슈퍼 커패시터에 대한 소개 및 배터리와의 관계 이해

사물 인터넷(IoT), 산업용 IoT(IIoT), 휴대용 전자 기기, 대형 응용 제품(산업용 설비 및 데이터 센터)이 증가함에 따라 신뢰할 수 있는 에너지 저장 소스에 대한 필요성이 급격히 증가하고 있습니다. 배터리는 소형 장치에 직접 전력을 제공하는 데 반해, 대형 응용 제품의 배터리는 주요 전력 공급이 중단될 경우 백업으로 자주 사용됩니다.

소형 장치는 소형 폼 팩터 및 최소한의 유지보수라는 목표를 달성하기 위해 리튬 이온(Li-ion) 또는 알카라인 동전형 전지 배터리를 사용하는 경우가 많습니다. 리튬 이온 전지는 충전 주기 제한 및 안전에 각별한 주의를 기울여야 합니다. 백업에 사용되는 배터리는 고속 재충전 후 빠르게 소모될 수 있으므로 교체가 필요합니다. 또한 이러한 배터리는 복합적인 배터리 관리 시스템이 필요하며 안전 우려를 일으키는 열 폭주 가능성이 있습니다.

전기 이중층 커패시터(EDLC) 또는 슈퍼 커패시터는 배터리에 대한 상호 보완적 기술을 제공합니다. 배터리가 상대적으로 긴 기간 동안 전력을 공급할 수 있다면 슈퍼 커패시터는 짧은 기간 동안 빠르게 전력을 제공할 수 있습니다. 슈퍼 커패시터는 또한 환경 친화적이며 열 폭주를 일으키지 않습니다. 최대 20년 동안 안전하게 작동할 수도 있습니다. 슈퍼 커패시터는 단독 에너지 저장 방법으로 사용되거나 배터리와 함께 또는 전력 전송을 최적화하기 위한 하이브리드 장치로 사용될 수 있습니다.

이 기사에서는 슈퍼 커패시터와 배터리를 비교하여 간단히 설명합니다. 그런 다음 단독으로 사용되거나 배터리와 함께 사용되는 일부 일반적인 응용 제품을 검토합니다. Eaton의 슈퍼 커패시터는 설명을 위해 사용되었습니다.

슈퍼 커패시터와 배터리의 차이점

슈퍼 커패시터는 배터리와 같은 전기 화학적 저장 장치와 비교하여 대개 고비중 전력 용량을 가진 에너지 저장 소자입니다. 배터리와 슈퍼 커패시터는 전력 공급 측면에서 유사한 기능을 수행하지만 작동 방식이 다릅니다. 슈퍼 커패시터는 일정한 방전 전류를 위한 방전 프로파일이 전압의 선형 감소를 나타낸다는 점에서 전형적 커패시터처럼 작동합니다. 배터리와 달리, 슈퍼 커패시터의 에너지 저장은 정전식이므로 장치에 화학적 변화가 없으며 충전 작동과 방전 작동을 거의 완전하게 되돌릴 수 있습니다. 즉, 더 많은 수의 충전-방전 주기를 견딜 수 있습니다.

배터리는 전기 화학적으로 에너지를 저장합니다. 리튬 이온 배터리의 방전 프로파일은 평평하며, 배터리가 거의 완전하게 방전될 때까지 거의 일정한 전압 특성을 나타냅니다. 화학 메커니즘의 저하로 인해 리튬 이온 배터리의 충전-방전 주기 수는 제한되어 있습니다. 온도, 충전 전압, 방전량과 같은 요인은 배터리 용량 감소에 영향을 줍니다.

리튬 이온 배터리는 열 폭주, 자기 발화, 심지어 폭발이 발생할 수 있습니다. 충전 및 방전 동안의 화학적 반응으로 인해 저항 발열이 발생하므로 열 발생은 불가피합니다. 이런 이유로, 배터리는 사용자의 안전을 보장하기 위해 온도 모니터링이 필요합니다.

슈퍼 커패시터와 리튬 이온 배터리 사양의 비교

배터리는 높은 에너지 밀도를 제공합니다. 슈퍼 커패시터는 거의 즉각적으로 방전될 수 있으므로 배터리에 비해 에너지 밀도는 낮고 전력 밀도는 높습니다. 배터리의 전기 화학 프로세스는 에너지를 부하로 제공하는 데 더 많은 시간이 걸립니다. 두 장치 모두 비에너지 저장 요구 사항에 맞는 특징을 제공합니다(그림 1).

그림 1: 이 표는 슈퍼 커패시터와 리튬 이온 배터리의 특징을 비교해서 보여줍니다. (이미지 출처: Eaton)

에너지 밀도(Wh/L, 리터당 와트 시간)와 전력 밀도(W/L, 리터당 와트)를 비교하면 장치의 가장 중요한 차이점을 알 수 있습니다. 이는 방전 시간에도 영향을 줍니다. 슈퍼 커패시터는 짧은 간격으로 에너지를 공급하도록 고안된 것에 반해(일시적 이벤트) 배터리는 장기적인 이벤트를 처리합니다. 슈퍼 커패시터는 수 초 또는 수 분 내에 방전되지만 배터리는 몇 시간 동안 에너지를 제공할 수 있습니다. 이러한 특성은 응용 제품에 영향을 줍니다.

