전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor) 원리

전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor)

 

Electric Double Layer(전기이중층)이란, 1800년대 헬름홀츠(Helmholtz)가 정립한 이론으로 본래는 대전된 물체를 전해질속에 넣었을 때 표면에서 이온들이 어떻게 분포되는지를 시각화하기위한 모델이다.

헬름홀츠는 대전된 금속판이 전해질용액 속에 있을 때 전해질속에 존재하는 이온들이 전하를 전기적 중성으로 만들기위해 배열되며 표면에 일렬로 기존의 전해질 층과 구분되는 하나의 평면을 형성하는 것을 발견하였다. 

이에 따라 전극 표면에 존재하는 ① 분극된 전해질 용매분자로 이루어진 전하층과 ② 전해질 이온 전하층의 두 층을 헬름홀츠 전기 이중층이라고 명명하였다. 

 

각각의 층 사이에는 자유전하가 없기 때문에 커패시터의 원리에 따라 전하가 저장될 수 있다. 용매의 작용까지 고려한 EDLC의 작동원리는 다음과 같다.

 

전기 이중층 커패시터(EDLC)는 기본적으로 두개의 집전체(current collector), 집전체을 덮고 있는 전극활물질(electrode active layer) 그리고 그 사이를 채우는 전해질(electrolyte)과 두 전극을 분리하는 분리막(separator)으로 구성되어있다. 

전해질은 수기반 용매나 유기용매에 염(salt)이나 이온성 액체(ionic liquid)가 용해되어 양이온과 음이온으로 존재하는 형태이다. 집전체에 전압을 걸어주면 대전되어 전극표면에 하나의 층을 만들고, 전해질에 녹아있던 이온도 헬름홀츠의 이론에 따라 배열된다.

이때 헬름홀츠의 주장과 달리 이온들이 표면에 단순하게 배열되는 것이 아니라, 극성을 띤 전해질 용매 분자의 mono-layer인 Inner Helmholtz Plane(IHP)로 인해 전극과 분리가 된다. IHP 층이 전극표면과 이온의 직접적인 흡착을 방해하여 서로 대전된 층이 생기게 되고, 이에 따라 기존의 커패시터와 유사한 형태를 만들게 된다. EDLC는 전극과 전극사이의 대전을 이용한 기존의 커패시터와는 달리 전극과 전해질층사이의 대전을 이용하기 때문에 대전된 물질간의 거리가 옴스트롱(Å, 0.1nm)까지 줄어들어 훨씬 큰 정전용량을 가질 수 있게 된다.

EDLC의 활성층으로는 정전용량을 극대화 시키기위해 무게당 유효면적이 크고 전기전도도가 좋은 탄소기반 나노물질들이 주로 사용된다. 여기에는 대표적으로 활성탄소(Activated Carbon), 탄소나노튜브(CNT), 그리고 그래핀(Graphene)등이 있다.

 

현재 상용화된 슈퍼커패시터의 전극으로 가장 널리 쓰이는 활성탄소(Activated Carbon)는 일반적인 탄소를 부분적으로 태워 표면적을 최대로 만든 물질이다. 이에따라 광학현미경는 관찰하기 어려운 미세 기공들이 생기게 되어 유효면적이 엄청나게 넓어진다. 활성탄소의 전기전도도는 금속의 0.003% 정도로 낮은편이지만, 엄청난 유효면적으로 인해 큰 정전용량 이론값을 가질 수 있게 된다. 

하지만 이론값과는 달리 실제 정전용량 값은 기대에 미치지 못한다. 이는 활성탄소의 기공크기의 조절이 어렵고 배열도 불균일하기 때문에 wettability가 떨어져 EDLC에 필요한 이온과의 접촉이 원활하지 않기 때문으로 해석된다. 실제로 기공의 크기(pore size)가 이온의 크기보다 작아지면 이온이 기공 안쪽까지 침투하지 못해 EDLC 효과가 제대로 나타나지 않는다.

 

탄소나노튜브(CNT)는 활성탄소에 비해 유효면적은 작지만 비교적 균일한 표면기공 조성이 가능하다. 이는 wettability의 증가를 통한 커패시턴스 증대를 가져오게 된다. 전기전도도 또한 상대적으로 우수하기 때문에 유효면적에 비해서 높은 정전용량을 가지고 있다. 

 

그래핀(Graphene)은 상대적으로 유효면적이 CNT에 비해 훨씬 높고 활성탄소에 비해 전도도가 높아 이론적으로는 1g당 550패럿까지 정전용량을 가질 수 있으며 2차원적인 평면구조를 가지기 때문에 이온의 접근도 용이하여 현재 EDLC 전극재료 연구에서 가장 전망 있는 재료로 떠오르고 있다.