라면 상당한 원심력에 견디도록 설계되어야 한다.
화물 전용 화학 우주 총 개념과 달리, 매스 드라이버는 어떤 길이든 가능하며, 합리적인 가격에 상대적으로 부드러운 가속을 제공하고, 선택적으로 승객에게 과도한 g-힘을 주지 않고 목표 속도에 도달할 수 있을 만큼 길게 만들 수 있다. 우주 발사를 위한 매우 길고 주로 수평으로 정렬된 발사 트랙으로 건설될 수 있으며, 트랙을 위로 구부리거나 지구의 곡률을 이용하여 끝부분이 위로 향하게 된다.
산과 같은 자연 고지대는 멀리 떨어진 상향 목표 지점의 건설을 용이하게 할 수 있다. 트랙이 더 높이 끝날수록 발사된 물체는 대기로부터의 저항을 덜 받게 된다.
지구 저궤도를 향해 최대 9000m/s의 속도(항력 손실에 대한 추가분을 포함할 경우)로 발사되는 발사체의 킬로그램당 40 메가줄 이하의 운동 에너지는 효율이 비교적 높을 경우 킬로그램당 몇 킬로와트시에 해당하며, 이에 따라 LEO로 운송되는 킬로그램당 1달러 미만의 전기 에너지 비용이 들 것으로 가설화되었지만, 총 비용은 전기료만으로는 훨씬 더 많을 것이다. 주로 지상, 또는 지하에 위치함으로써 매스 드라이버는 비로켓 우주 발사의 다른 많은 구조물에 비해 유지보수가 더 쉬울 수 있다. 지하에 있든 없든, 내부 공기 항력을 방지하기 위해 진공펌프로 진공 처리된 파이프 안에 설치되어야 하며, 대부분 닫혀 있지만 발사 순간에 플라스마 창이 사용되어 진공 손실을 방지하는 기계식 셔터와 같은 것이 필요하다.
지구의 매스 드라이버는 보통 타협적인 시스템이 될 것이다. 매스 드라이버는 궤도에 도달하기에 충분하지 않은 속도까지 페이로드를 가속할 것이다. 그리고 나서 페이로드를 방출하고, 페이로드는 로켓으로 발사를 완료할 것이다. 이는 로켓이 궤도에 도달하기 위해 제공해야 하는 속도량을 급격히 줄일 것이다. 작은 로켓 추진기로부터 궤도 속도의 10분의 1 미만도 근지점을 높이는 데 충분하지만, 하이브리드 제안은 선택적으로 로켓 연소(또는 궤도 운동량 교환 테더)에 의해 델타 V의 더 큰 부분을 가짐으로써 매스 드라이버 자체에 대한 요구 사항을 줄인다. 지구에서는 매스 드라이버 설계가 잘 검증된 자기부상 부품을 사용할 수도 있다.
사람이 탑승한 우주선을 발사하려면 매스 드라이버의 트랙은 지구 저궤도로의 거의 모든 속도를 제공할 경우 거의 1000킬로미터에 달해야 하지만, 그보다 짧은 길이도 상당한 발사 보조를 제공할 수 있다. 승객에게 허용되는 일정한 최대 G-힘에 가깝게 주로 가속하는 경우 필요한 길이는 속도의 제곱에 비례한다. 예를 들어, 동일한 가속도에 대해 목표 속도의 절반은 건설해야 할 터널 길이가 4분의 1에 해당할 수 있다. 견고한 물체의 경우 훨씬 더 높은 가속도가 충분할 수 있으며, 훨씬 짧은 트랙, 잠재적으로 원형 또는 나선형이 가능하게 한다. 또 다른 개념은 대형 고리형 디자인으로, 우주선이 고리를 여러 번 돌며 점차 속도를 얻은 후 하늘로 향하는 발사 통로로 방출되는 방식이다.
매스 드라이버는 우주로 핵 폐기물을 처리하는 데 제안되어 왔다. 지구의 탈출 속도보다 훨씬 빠른 속도로 발사된 발사체는 태양계를 탈출할 것이며, 그러한 속도에서의 대기 통과는 길쭉한 발사체와 매우 견고한 열 차폐를 통해 생존 가능한 것으로 계산되었다.
우주선 기반 매스 드라이버.
우주선은 매스 드라이버를 주요 엔진으로 사용할 수 있다. 적절한 전력원(아마도 원자로)이 있다면, 우주선은 매스 드라이버를 사용하여 거의 모든 종류의 물질 조각을 가속하여 반대 방향으로 자신을 추진할 수 있다. 가장 작은 규모의 반응 질량에서는 이러한 유형의 추진을 이온 추진이라고 부른다.
선형 모터의 크기, 가속도 또는 포구 에너지에 대한 절대적인 이론적 한계는 알려져 있지 않다. 그러나 전력 대 질량 비율, 폐열 소산, 공급 및 처리 가능한 에너지 섭취량과 같은 실질적인 공학적 제약이 적용된다. 배기 속도는 너무 낮거나 너무 높지 않은 것이 가장 좋다.
제한된 양의 온보드 우주선 전력에 의해 제약을 받는 모든 추진기에는 임무에 따라 제한된 최적의 배기 속도와 비추력이 존재한다. 배기 가스로부터의 추력 및 운동량은 배출된 단위 질량당 속도에 비례하여 증가하지만(운동량 = mv), 운동 에너지 및 에너지 입력 요구 사항은 속도 제곱에 따라 더 빠르게 증가한다(운동 에너지 = mv2). 너무 낮은 배기 속도는 로켓 방정식에 따라 필요한 추진제 질량을 과도하게 증가시키며, 아직 사용되지 않은 추진제를 가속하는 데 너무 많은 에너지가 소비된다. 더 높은 배기 속도는 추진제 사용 효율(배출된 추진제 단위 질량당 더 많은 운동량)을 증가시키는 이점과 함께, 가용한 입력 전력이 일정할 경우 추력과 현재 우주선 가속도율을 감소시키는 단점을 가진다(추진제에 주어진 에너지 단위당 더 적은 운동량).
매스 드라이버와 같은 전기 추진 방식은 추진제 자체에서 에너지가 나오지 않는 시스템이다. (이는 화학 로켓과 대조된다. 화학 로켓에서는 추진 효율이 당시 배기 속도와 차량 속도의 비율에 따라 달라지지만, 최대의 비추력을 얻는 것이 반응 추진제에서 가장 많은 에너지를 방출하는 것에 해당할 때 설계 목표가 되는 경향이 있다.) 전기 추진기 자체의 비추력은 매스 드라이버가 미세 입자에 대해 광속에 가까운 배기 속도를 가진 입자 가속기와 합쳐지는 지점까지 도달할 수 있지만, 훨씬 느린 우주선을 가속하기 위해 극도의 배기 속도를 사용하려고 시도하면 우주선의 원자로 또는 전력원에서 사용할 수 있는 에너지가 제한될 때 최적이 아닌 낮은 추력이 될 수 있다(온보드 전력을 일련의 스포트라이트에 공급하는 것과 유사하게, 광자는 에너지 대비 운동량 비율이 극도로 낮은 예시이다).