슈퍼 커패시터는 배터리에 비해 더 넓은 작동 시간 범위를 지원합니다. 손실이 거의 없는 해당 정전 프로세스는 향상된 효율성 및 빨라진 충전 속도에 기여합니다.

슈퍼 커패시터의 예

Eaton는 높은 전력 밀도와 빠른 충전을 필요로 하는 에너지 저장 응용 분야를 위한 신뢰할 수 있는 완전한 슈퍼 커패시터 라인을 제공합니다. 경우에 따라 슈퍼 커패시터의 실제 패키징은 배터리, 특히 동전형 전지의 패키징과 일치할 수 있습니다. 또한 일반적인 커패시터의 원통형 패키지로 제공될 수도 있습니다(그림 2).

그림 2: 슈퍼 커패시터는 방사형 리드를 가진 표준 원통형 커패시터 패키지로 제공됩니다. 일부는 리튬 이온 동전형 전지 형식과 일치하도록 패키징되어 있습니다. (이미지 출처: Eaton)

그림 2에 표시된 Eaton TV1030-3R0106-R(왼쪽)은 3V의 최대 작동 전압을 가진 10F(패럿) 슈퍼 커패시터입니다. 이 슈퍼 커패시터는 방사형 리드를 가진 원통형 캔으로 패키징되어 있습니다. 이 캔은 10.5mm(밀리미터)(0.413in(인치))의 지름과 31.5mm(1.24in)의 높이를 가질 수 있습니다. 또한 -25°C ~ +65°C의 작동 온도 범위와 -25°C ~ +85°C의 확장된 작동 범위를 가지며(2.5V 이하에서 작동하도록 부하 경감된 경우) 12.5mW/hr(시간당 밀리 와트)의 에너지를 저장하고 86.5W의 피크 전력을 출력할 수 있습니다. 이는 500,000주기의 충전/방전에 대해 정격이 지정되었습니다.

슈퍼 커패시터는 메모리 백업 전력과 같은 여러 응용 분야에서 동전형 전지 배터리를 대체할 수 있습니다. Eaton KVR-5R0C155-R(그림 2, 오른쪽)은 최대 5볼트의 작동 전압에서 정격이 지정된 1.5F 슈퍼 커패시터입니다. 해당 패키지의 크기는 20mm 동전형 전지의 크기와 유사합니다. 0.208와트의 피크 전력을 제공할 수 있습니다. 작동 온도 범위는 -25°C ~ +70°C입니다. 또한 500,000주기의 충전/방전에 대해 정격이 지정되었습니다.

슈퍼 커패시터의 에너지 밀도 증가

슈퍼 커패시터에 저장된 에너지는 정전 용량과 충전되는 전압의 제곱에 비례합니다. 따라서, 전지 개수를 늘리고 이를 병렬로 연결하여 에너지 밀도를 증가시킬 수 있습니다. 높은 정전 용량과 더 높은 작동 전압을 가진 슈퍼 커패시터 모듈을 만들어 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 슈퍼 커패시터의 에너지 밀도는 여러 전지를 추가하고 작동 전압을 올려 높일 수 있습니다. (이미지 출처: Eaton)

Eaton PHVL-3R9H474-R 슈퍼 커패시터(그림 3, 왼쪽)는 두 개의 전지를 가진 470mF, 3.9V 장치입니다. 이 장치는 0.4Ω(옴)의 매우 낮은 유효 직렬 저항(ESR)으로 전도성 손실을 줄일 수 있으며 9.5W의 피크 전력을 제공할 수 있습니다. 또한 -40°C ~ +65°C의 작동 온도 범위를 가집니다. 앞에서 설명한 슈퍼 커패시터와 마찬가지로 이 장치는 500,000주기의 충전/방전에 대해 정격이 지정되었습니다. 물리적 패키지는 14.5mm(0.571in)의 높이, 17.3mm(0.681in)의 길이, 9mm(0.354in)의 너비를 가집니다.

모듈식 슈퍼 커패시터 패키지는 상당한 양의 백업 에너지를 공급할 수 있습니다. Eaton XLR-16R2507B-R(그림 3, 오른쪽)은 500F의 정전 용량을 제공하며 최대 16.2V의 전압에서 작동합니다. 이 모듈은 1.7mΩ(밀리옴)의 ESR을 가지며 38.6kW(킬로와트)의 피크 전력을 공급할 수 있습니다. 작동 온도 범위는 -40°C ~ +65°C(전지 온도)입니다. 패키지는 177mm(6.97in) 높이, 417mm(16.417in) 길이, 68mm(2.677in) 너비를 가집니다.

