커패시터는 기본적으로 전하 저장 장치이지만 배터리에 비해 전하 저장 용량이 상당히 적습니다. 그러나 수명은 배터리보다 훨씬 길고, 내부 구조에 따라 다양한 범주로 분류되지만 커패시터 작동의 기본 원리는 동일합니다. 그래핀 커패시터는 전자의 훨씬 더 자유로운 이동을 제공하고 효과적인 방식으로 열 방출을 허용하는 그래핀 층을 갖는 일종의 슈퍼커패시터입니다.
개요:
슈퍼커패시터란 무엇입니까?
그래핀 커패시터를 이해하려면, 그래핀 커패시터도 슈퍼 커패시터의 범주에 속하므로 슈퍼 커패시터에 대한 지식이 필요합니다. 일반 캐패시터와 달리 서퍼 캐패시터는 내부 구성이 다르며 이는 특성에도 영향을 미칩니다. 슈퍼커패시터에는 절연 매체로 분리된 전해질이 있고 전해질과 접촉하는 활성탄 전극이 있습니다. 전해질은 주로 황산이나 산화칼륨이고, 분리막은 보통 캡톤(Kapton)이다.
슈퍼커패시터의 작동
슈퍼커패시터가 전원에 연결되지 않으면 극성에 관계없이 전하가 전해질 전체에 분산되고, 전원이 연결되면 전류가 커패시터에서 흐르기 시작하며 양극은 양전하를 얻게 됩니다. 전해질의 음이온은 양극 쪽으로 이동하려는 경향이 있습니다. 음극은 음전하를 띠고 모든 양이온은 음극을 향해 이동합니다.
전극과 전해질 사이의 인력은 정전기력이며, 전극에 대한 이온의 인력은 전기 이중층의 형성을 유발합니다. 이 층은 전하 저장을 담당하며 이 층의 형성으로 인해 슈퍼커패시터는 전기 이중층 커패시터라고도 합니다.
이것이 슈퍼커패시터가 충전되는 방식이며 슈퍼커패시터의 단자에 부하가 연결되면 전극의 전하가 부하에서 흐르기 시작합니다. 이렇게 하면 두 전극 모두 전하를 끌어당길 수 없기 때문에 전하를 잃기 시작하고 결과적으로 모든 전하가 전극을 떠날 때 커패시터가 방전됩니다.
이제 이온은 다시 전해질을 통해 흩어지며 이것이 간단한 슈퍼커패시터가 작동하는 방식입니다.
그래핀 슈퍼커패시터
그래핀은 대부분 연필 안에 들어 있는 흑연에서 유래하며, 같은 원자 수를 가진 탄소의 전극이지만 배열이 다릅니다. 그래핀은 흑연과 달리 육각형 벌집 모양으로 배열된 2차원 단일 원자층을 갖고 있다. 이 구조는 원자가 강한 공유 결합을 생성하여 더 높은 인장 강도와 높은 유연성을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 그래핀은 전자가 자유롭게 움직일 수 있고 더 높은 전기 전도성을 갖게 됩니다.
슈퍼커패시터는 플레이트 사이의 거리가 짧아서 더 많은 정전하를 저장할 수 있기 때문에 그래핀은 알루미늄 층에 비해 원자 크기만큼 매우 얇은 층을 갖습니다. 따라서 그래핀 커패시터는 훨씬 더 넓은 표면적을 가지므로 다른 슈퍼커패시터에 비해 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
슈퍼커패시터의 그래핀 기반 전극
위에서 언급한 그래핀은 전하 저장을 위한 커패시터의 용량을 향상시키는 더 큰 표면적을 제공합니다. 그래핀을 사용하여 전극을 제조하는 데는 다양한 기술이 사용되며 그 중 두 가지는 다음과 같습니다.