예를 들어, 만약 가상의 우주선이 운반할 수 있는 페이로드의 양에 대한 지배적인 한계가 엔진에 공급되는 제한된 온보드 전력(외계 토양이나 얼음 사용으로 추진제 본질적인 경제적 비용이 미미한 경우 등)이라면, 일정 비추력으로 작동할 경우 이상적인 배기 속도는 총 임무 델타 V의 약 62.75%가 될 것이다. 다만, 매스 드라이버 및 가변 비추력 자기 플라스마 로켓을 포함한 일부 추진기 유형과 같이 임무 프로필 동안 배기 속도를 변화시켜 더 큰 최적화를 이룰 수 있다.
매스 드라이버는 우주선을 움직이기 위해 어떤 종류의 질량이든 반응 질량으로 사용할 수 있기 때문에, 매스 드라이버 또는 그 변형은 발견된 자원에서 반응 질량을 채취하는 심우주 탐사선에 이상적으로 보인다.
매스 드라이버의 한 가지 잠재적인 단점은 위험할 정도로 높은 상대 속도로 고체 반응 질량을 유용한 궤도와 교통로로 보낼 가능성이 있다는 것이다. 이 문제를 극복하기 위해 대부분의 계획은 미세하게 분할된 먼지를 던지는 것을 계획한다. 또는 액체 산소를 반응 질량으로 사용할 수 있으며, 방출되면 분자 상태로 끓어 증발할 것이다. 반응 질량을 태양 탈출 속도로 추진하는 것도 위험 물질로 남지 않도록 보장하는 또 다른 방법이다.
하이브리드 매스 드라이버.
우주선에 탑재된 매스 드라이버는 고정된 매스 드라이버에서 질량을 "반사"하는 데 사용될 수 있다. 질량의 각 감속 및 가속은 우주선의 운동량에 기여한다. 가볍고 빠른 우주선은 반응 질량을 운반할 필요가 없으며, 전자기기 손실을 대체하는 데 필요한 양 외에는 많은 전기가 필요하지 않지만, 고정된 지지 시설은 필요할 경우 우주선보다 훨씬 큰 발전소에서 전력을 공급받을 수 있다. 이는 빔 동력 추진의 한 형태로 간주될 수 있다(입자빔으로 추진되는 자성 돛의 거시적 규모의 아날로그). 유사한 시스템은 우주선에 연료 펠렛을 전달하여 다른 추진 시스템에 동력을 공급할 수도 있다.
이러한 추진 개념의 또 다른 이론적 사용은 스페이스 파운틴에서 찾을 수 있다. 스페이스 파운틴은 원형 트랙에 있는 연속적인 펠릿 흐름이 높은 구조물을 지탱하는 시스템이다.
무기로서의 매스 드라이버.
소형에서 중형 규모의 고가속 전자기 투사체 발사기는 현재 미 해군에 의해 지상 또는 함정 기반 무기(대부분 레일건이지만 일부 경우 코일건)로 활발히 연구되고 있다. 현재 배치에 가까운 무기보다 더 큰 규모이지만 때로는 장기적인 미래 예측에서 제안되는 것으로, 충분히 높은 속도의 직선형 전동기인 매스 드라이버는 이론적으로 대륙간 포병(또는 달이나 궤도에 건설될 경우 지구 표면의 위치를 공격하는 데)으로 사용될 수 있다. 매스 드라이버는 이론적인 목표물보다 중력 우물 위쪽에 위치하므로 반격 측면에서 상당한 에너지 불균형을 누릴 것이다.
실질적인 시도.
"전기 총"에 대한 최초의 공학적 설명 중 하나는 프린스턴 물리학자이자 전기 기업가인 에드윈 피치 노스럽의 필명인 "아카드 프세우도만"이 쓴 1937년 SF 소설 "제로에서 팔십까지"의 기술 보충 자료에 나타난다. 노스럽 박사는 kHz 주파수 3상 전기 발전기로 구동되는 코일건 시제품을 제작했으며, 이 책에는 이러한 시제품의 사진이 포함되어 있다. 이 책은 노스럽 전기 총으로 발사된 2인승 차량의 가상의 달 일주를 묘사한다.
이후 1976년부터 매스 드라이버 1호를 비롯한 시제품 매스 드라이버가 건설되었으며, 일부는 미국의 우주연구소에서 그 특성과 실용성을 입증하기 위해 제작되었다. 코일건에 대한 군사 R&amp;D는 자기부상열차와 마찬가지로 관련이 있다.
2014년에 설립된 스핀론치(SpinLaunch)는 2021년 10월에 시험 가속기의 초기 시험을 수행했다.
슈퍼커패시터(supercapacitor, SC) 또는 울트라커패시터(ultracapacitor) 장치는 고체 축전기보다 훨씬 높은 전기 용량 값을 가지지만 전압 한계가 낮은 고용량 축전기이다. 이는 전해 축전기와 이차 전지 사이의 간극을 메워준다. 일반적으로 전해 축전기보다 단위 질량당 에너지 또는 단위 부피당 에너지를 10~100배 더 많이 저장할 수 있으며, 배터리보다 훨씬 빠르게 전하를 수용하고 전달할 수 있고, 이차 전지보다 훨씬 더 많은 충방전 주기를 견딜 수 있다.
일반 축전기와 달리 슈퍼커패시터는 기존의 고체 유전체를 사용하지 않고, 대신 정전기 이중층 전기 용량과 전기화학적 유사 전기용량을 사용한다. 이 두 가지 모두 축전기의 전체 에너지 저장에 기여한다.
슈퍼커패시터는 장기간의 소형 에너지 저장보다는 많은 급속 충방전 주기가 필요한 애플리케이션에 사용된다. 자동차, 버스, 기차, 기중기 및 승강기에서 회생 제동, 단기 에너지 저장 또는 버스트 모드 전력 공급에 사용된다. 소형 장치는 정적 랜덤 액세스 메모리 (SRAM)의 전원 백업으로 사용된다.
고체 매질에서의 전기화학적 전하 저장 메커니즘은 대략 (일부 중복이 있지만) 3가지 유형으로 분류될 수 있다.
고체 축전기에서 이동하는 전하량은 전자이며, 전극 사이의 간극은 유전체 층이다. 전기화학적 이중층 축전기에서 이동하는 전하량은 용매화된 이온 (양이온 및 음이온)이며, 유효 두께는 두 전극 각각에서 전기화학적 이중층 구조에 의해 결정된다. 전지에서는 전하가 고체상의 벌크 부피에 저장되며, 이들은 전자 및 이온 전도도를 모두 갖는다. 전기화학적 슈퍼커패시터에서 전하 저장 메커니즘은 이중층 및 배터리 메커니즘을 결합하거나, 진정한 이중층과 진정한 배터리 사이의 중간 메커니즘을 기반으로 한다.
