슈도커패시터(Pseudocapacitor)의 원리

슈도커패시터(Pseudocapacitor)

슈도커패시터(Pseudocapacitor)란 유사커패시터라고도하며 정전기적(electrostatic)인 이온의 흡탈착만을 사용하는 전기이중층커패시터(EDLC)와는 달리 전기화학적인(electrochemical) 산화환원 반응(redox reaction)을 수반한 커패시터이다.

Pseudocapacitance는 1970년대 Ruthenium(IV) oxide (RuO₂) 전극을 연구하면서 발견되었다. 기존의 정전기적 대전만을 이용하여 에너지를 저장하는 커패시터와 달리 전해질 속에 들어있는 양성자(H+)가 전극표면에서 전기화학적 반응으로 electron charge transfer을 유도하여 충방전이 일어났던 것이다. 이러한 현상은 기존의 커패시터보다는 배터리와 더 유사한 에너지 저장 방식이었다.

충방전 특성 자체는 커패시터와 흡사하여 커패시터의 일종으로 분류했으나 전극에서의 전기화학적 반응을 수반하기때문에 가짜라는 뜻을 가진 접두사 pseudo를 붙여 슈도커패시턴스라고 명명하였다.

산화전극의 한쪽 면에 음전하를 대전시키면 전해질속의 양성자(H+)가 전극에 흡착되어 위와 같은 산화환원반응을 일으킨다. 그림에서 RuO₂ 전극을 음전하로 대전시키면 전극은 양성자를 받고 환원되어 최종적으로 Ru(OH)₂ 상태로 존재하게 된다. 역과정으로 대전된 전압을 제거하여 방전시킬 경우 Ru(OH)₂ 상태에서 양성자를 전해질로, 전자를 current collector로 방출하게 된다

이는 산화환원반응을 수반하지 않고 단순 대전시키는 EDLC보다 산화환원반응을 통해 전자를 Ru(OH)₂ 형태로 더욱 많이 저장할 수 있다는 뜻이며 이에따른 커패시턴스의 증가를 가져오게 된다. 이러한 슈도커패시턴스는 같은 면적대비 EDLC보다 100배이상 커패시턴스가 증가하게 된다.

 

슈도커패시턴스가 일어나기 위해서는 전극표면에서 산화환원 반응이 원활하게 이루어져야 한다. 

다양한 물질 중 전이금속(transition metal)은 여러 산화수를 가져도 안정하기 때문에 이러한 전극으로 쓰기에 적합하다. 대표적으로 RuO₂, MnO₂, MoO₃ 그리고 V₂O₅와 같은 금속 산화물(metal oxide)이 있으며 금속 이온의 산화수를 변화시키며 저장된다.

Intrinsic pseudocapacitance : RuO2, MnO2, TiO2, Nb2O5

Extrinsic pseudocapacitance : Ni(OH)2, V2O5, LiCoO2 (engineered)

다른 형태의 슈도커패시터 전극물질로는 polyaniline, polypyrrole, polythiophene과 같은 전도성 고분자(conducting polymer)가 있다. 이러한 전도성 고분자은 monomer 단위의 pi bond들이 conjugated 되어 있다. 이렇게 conjugated된 sp2 오비탈을 통하여 전자들이 고분자 사슬(polymer chain)을 통하여 쉽게 움직일 수 있으며 전극물질로 응용되고 있다.

이러한 전도성 고분자를 포함한 전극은 metal oxide에 비해 낮은 산화환원 빈도, 충방전 횟수의 증가에 따른 안정성 저하등이 문제점으로 지적되고 있으나 flexibility를 가질 수 있다는 장점이 있어 유연전자소자 분야에서 활용되고 있다.

 

그러나 슈도커패시터 물질만으로는 실제적으로 제작한 소자의 커패시턴스를 향상시키기에는 무리가 있다. 그렇기 때문에 EDLC의 전극활물질로 사용되는 탄소기반물질 (AC, CNT, Graphene)에 전고성 고분자나 금속산화물을 적층하거나 성장시켜 함께 사용한다. 

전극으로 제작하는데 슈도커패시터물질의 비율이 높아지면 높아질수록 커패시터보다는 오히려 배터리의 특성에 가까워지게 되고 전도성과 사이클 안정성도 떨어져 전체적인 성능의 저하를 가져온다. 

이러한 문제점을 해결하기 위해 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor)가 최근에 주목 받고 있다.