그래핀 폼으로 제작
그래핀 폼을 이용해 만든 그래핀 전극은 전도성이 높고, 가볍고, 면적이 수 cm까지 확장 가능한 유연한 전극이다. 2 높이는 최대 수 밀리미터입니다. 그래핀 폼은 니켈 또는 구리 폼 위에 화학 기상 증착 기술을 성장시켜 생성됩니다. 구리 폼 위에 그래핀 폼을 만들면 고품질의 그래핀 층이 생성되지만, 금속 지지체를 제거하면 구조가 쉽게 무너질 수 있습니다. 그러나 대신 니켈 폼을 사용하여 손상 없이 금속 지지대에서 조심스럽게 잡아당길 수 있는 다층 그래핀 층을 만들 수 있습니다. 또한, 이러한 화학적 합성을 이용하여 니켈 폼을 통해 환원그래핀옥사이드를 형성할 수도 있습니다. 일부 첨가제는 그래핀과 함께 사용되어 높은 전력 밀도를 달성하는 데 도움이 되고 전자와 이온의 더 짧은 경로를 제공하여 전하 속도를 높입니다. 이러한 첨가제는 금속 산화물, 전도성 폴리머 및 금속 수산화물일 수 있으며, 이는 그래핀 기반 전극의 제조 비용을 저렴하게 만듭니다.
위 이미지는 화학기상증착법을 이용하여 그래핀층을 형성하는 과정을 나타낸 것이다.
레이저 라이팅으로 제작
레이저 라이팅 방식은 상대적으로 비용이 적게 들고, 대면적 축소 기술을 줄여 단 한번의 공정으로 3차원 다공성 그래핀을 생산할 수 있다. 이 방법에서는 먼저 얇은 그래핀 층을 템플릿 위에 증착한 다음 상업용 레이저를 그래핀 산화물 층에 조사합니다. 레이저 광이 산화 그래핀에 입사되면 노출 영역에 다공성 전도성 물질이 생성됩니다.
결과적으로 전해질 이온의 표면적이 증가하고 산소 함량이 상당히 감소합니다. 이전 방법과 마찬가지로 직접 레이저 기록에 일부 첨가제를 사용할 수 있습니다. 즉 기판은 산화 그래핀과 폴리머의 혼합물일 수 있고 기판은 폴리머만일 수도 있습니다. 다음은 직접 레이저 쓰기 과정을 보여주는 이미지입니다.
그래핀 기반 슈퍼커패시터 성능
그래핀 커패시터는 효과적인 전자 및 이온 전달을 통해 높은 중량 및 부피 용량을 제공합니다. 또한 더 높은 사이클 속도 안정성과 더 높은 에너지 성능을 나타냅니다.
다양한 에너지 저장 장치의 성능과 동작을 연구하기 위해 비에너지 값(Wh/Kg)이 비전력(W/Kg)에 대해 표시되는 Ragone 플롯이 사용됩니다. 그래프는 두 축 모두에 로그 눈금을 사용합니다. y축은 단위 질량당 에너지의 양인 비에너지를 측정합니다. x축은 단위 질량당 에너지 전달 속도인 전력 밀도를 측정합니다.
즉, Ragone 플롯의 한 점은 y축의 에너지(단위 질량당)가 x축의 전력(단위 질량당)으로 전달될 수 있는 시간의 양을 제공하며, 해당 시간( 시간당)은 에너지와 전력 밀도 사이의 비율로 제공됩니다. 결과적으로 Ragone 플롯의 등위곡선(일정 배송 시간)은 단일 기울기를 갖는 직선입니다. 아래 Ragone 플롯은 다양한 에너지 저장 장치의 비에너지(Wh/Kg)와 비전력(W/Kg)을 보여줍니다.
결론
그래핀 커패시터는 흑연에서 추출한 그래핀으로 전극을 만든 슈퍼커패시터의 일종이다. 그래핀은 전해질에 넓은 표면적을 제공하여 정전용량을 증가시키고 충전 시간도 단축시킵니다. 또한, 그래핀 전극을 만드는 데는 다양한 기술이 있는데, 그 중 두 가지는 그래핀 폼과 직접 레이저 라이팅입니다.