1950년대 초, 제너럴 일렉트릭 엔지니어들은 연료전지 및 이차 전지 설계에서 다공성 탄소 전극을 축전기 설계에 시험하기 시작했다. 활성탄은 높은 비표면적을 가진 매우 다공성의 "스펀지형" 탄소 형태의 전기 전도체이다. 1957년 H. 베커는 "다공성 탄소 전극을 가진 저전압 전해 축전기"를 개발했다. 그는 에너지가 전해 축전기의 에칭된 호일 기공에서처럼 탄소 기공에 전하로 저장된다고 믿었다. 당시 그는 이중층 메커니즘을 알지 못했기 때문에 특허에 다음과 같이 썼다. "이 부품이 에너지 저장에 사용될 경우 정확히 어떤 일이 일어나는지는 알려져 있지 않지만, 이는 극도로 높은 용량을 가져온다."
제너럴 일렉트릭은 이 작업을 즉시 추진하지 않았다. 1966년 스탠다드 오일 오브 오하이오 (SOHIO)의 연구원들은 실험적인 연료전지 설계를 연구하면서 이 부품의 다른 버전을 "전기 에너지 저장 장치"로 개발했다. 이 특허에는 전기화학적 에너지 저장의 성격이 명시되지 않았다. 1970년에도 도널드 L. 부스(Donald L. Boos)가 특허를 낸 전기화학적 축전기는 활성탄 전극을 가진 전해 축전기로 등록되었다.
초기 전기화학 축전기는 전해질에 담가져 있고 얇은 다공성 절연체로 분리된 두 개의 활성탄(전극)으로 덮인 알루미늄 포일을 사용했다. 이 설계는 같은 크기의 전해 축전기보다 훨씬 높은 약 1 패럿의 전기 용량을 가진 축전기를 제공했다. 이 기본적인 기계적 설계는 대부분의 전기화학 축전기의 기초로 남아 있다.
SOHIO는 그들의 발명품을 상용화하지 않고, 이 기술을 NEC에 라이선스했으며, NEC는 1978년 컴퓨터 메모리 백업 전원을 제공하기 위해 그 결과를 "슈퍼커패시터"로 마케팅했다.
1975년부터 1980년까지 브라이언 에반스 콘웨이는 루테늄 산화물 전기화학 축전기에 대한 광범위한 기초 및 개발 작업을 수행했다. 1991년 그는 전기화학 에너지 저장에서 "슈퍼커패시터"와 "배터리"의 차이를 설명했다. 1999년 그는 전극과 이온 사이의 패러데이 전하 이동을 통한 표면 산화환원 반응에 의해 관찰되는 전기 용량 증가를 지칭하기 위해 "슈퍼커패시터"라는 용어를 정의했다. 그의 "슈퍼커패시터"는 헬름홀츠 이중층에 전기 전하를 부분적으로 저장하고, 전극과 전해질 사이의 전자 및 양성자 "유사 전기용량" 전하 이동을 통한 패러데이 반응의 결과로 부분적으로 저장했다. 유사 전기용량의 작동 메커니즘은 산화환원 반응, 층간 삽입 및 전기흡착(표면에 흡착)이다. 그의 연구를 통해 콘웨이는 전기화학 축전기에 대한 지식을 크게 확장했다.
시장은 천천히 확대되었다. 1978년경 파나소닉이 골드캡(Goldcaps) 브랜드를 시장에 출시하면서 상황이 바뀌었다. 이 제품은 메모리 백업 애플리케이션의 성공적인 에너지원이 되었다. 경쟁은 몇 년 후에 시작되었다. 1987년 ELNA의 "다이내캡(Dynacap)"이 시장에 진입했다. 1세대 EDLC는 상대적으로 높은 내부 저항을 가지고 있어 방전 전류를 제한했다. 이들은 SRAM 칩에 전원을 공급하거나 데이터 백업과 같은 저전류 애플리케이션에 사용되었다.
1980년대 후반, 개선된 전극 재료는 전기 용량 값을 증가시켰다. 동시에, 더 나은 전도성을 가진 전해질의 개발은 등가 직렬 저항 (ESR)을 낮추고 충방전 전류를 증가시켰다. 낮은 내부 저항을 가진 최초의 슈퍼커패시터는 1982년 피나클 리서치 인스티튜트(Pinnacle Research Institute, PRI)를 통해 군용으로 개발되었고 "PRI 울트라커패시터"라는 브랜드 이름으로 판매되었다. 1992년 맥스웰 랩스(Maxwell Laboratories, 나중에 맥스웰 테크놀로지스)가 이 개발을 인수했다. 맥스웰은 PRI에서 울트라커패시터라는 용어를 채택하고 전력 애플리케이션에서의 사용을 강조하기 위해 "부스트 캡"(Boost Caps)이라고 불렀다.
축전기의 에너지 함량이 전압의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에 연구원들은 전해질의 항복 전압을 높이는 방법을 찾고 있었다. 1994년 200 V 고전압 탄탈 축전기의 애노드를 사용하여 데이비드 A. 에반스(David A. Evans)는 "전해-하이브리드 전기화학 축전기"를 개발했다. 이 축전기는 전해 축전기와 전기화학 축전기의 특성을 결합한다. 이들은 전해 축전기의 애노드의 높은 유전 강도와 전기화학 축전기의 유사 전기용량 금속 산화물 (루테늄 (IV) 산화물) 캐소드의 높은 전기 용량을 결합하여 하이브리드 전기화학 축전기를 생성한다. 에반스의 축전기는 캐패터리(Capattery)라는 이름으로 불렸으며, 동일한 크기의 유사 탄탈 전해 축전기보다 에너지 함량이 약 5배 높았다. 높은 비용으로 인해 특정 군용 애플리케이션으로 제한되었다.
최근 개발에는 리튬 이온 축전지가 포함된다. 이 하이브리드 축전기는 후지쯔의 FDK가 2007년에 개척했다. 이들은 정전기 탄소 전극과 사전 도핑된 리튬 이온 전기화학 전극을 결합한다. 이 조합은 전기 용량 값을 증가시킨다. 또한, 사전 도핑 공정은 애노드 전위를 낮추어 높은 셀 출력 전압을 초래하여 비에너지를 더욱 증가시킨다.
많은 회사와 대학에서 활동하는 연구 부서는 비에너지, 비전력, 주기 안정성과 같은 특성을 개선하고 생산 비용을 줄이기 위해 노력하고 있다.
기본 설계.