하이브리드 슈퍼 커패시터

슈퍼 커패시터의 특성과 리튬 이온 배터리의 특성을 혼합하려는 노력을 통해 리튬 이온 커패시터(LiC)라고 하는 하이브리드 슈퍼 커패시터가 탄생되었습니다. 이는 슈퍼 커패시터의 에너지 밀도를 증가시키면서 배터리에 비해 더 빠른 응답 시간을 계속 제공합니다. LiC는 리튬 도핑 그래파이트 양극과 활성탄 음극을 사용하는 비동기식 구조를 제공합니다(그림 4).

그림 4: 하이브리드 슈퍼 커패시터는 슈퍼 커패시터오 리튬 이온 배터리의 특성을 포함합니다. 이 제품은 배터리와 비교하여 개선된 충전/방전 주기 수와 더 높은 방전 속도를 제공합니다. (이미지 출처: Eaton)

하이브리드 슈퍼 커패시터의 구조는 리튬 배터리의 전기 화학적 속성과 슈퍼 커패시터의 정전기 특성을 결합하여 설계자에게 큰 이점을 제공합니다. 전하 이동은 LiC에서 전기 화학적 프로세스이지만, 배터리보다 더 낮은 깊이에서 수행되므로 충전/방전 주기 수가 개선되고 방전 속도가 빨라집니다. 결과로 나타나는 방전 프로파일은 슈퍼 커패시터와 매우 유사합니다.

예를 들어, HS1016-3R8306-R은 방사형 리드가 있는 원통형 패키지에 하우징된 30F, 3.8V 하이브리드 슈퍼 커패시터입니다. 이 제품은 0.55Ω의 ESR을 제공하며 6.6W의 피크 전력을 공급할 수 있습니다. 또한 -15°C ~ +70°C의 작동 온도 범위와 -15°C ~ +85°C의 확장된 작동 범위를 가지며(3.5V 이하에서 작동하도록 부하 경감됨) 정격 전압 및 최대 작동 온도에서 1,000시간의 정격 수명을 제공합니다. 패키지는 18mm(0.709in) 높이 및 10.5mm(0.413in) 지름의 크기입니다. 슈퍼 커패시터처럼 500,000충전/방전 주기에 대해 정격이 지정되었습니다.

에너지 및 전력 밀도 플롯

에너지 저장 장치의 에너지 및 전력 밀도 분포는 유용성 및 유효 작동 기간에 대해 상당한 통찰력을 제공합니다(그림 5).

그림 5: 배터리 및 슈퍼 커패시터 장치의 에너지 밀도 대 전력 밀도의 교차 플롯은 작동 기간에 대한 통찰력을 제공합니다. (이미지 출처: Eaton)

이 그래프는 에너지 밀도 대 전력 밀도를 플로팅합니다. 이러한 파라미터의 비율은 시간을 산출하며 이 역시 그래프에 플로팅됩니다 에너지 밀도는 높지만 전력 밀도는 낮은 장치는 왼쪽 상단에 있습니다. 이러한 장치에는 연료 전지와 배터리가 포함됩니다. 전력 밀도는 높지만 에너지 밀도는 낮은 장치는(예: 기존 커패시터 및 슈퍼 커패시터) 오른쪽 아래를 차지합니다. 하이브리드 커패시터는 두 그룹 사이에 위치합니다. 각각의 시간 스케일을 확인하십시오. 슈퍼 커패시터는 수 초, 하이브리드는 수 분, 배터리는 수 시간 이상 작동합니다.

에너지 저장 응용 제품

에너지 저장 장치는 주 전력이 손실될 경우 전력을 공급합니다. 컴퓨터 메모리를 위한 백업 전력 공급을 좋은 예로 들 수 있습니다. 이전에는 배터리가 사용되었지만 이제는 훨씬 높은 충전/재충전 주기 횟수를 제공하는 슈퍼 커패시터가 이 응용 분야에 도입되고 있습니다. 또한, 슈퍼 커패시터를 사용할 경우 작동 1년 후 배터리를 대체할 필요가 없습니다.

슈퍼 커패시터는 에너지 수확에 의존하는 IoT 및 IIoT 설계에도 사용됩니다. 제동 시 복원되는 에너지를 저장하는 차량에서도 유사한 응용 제품을 찾을 수 있습니다.

슈퍼 커패시터는 짧은 시간 동안 높은 전력 출력을 제공합니다. 비상 발전기가 활성화될 때까지 10초 정도의 지연을 연결해야 하는 중요 설치에서 '운전 유지' 전력을 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 슈퍼 커패시터는 사용 시간과 거의 동일한 시간 동안 재충전되며 전력 손실 후 빠르게 활성화될 수 있습니다.

결론

슈퍼 커패시터는 대부분의 에너지 저장 응용 분야에서 배터리에 대한 상호 보완적 작동을 제공합니다. 슈퍼 커패시터의 즉각적으로 사용 가능한 더 높은 수준 전력과 빠른 재충전 시간은 단기간의 전력 지원에 이상적입니다. 성능 저하 없이 제공할 수 있는 충전/재충전 주기 수는 배터리 교체 유지보수 및 재고 비용을 줄여줍니다.