전기화학적 축전기 (슈퍼커패시터)는 이온 투과성 막(분리막)으로 분리되고 전해질을 통해 이온적으로 연결된 두 개의 전극으로 구성된다. 전극에 전압이 인가되면 전해질의 이온들은 전극의 극성과 반대되는 극성을 가진 전기 이중층을 형성한다. 예를 들어, 양극으로 분극된 전극은 전극/전해질 계면에 음이온 층을 가지며, 음이온 층에 흡착되는 양이온의 전하 평형 층을 가진다. 음극으로 분극된 전극은 이와 반대이다.
또한 전극 재료 및 표면 형상에 따라 일부 이온은 이중층을 통과하여 특이하게 흡착된 이온이 되어 슈퍼커패시터의 총 전기 용량에 유사 전기용량으로 기여할 수 있다.
전기 용량 분포.
두 전극은 두 개의 개별 축전기 C1과 C2의 직렬 회로를 형성한다. 총 전기 용량 Ctotal은 다음 공식으로 주어진다.
슈퍼커패시터는 대칭 또는 비대칭 전극을 가질 수 있다. 대칭은 두 전극이 동일한 전기 용량 값을 가지며, 각 단일 전극 값의 절반인 총 전기 용량을 산출한다 (C1 = C2인 경우 Ctotal = ½ C1). 비대칭 축전기의 경우, 총 전기 용량은 더 작은 전기 용량을 가진 전극의 것으로 간주될 수 있다 (C1 » C2인 경우 Ctotal ≈ C2).
전기화학 축전기는 이중층 효과를 이용하여 전기 에너지를 저장한다. 그러나 이 이중층은 전하를 분리하는 기존의 고체 유전체가 없다. 전기화학 축전기의 총 전기 용량에 기여하는 전극의 전기 이중층에는 두 가지 저장 원리가 있다.
두 가지 전기 용량은 측정 기술을 통해서만 분리할 수 있다. 전기화학 축전기에 단위 전압당 저장되는 전하량은 주로 전극 크기의 함수이지만, 각 저장 원리의 전기 용량량은 극단적으로 달라질 수 있다.
전기 이중층 전기 용량.
모든 전기화학 축전기는 두 개의 전극을 가지며, 이들은 분리막에 의해 기계적으로 분리되고 전해질을 통해 이온적으로 서로 연결된다. 전해질은 물과 같은 용매에 용해된 양이온과 음이온의 혼합물이다. 두 전극 표면 각각에서 액체 전해질이 전극의 전도성 금속 표면과 접촉하는 영역이 발생한다. 이 계면은 불용성 고체 전극 표면과 인접한 액체 전해질과 같이 두 가지 다른 상 물질 사이의 공통 경계를 형성한다. 이 계면에서 이중층 효과라는 매우 특별한 현상이 발생한다.
전기화학 축전기에 전압을 가하면 축전기 내 두 전극 모두 전기 이중층을 생성한다. 이 이중층은 두 층의 전하로 구성되는데, 한 전자 층은 전극의 표면 격자 구조에 있고, 다른 층은 반대 극성을 가지며 전해질에 해리되고 용매화된 이온에서 발생한다. 두 층은 물을 용매로 사용하는 경우 물 분자와 같은 용매 분자의 단일층, 즉 내부 헬름홀츠 평면(IHP)으로 분리된다. 용매 분자는 전극 표면에 물리적 흡착에 의해 부착되어 반대 극성 이온을 서로 분리하며, 분자 유전체로 이상화될 수 있다. 이 과정에서 전극과 전해질 사이에 전하 이동은 없으므로 접착을 유발하는 힘은 화학 결합이 아니라 정전기력과 같은 물리적 힘이다. 흡착된 분자는 분극되지만, 전해질과 전극 사이의 전하 이동이 없기 때문에 화학적 변화는 겪지 않는다.
전극 내 전하량은 외부 헬름홀츠 평면(OHP)의 반대 전하량 크기와 일치한다. 이 이중층 현상은 기존 축전기에서와 같이 전기 전하를 저장한다. 이중층 전하는 IHP의 용매 분자 분자층에 정전기장을 형성하며, 이는 인가된 전압의 강도에 해당한다.
이중층은 대략 기존 축전기의 유전층 역할을 하지만, 단일 분자 두께를 갖는다. 따라서 기존 평판 축전기의 표준 공식을 사용하여 전기 용량을 계산할 수 있다.
따라서 전기 용량 C는 높은 유전율 ε, 넓은 전극 평판 표면적 A, 작은 평판 간 거리 d를 가진 재료로 만들어진 축전기에서 가장 크다. 결과적으로 이중층 축전기는 활성탄 전극의 극도로 넓은 표면적과 몇 옹스트롬 (0.3–0.8 nm) 정도의 극도로 얇은 이중층 거리(약 디바이 길이)로 인해 기존 축전기보다 훨씬 높은 전기 용량 값을 가진다.
전극과 전하 축적 영역 사이의 최소 거리가 원자 내 음전하와 양전하 사이의 일반적인 거리인 ~0.05 nm보다 작을 수 없다고 가정할 때, 비패러데이 축전기에 대해 ~18 μF/cm2의 일반적인 전기 용량 상한이 예측되었다.
이중층 SC의 탄소 전극의 주요 단점은 양자 전기 용량의 값이 작다는 것인데, 이는 이온성 공간 전하의 전기 용량과 직렬로 작용한다. 따라서 SC의 전기 용량 밀도의 추가 증가는 탄소 전극 나노구조의 양자 전기 용량 증가와 관련될 수 있다.
전기화학 축전기에 단위 전압당 저장되는 전하량은 주로 전극 크기의 함수이다. 이중층에서의 정전기적 에너지 저장은 저장된 전하에 대해 선형적이며, 흡착된 이온의 농도에 해당한다. 또한, 기존 축전기에서 전하는 전자를 통해 전달되는 반면, 이중층 축전기에서 전기 용량은 전해질 내 이온의 제한된 이동 속도와 전극의 저항성 다공성 구조와 관련된다. 전극이나 전해질 내에서 화학적 변화가 일어나지 않으므로, 전기 이중층의 충방전은 원칙적으로 무제한이다. 실제 슈퍼커패시터의 수명은 전해질 증발 효과에 의해서만 제한된다.
전기화학 유사 전기용량.
전기화학 축전기 단자에 전압을 인가하면 전해질 이온이 반대 극성 전극으로 이동하여 단일 용매 분자층이 분리막 역할을 하는 이중층을 형성한다. 유사 전기용량은 전해질에서 특이 흡착된 이온이 이중층을 통과할 때 발생할 수 있다. 이 유사 전기용량은 전기 에너지를 전기 이중층을 가진 전기화학 축전기의 적절한 전극 표면에서 가역적인 패러데이 산화환원 반응을 통해 저장한다. 유사 전기용량은 전자 전하 이동을 수반하며, 탈용매화 및 흡착된 이온으로부터 전해질과 전극 사이에서 전하 이동이 일어나며, 전하 단위당 하나의 전자만이 참여한다. 이 패러데이 전하 이동은 가역적인 산화환원, 층간 삽입 또는 전기흡착 과정의 매우 빠른 연속에 의해 발생한다. 흡착된 이온은 전극 원자와 화학 반응을 하지 않는데 (화학 결합이 발생하지 않는다) 오직 전하 이동만 일어나기 때문이다.
패러데이 과정에 관련된 전자들은 산화환원 전극 시약의 원자가 전자 상태(원자 궤도)로 이동하거나 거기서 나온다. 이들은 음극으로 들어가 외부 회로를 통해 양극으로 흐르며, 그곳에서 동일한 수의 음이온을 가진 두 번째 이중층이 형성된다. 양극에 도달하는 전자들은 이중층을 형성하는 음이온으로 전달되지 않고, 대신 전극 표면의 강하게 이온화되고 "전자 결핍" 전이 금속 이온에 남아 있다. 따라서 패러데이 유사 전기용량의 저장 용량은 사용 가능한 표면의 시약의 유한한 양에 의해 제한된다.
패러데이 유사 전기용량은 정적 이중층 전기 용량과 함께 발생하며, 전극의 특성과 구조에 따라 동일한 표면적에 대해 이중층 전기 용량 값의 100배까지 초과할 수 있다. 모든 유사 전기용량 반응은 용매화되지 않은 이온과만 일어나는데, 이온은 용매화 껍질을 가진 용매화된 이온보다 훨씬 작기 때문이다. 유사 전기용량의 양은 흡착된 음이온의 전위 의존적인 표면 피복도에 의해 결정되는 좁은 범위 내에서 선형 함수를 갖는다.
산화환원 반응, 층간 삽입 또는 전기흡착에 의해 유사 전기용량 효과를 달성하는 전극의 능력은 전극 재료와 전극 표면에 흡착된 이온의 화학적 친화도뿐만 아니라 전극 기공의 구조와 크기에 크게 좌우된다. 유사 전기용량에 사용되는 산화환원 거동을 나타내는 재료는 활성 탄소와 같은 전도성 전극 재료에 도핑을 통해 삽입된 RuO2, IrO2 또는 MnO2와 같은 전이 금속 산화물뿐만 아니라 전극 재료를 덮는 폴리아닐린 또는 폴리티오펜 유도체와 같은 전도성 고분자가 있다.
유사 전기용량에 저장되는 전하량은 인가된 전압에 선형적으로 비례한다. 유사 전기용량의 단위는 패럿이며, 전기 용량의 단위와 동일하다.
기존의 배터리형 전극 재료도 화학 반응을 이용해 전하를 저장하지만, 방전 속도가 확산 속도에 의해 제한되기 때문에 매우 다른 전기적 특성을 보인다. 이러한 재료를 나노스케일로 분쇄하면 확산 한계에서 벗어나 유사 전기용량적 거동을 보여주어 외인성 유사 전기용량체가 된다. Chodankar et al. 2020의 그림 2는 벌크 LiCoO2, 나노 LiCoO2, 산화환원 유사 전기용량체 (RuO2), 층간 삽입 유사 전기용량체 (T-Nb2O5)에 대한 대표적인 전압-용량 곡선을 보여준다.
비대칭 축전기.
슈퍼커패시터는 전극에 서로 다른 재료와 원리를 사용하여 만들 수도 있다. 이 두 재료가 모두 빠른 슈퍼커패시터형 반응(전기 용량 또는 유사 전기용량)을 사용한다면, 그 결과는 비대칭 축전기라고 불린다. 두 전극은 서로 다른 전위를 가지며, 적절한 균형과 결합될 때 수명이나 전류 용량 손실 없이 향상된 에너지 밀도를 얻을 수 있다.
하이브리드 축전기.
최근의 많은 슈퍼커패시터는 "하이브리드" 형태를 띠고 있다. 즉, 한 전극만 빠른 반응(전기 용량 또는 유사 전기용량)을 사용하고, 다른 전극은 더 "배터리 같은"(느리지만 더 높은 용량) 재료를 사용한다. 하이브리드 축전기는 전기 이중층 축전기(EDLC)의 빠른 충방전 역학적 특성과 유사 전기용량 또는 배터리형 전극의 높은 에너지 밀도를 결합한다. 이러한 시스템은 기존 축전기와 배터리 사이의 간극을 메워주며, 전력 및 에너지 밀도 모두를 요구하는 애플리케이션에 매우 중요하다. 예를 들어, EDLC 애노드는 활성탄–Ni(OH)2 캐소드와 결합될 수 있으며, 후자는 느린 패러데이 물질이다. 하이브리드 축전기의 CV 및 프로파일은 배터리와 SC 사이의 형태를 가지며, SC와 더 유사하다. 하이브리드 축전기는 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 가지지만, 느린 전극으로 인해 사이클 수명과 전류 용량이 떨어진다.
전위 분포.
일반 축전기 (정전기 축전기라고도 함)는 세라믹 축전기 및 필름 축전기와 같이 유전 재료로 분리된 두 개의 전극으로 구성된다. 충전 시, 에너지는 전극 사이의 유전체에 침투하는 정적 전기장에 저장된다. 총 에너지는 저장된 전하량에 따라 증가하며, 이는 판 사이의 전위(전압)에 선형적으로 상관된다. 판 사이의 최대 전위차(최대 전압)는 유전체의 항복 전장 강도에 의해 제한된다. 동일한 정적 저장은 전해 축전기에도 적용되며, 대부분의 전위는 애노드의 얇은 산화물 층을 통해 감소한다. 다소 저항성인 액체 전해질 (캐소드)은 "습식" 전해 축전기의 전위 감소에 작은 부분을 차지하는 반면, 고체 전도성 고분자 전해질을 가진 전해 축전기에서는 이 전압 강하가 무시할 만하다.
이와 대조적으로 전기화학적 축전기 (슈퍼커패시터)는 이온 투과성 막(분리막)으로 분리되고 전해질을 통해 전기적으로 연결된 두 개의 전극으로 구성된다. 에너지 저장은 이중층 전기 용량과 유사 전기용량의 혼합물로 양쪽 전극의 이중층 내에서 발생한다. 양쪽 전극이 거의 동일한 저항 (내부 저항)을 가질 때, 축전기의 전위는 양쪽 이중층에 걸쳐 대칭적으로 감소하며, 이때 전해질의 등가 직렬 저항(ESR)에 걸쳐 전압 강하가 발생한다. 하이브리드 축전기와 같은 비대칭 슈퍼커패시터의 경우 전극 사이의 전압 강하가 비대칭일 수 있다. 축전기 전체의 최대 전위(최대 전압)는 전해질 분해 전압에 의해 제한된다.
슈퍼커패시터의 정전기적 및 전기화학적 에너지 저장 모두 기존 축전기와 마찬가지로 저장된 전하에 대해 선형적이다. 축전기 단자 사이의 전압은 저장된 에너지 양에 대해 선형적이다. 이러한 선형 전압 기울기는 충방전 시 단자 사이의 전압이 저장된 에너지 양에 독립적으로 유지되어 상대적으로 일정한 전압을 제공하는 이차 전지와는 다르다.
다른 저장 기술과의 비교.
슈퍼커패시터는 전해 축전기와 이차 전지, 특히 리튬 이온 전지와 경쟁한다. 다음 표는 세 가지 주요 슈퍼커패시터 계열과 전해 축전기 및 전지의 주요 매개변수를 비교한다.
전해 축전기는 거의 무제한의 충방전 주기, 높은 유전 강도(최대 550 V), 낮은 주파수 범위에서 교류 (AC) 반응저항으로서의 우수한 주파수 응답을 특징으로 한다. 슈퍼커패시터는 전해 축전기보다 10~100배 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만, AC 애플리케이션은 지원하지 않는다.
이차 전지와 관련하여 슈퍼커패시터는 더 높은 피크 전류, 사이클당 낮은 비용, 과충전 위험 없음, 우수한 가역성, 비부식성 전해질 및 낮은 재료 독성을 특징으로 한다. 전지는 더 낮은 구매 비용과 방전 시 안정적인 전압을 제공하지만, 복잡한 전자 제어 및 스위칭 장비가 필요하며, 결과적으로 에너지 손실과 단락 시 스파크 위험이 있다.
슈퍼커패시터는 단일 전극 쌍이 있는 평판형, 원통형 케이스에 감긴 형태 또는 직사각형 케이스에 적층된 형태 등 다양한 스타일로 제작된다. 넓은 범위의 전기 용량 값을 커버하기 때문에 케이스의 크기도 다양할 수 있다.
슈퍼커패시터는 두 개의 금속박(전류 수집기)으로 구성되며, 각각 활성탄과 같은 전극 재료로 코팅되어 전극 재료와 축전기의 외부 단자 사이의 전력 연결 역할을 한다. 특히 전극 재료는 매우 넓은 표면적을 가진다. 이 예에서 활성탄은 전기화학적으로 에칭되어 재료의 표면적이 매끄러운 표면보다 약 10만 배 더 넓다. 전극은 합선을 방지하기 위해 절연체로 사용되는 이온 투과성 막(분리막)으로 분리된다. 이 구조는 나중에 원통형 또는 직사각형 형태로 말거나 접어서 알루미늄 캔 또는 적응 가능한 직사각형 하우징에 적층할 수 있다. 셀은 유기 또는 수성 유형의 액체 또는 점성 전해질로 함침된다. 이온 전도체인 전해질은 전극의 기공에 들어가 분리막을 통해 전극 사이의 전도성 연결 역할을 한다. 마지막으로, 하우징은 지정된 수명 동안 안정적인 동작을 보장하기 위해 밀폐된다.
슈퍼커패시터에는 정전기적 이중층 전기 용량과 전기화학적 유사 전기용량이라는 두 가지 저장 원리를 통해 전기 에너지가 저장되며, 두 가지 유형의 전기 용량 분포는 전극의 재료와 구조에 따라 달라진다. 저장 원리에 따라 슈퍼커패시터는 세 가지 유형으로 나뉜다.
이중층 전기 용량과 유사 전기용량은 전기화학 축전기의 총 전기 용량 값에 불가분하게 기여하므로, 이러한 축전기에 대한 정확한 설명은 포괄적인 용어로만 가능하다. 슈퍼캐패터리(supercapattery)와 슈퍼캐배터리(supercabattery) 개념은 최근에 각각 슈퍼커패시터 및 이차 전지와 더 유사하게 작동하는 하이브리드 장치를 더 잘 나타내기 위해 제안되었다.
슈퍼커패시터의 전기 용량 값은 두 가지 저장 원리에 의해 결정된다.
이중층 전기 용량과 유사 전기용량은 슈퍼커패시터의 총 전기 용량 값에 불가분하게 기여한다. 그러나 두 가지 비율은 전극 설계와 전해질 조성에 따라 크게 달라질 수 있다. 유사 전기용량은 이중층 자체보다 전기 용량 값을 10배까지 증가시킬 수 있다.
전기 이중층 축전기(EDLC)는 에너지 저장이 주로 이중층 전기 용량에 의해 달성되는 전기화학 축전기이다. 과거에는 모든 전기화학 축전기가 "이중층 축전기"라고 불렸다. 현대에는 이중층 축전기와 유사 전기용량체가 슈퍼커패시터라고 불리는 더 큰 전기화학 축전기 계열의 일부로 간주된다. 이들은 울트라커패시터라고도 알려져 있다.
슈퍼커패시터의 특성은 내부 재료의 상호 작용에서 비롯된다. 특히 전극 재료와 전해질 유형의 조합이 축전기의 기능성과 열적, 전기적 특성을 결정한다.
전극.
슈퍼커패시터 전극은 일반적으로 얇은 코팅으로 제조되어 전도성 금속 전류 수집기에 전기적으로 연결된다. 전극은 우수한 전도성, 높은 온도 안정성, 장기 화학 안정성(불활성), 높은 부식 저항성 및 단위 부피 및 질량당 높은 표면적을 가져야 한다. 기타 요구 사항으로는 환경 친화성 및 저렴한 비용이 포함된다.
슈퍼커패시터에 단위 전압당 저장되는 이중층 및 유사 전기용량의 양은 주로 전극 표면적의 함수이다. 따라서 슈퍼커패시터 전극은 일반적으로 활성탄과 같이 매우 높은 비표면적을 가진 다공성 스펀지 재료로 만들어진다. 또한, 전극 재료가 패러데이 전하 이동을 수행하는 능력은 총 전기 용량을 향상시킨다.
일반적으로 전극의 기공이 작을수록 전기 용량과 비에너지가 커진다. 그러나 기공이 작을수록 등가 직렬 저항 (ESR)이 증가하고 비출력은 감소한다. 높은 피크 전류를 사용하는 애플리케이션은 더 큰 기공과 낮은 내부 손실이 필요하고, 높은 비에너지가 필요한 애플리케이션은 작은 기공이 필요하다.
EDLC용 전극.
슈퍼커패시터에 가장 일반적으로 사용되는 전극 재료는 활성탄 (AC), 탄소 섬유 직물 (AFC), 탄화물 유래 탄소 (CDC), 탄소 에어로젤, 흑연 (그래핀), 그래핀 및 탄소 나노튜브 (CNT)와 같은 다양한 형태의 탄소이다.
탄소 기반 전극은 주로 정적 이중층 전기 용량을 나타내지만, 기공 크기 분포에 따라 소량의 유사 전기용량이 존재할 수도 있다. 탄소의 기공 크기는 일반적으로 미세 기공 (2 nm 미만)에서 메소 기공 (2-50 nm)까지 다양하지만, 미세 기공 (&lt;2 nm)만이 유사 전기용량에 기여한다. 기공 크기가 용매화 껍질 크기에 접근하면 용매 분자는 배제되고 비용매화된 이온만이 기공을 채워(큰 이온의 경우에도) 이온 밀집도를 높이고 패러데이 층간 삽입에 의해 저장 능력을 증가시킨다.
활성탄은 EDLC 전극으로 선택된 최초의 재료였다. 금속의 전기 전도도 ( ~ )의 약 0.003%에 불과하지만, 슈퍼커패시터에는 충분하다. 활성탄은 매우 다공성의 탄소 형태로, 높은 비표면적을 가진다. 일반적인 근사치는 1 그램 (0.035 oz) (연필 지우개 크기)이 약 (약 4~12개의 테니스 코트 크기)의 표면적을 가진다. 전극에 사용되는 벌크 형태는 많은 기공을 가진 저밀도이며, 높은 이중층 전기 용량을 제공한다. 통합 비정질 탄소 (CAC)라고도 불리는 고체 활성탄은 슈퍼커패시터에 가장 많이 사용되는 전극 재료이며, 다른 탄소 파생물보다 저렴할 수 있다. 이것은 활성탄 분말을 원하는 모양으로 압축하여 다양한 기공 크기를 가진 블록을 형성함으로써 생산된다. 약 1000 m2/g의 표면적을 가진 전극은 일반적으로 약 10 μF/cm2의 이중층 전기 용량과 100 F/g의 비 전기 용량을 초래한다. 현재 거의 모든 상업용 슈퍼커패시터는 코코넛 껍질로 만든 분말 활성탄을 사용한다. 코코넛 껍질은 목재로 만든 숯보다 더 많은 미세 기공을 가진 활성탄을 생산한다.
활성탄 섬유.
활성탄 섬유(ACF)는 활성탄으로 생산되며 일반적인 직경은 10 μm이다. 이들은 매우 좁은 기공 크기 분포를 가진 미세 기공을 가질 수 있으며, 쉽게 제어할 수 있다. 직물로 짜여진 ACF의 표면적은 약 이다. ACF 전극의 장점으로는 섬유 축을 따라 낮은 전기 저항과 집전체에 대한 우수한 접촉이 있다. 활성탄과 마찬가지로 ACF 전극은 미세 기공으로 인해 주로 이중층 전기 용량을 나타내며, 소량의 유사 전기용량을 포함한다.
탄소 에어로젤.
탄소 에어로젤은 유기 젤에서 액체 성분이 기체로 대체되어 얻어진 고도로 다공성의 합성, 초경량 소재이다. 에어로젤 전극은 레조르시놀-폼알데하이드 에어로젤의 열분해를 통해 만들어지며 대부분의 활성탄보다 전도성이 뛰어나다. 이들은 수백 마이크로미터 (μm) 두께의 얇고 기계적으로 안정적인 전극을 균일한 기공 크기로 만들 수 있게 한다. 에어로젤 전극은 또한 고진동 환경에서 사용되는 슈퍼커패시터에 기계적 및 진동 안정성을 제공한다. 연구원들은 중량 밀도가 약 400–1200 m2/g이고 부피 전기 용량이 104 F/cm3인 탄소 에어로젤 전극을 개발하여 ()의 비에너지와 의 비전력을 달성했다. 표준 에어로젤 전극은 주로 이중층 전기 용량을 나타낸다. 복합 재료를 포함하는 에어로젤 전극은 높은 유사 전기용량을 추가할 수 있다.
탄화물 유래 탄소.
탄화물 유래 탄소 (CDC)는 조절 가능한 나노다공성 탄소로도 알려져 있으며, 이원 탄화 규소 및 탄화 티타늄과 같은 탄화물 전구체에서 유래한 탄소 재료의 한 종류이다. 이들은 물리적(예: 열분해) 또는 화학적(예: 할로젠화) 공정을 통해 순수 탄소로 변환된다. 탄화물 유래 탄소는 높은 표면적과 조절 가능한 기공 직경(미세 기공에서 중간 기공까지)을 나타내어 이온 가둠을 극대화하고, 패러데이 흡착 처리에 의해 유사 전기용량을 증가시킨다. 맞춤형 기공 설계를 가진 CDC 전극은 기존 활성탄보다 최대 75% 더 큰 비에너지를 제공한다. , CDC 슈퍼커패시터는 10.1 Wh/kg의 비에너지, 3,500 F의 전기 용량 및 100만 회 이상의 충방전 주기를 제공했다.
그래핀.
그래핀은 흑연의 단일 원자 두께 시트이며, 원자들이 규칙적인 육각형 패턴으로 배열되어 있다. "나노복합 종이"라고도 불린다.
그래핀은 이론적으로 2630 m2/g의 비표면적을 가지며, 이론적으로 550 F/g의 전기 용량을 가질 수 있다. 또한, 활성탄에 비해 그래핀의 장점은 높은 전기 전도성이다. , 새로운 개발은 휴대용 애플리케이션을 위해 집전체 없이 그래핀 시트를 직접 전극으로 사용했다.
한 구현에서 그래핀 기반 슈퍼커패시터는 구부러진 그래핀 시트를 사용하는데, 이들은 면대면으로 쌓이지 않고, 최대 4 V의 전압에서 이온성 전해질에 접근 가능하고 습윤 가능한 메소 기공을 형성한다. 실온에서 ()의 비에너지가 달성되는데, 이는 기존 니켈-금속 수소화물 전지와 동일하지만, 비전력은 100–1000배 더 크다.
그래핀의 2차원 구조는 충전 및 방전 속도를 향상시킨다. 수직으로 정렬된 시트의 전하 운반체는 전극의 더 깊은 구조로 빠르게 이동하거나 나올 수 있어 전류를 증가시킨다. 이러한 축전기는 다른 탄소 재료를 사용하는 슈퍼커패시터로는 도달할 수 없는 100/120 Hz 필터 애플리케이션에 적합할 수 있다.
슈퍼커패시터용 그래핀 제작 기술.
화학기상증착은 슈퍼커패시터에 활용되는 그래핀을 제작하는 인기 있는 방법으로, 고품질의 단층 또는 소수층 그래핀을 생산한다. 이 과정은 탄화수소 (가장 일반적으로 메탄, CH4)를 반응 챔버에 도입하는 것으로 시작된다. 구리 (Cu) 또는 니켈 (Ni)과 같은 금속 촉매는 반응 챔버에 기판 역할을 하도록 배치된다. 이들 금속은 메탄을 그래핀 형성 에 사용될 자유 탄소 원자로 분해하는 능력 때문에 자주 사용된다. 그런 다음 챔버는 700에서 1000도까지 가열되어 기판 표면에서 메탄 분자를 분해한다. 메탄은 수소 가스 (H2)로 분해되어 챔버에서 배출되고, 탄소 (C) 원자가 기판에 방출된다.
탄소 원자가 기판에 흡착되면 표면을 따라 확산하고 핵을 형성하기 시작한다. 탄소 원자는 자연적으로 벌집 격자 모양으로 배열된다. 온도, 압력 및 메탄 농도에 따라 생성되는 그래핀 층의 수가 달라진다. 그래핀 층이 형성되면 챔버는 냉각되고 코팅된 기판은 제거된다. 그래핀은 응용 분야에 따라 금속 기판에서 새로운 표면으로 전사된다. 이 전사를 수행하는 방법은 일반적으로 PMMA 매개 접근 방식(폴리메틸메타크릴레이트)이다. 그래핀은 전자 흐름을 위한 낮은 저항 경로를 제공하므로 슈퍼커패시터의 높은 출력에 필수적인 부분이다. 따라서 슈퍼커패시터에서 특히 중요하다.
기계적 박리는 슈퍼커패시터에 사용되는 그래핀 시트의 또 다른 제작 방법이다. 이 과정은 고순도 단결정 흑연이 선호되는 고품질 흑연을 선택하는 것으로 시작된다. 다음으로, 재료의 큰 덩어리를 떼어내지 않고 흑연의 얇은 층을 벗겨낼 수 있는 테이프를 선택한다. 이 방법에서는 스카치 테이프가 자주 사용된다. 테이프를 흑연에 반복적으로 누르고 부드럽게 벗겨낸다. 이 과정이 반복될수록 점점 더 얇은 그래핀 시트가 테이프로 전사된다. 얇은 그래핀 층이 테이프에 눌려지면 테이프는 실리콘 웨이퍼나 필름과 같은 깨끗한 기판 위에 놓인다. 그래핀이 있는 테이프는 그래핀 층을 기판 표면으로 전사하기 위해 기판에 부드럽게 눌러진 다음 천천히 벗겨진다.
탄소 나노튜브 (CNT)는 버키튜브라고도 불리며, 탄소 분자로 이루어진 원통형 나노구조이다. 이들은 한 원자 두께의 흑연 시트로 형성된 벽을 가진 속이 빈 구조를 가지고 있다. 이 시트들은 특정하고 분리된 ("카이랄") 각도로 말려 있으며, 카이랄 각도와 반지름의 조합이 전기 전도도, 전해질 습윤성 및 이온 접근성과 같은 특성을 제어한다. 나노튜브는 단일벽 나노튜브 (SWNT) 또는 다중벽 나노튜브 (MWNT)로 분류된다. 후자는 러시아 마트료시카와 같이 SWNT를 연속적으로 둘러싸는 하나 이상의 외부 튜브를 가지고 있다. SWNT의 직경은 1에서 3 nm 사이이다. MWNT는 더 두꺼운 동축 벽을 가지고 있으며, 그래핀의 층간 거리와 유사한 간격 (0.34 nm)으로 분리되어 있다.
나노튜브는 실리콘 웨이퍼와 같은 집전체 기판에 수직으로 성장할 수 있다. 일반적인 길이는 20에서 100 μm이다.
탄소 나노튜브는 높은 습윤성 표면적과 높은 전도성으로 인해 축전기 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
SWNT 기반 수성 전해질 슈퍼커패시터는 빙칭 웨이(Bingqing Wei) 교수의 델라웨어 대학 연구팀에서 체계적으로 연구되었다. 리(Li) 등은 다양한 음이온과 양이온을 가진 1몰 수성 전해질에서 이온 크기 효과와 전극-전해질 습윤성이 유연한 SWCNTs 슈퍼커패시터의 전기화학적 거동에 영향을 미치는 지배적인 요소임을 처음으로 발견했다. 실험 결과는 또한 유연한 슈퍼커패시터의 경우 수성 전해질 CNT 슈퍼커패시터를 개선하기 위해 두 전극 사이에 충분한 압력을 가하는 것이 제안된다는 것을 보여주었다.
CNT는 단위 표면적당 활성탄과 거의 동일한 전하를 저장할 수 있지만, 나노튜브의 표면은 규칙적인 패턴으로 배열되어 있어 습윤성이 더 우수하다. SWNT는 1315 m2/g의 높은 이론적 비표면적을 가지는 반면, MWNT의 비표면적은 튜브의 직경과 층의 정도에 따라 낮아지며, 활성탄의 약 3000 m2/g과 비교된다. 그럼에도 불구하고 CNT는 활성탄 전극보다 높은 전기 용량을 가지며, 예를 들어 MWNT는 102 F/g, SWNT는 180 F/g이다.
MWNT는 전극-전해질 계면에서 이온의 쉬운 접근을 허용하는 메소 기공을 가지고 있다. 기공 크기가 이온 용매화 껍질의 크기에 가까워지면 용매 분자가 부분적으로 벗겨져 이온 패킹 밀도가 증가하고 패러데이 저장 능력이 향상된다. 그러나 반복적인 삽입 및 소실 동안 상당한 부피 변화는 기계적 안정성을 감소시킨다. 이를 위해 표면적, 기계적 강도, 전기 전도도 및 화학적 안정성을 증가시키기 위한 연구가 진행 중이다.
유사 전기용량체 전극.
MnO2와 RuO2는 축전기 전극으로 사용되는 대표적인 재료로, 축전기 전극의 전기화학적 특성(전류 대 전압 곡선의 선형 의존성)을 가지면서도 패러데이 거동을 나타낸다. 또한, 전하 저장은 전기화학적 이중층에 이온이 축적되는 것보다 전자 이동 메커니즘에서 비롯된다. 유사 전기용량체는 활성 전극 재료 내에서 발생하는 패러데이 산화환원 반응을 통해 생성되었다. RuO2와 같은 귀금속 산화물에 비해 전이 금속 산화물이 저렴하기 때문에 MnO2와 같은 전이 금속 산화물에 대한 연구가 더 많이 집중되었다. 또한, 전이 금속 산화물의 전하 저장 메커니즘은 주로 유사 전기용량에 기반한다. MnO2의 전하 저장 거동의 두 가지 메커니즘이 도입되었다. 첫 번째 메커니즘은 환원 시 재료의 벌크 내 양성자 (H+) 또는 알칼리 금속 양이온 (C+)의 층간 삽입 후 산화 시 탈층간 삽입을 의미한다.
두 번째 메커니즘은 MnO2 표면에 전해질 양이온이 흡착하는 것에 기반한다.
모든 패러데이 거동을 보이는 물질이 유사 전기용량체 전극으로 사용될 수 있는 것은 아니다. 예를 들어 Ni(OH)2는 배터리형 전극(전류 대 전압 곡선의 비선형 의존성)이기 때문에 유사 전기용량체 전극으로 사용될 수 없다.