축전기

축전기(築電機)는 적은 양의 전기를 모으고 방출하는데 사용되는 전자 부품이다. 초축전지를 보니까, 적은 양이 아닌 것 같긴 하다만…. 영어로는 커패시터(Capacitor) 또는 콘덴서(Condenser)라고 한다.

원리

두 도체판 사이에 절연체(공기, 세라믹 등등)가 들어가 있는 구조다. 양쪽에 전압을 걸면 양극에 전하가 유도되어서 전기적 인력이 발생하고 이 인력으로 전하가 모여 있게끔 되어서 전기 에너지를 저장할 수 있게 된다.

[math]\displaystyle{ Q=CV }[/math] 여기서 Q는 전하, C는 정전용량 (비례상수), V는 전압이다. 동일한 전압일 때, C의 값이 크면 클수록 더 많은 전하를 충전할 수 있다.

평행판 축전기에서 정전 용량 C는 [math]\displaystyle{ \epsilon_r \frac{A}{d} }[/math] 로 표현할 수 있다. 여기서 [math]\displaystyle{ \epsilon_r }[/math]은 절연체의 상대 유전율, [math]\displaystyle{ A }[/math]는 도체판의 단면적, [math]\displaystyle{ d }[/math]는 도체판 사이의 거리다.

충전되는 에너지

일률 [math]\displaystyle{ \displaystyle P = \frac{dw}{dt} = VI = \frac{Vdq}{dt} }[/math]이다. 따라서 [math]\displaystyle{ \displaystyle dw = Vdq = \frac{qdq}{C} }[/math]이다.

[math]\displaystyle{ \displaystyle W = \int_{0}^{W} dw = \int_{0}^{Q} \frac{q}{C} dq = \frac{Q^2}{2C} }[/math] 이다.

여기서 [math]\displaystyle{ \displaystyle Q = CV }[/math] 이므로, [math]\displaystyle{ \displaystyle W = \frac{1}{2}CV^2 [J] }[/math] 이다.

종류

• 전해축전기 : 극성이 있다.
• 가변축전기 : 축전기 용량을 조정할 수 있다.

초축전기

초축전기(超築電機, Supercapacitor)는 말 그대로 용량이 큰 축전기다. 1F 짜리는 기본이고 아래영상같이 2600F 급도 있다. 일반적인 전해 축전기가 1mF도 큰 용량임을 감안하면 매우 큰 셈이다.

이차 전지 대비 장점

• 단위 무게당 전력 밀도가 크다. 리튬이온 배터리의 전력밀도는 0.01~0.5(W/kg)정도지만 초축전기는 1~5(kW/kg)정도다.
• 충방전 가능 횟수가 많다. 이차전지를 1,000번 충방전 하면 용량이 감소해서 (70% 이하) 교체 대상이 되지만 초축전기는 100만 번 이상 충방전이 가능하다.
• 고속충전이 가능하다. 수십~수백 A의 전류만 공급할 수 있다면, 분 단위 완충도 가능하다.
• 고속방전이 가능하다. 일반 배터리(내부저항 100mΩ)로 100A 전류를 뽑아낼려고 하면 내부 저항의 열로 인해 폭발할 수 있다! 하지만 초축전지는 내부저항이 0.3mΩ (=0.0003Ω) 정도로 작아서 가능하다.
• 저온에서도 성능 저하가 낮다. 리튬 폴리머 배터리는 온도가 낮으면 문제가 생길 수도 있지만 초축전지는 이런 일이 없다.

단점

• 가격이 비싸다. 일반 배터리보다 수배~수십 배 비싸다. 공돌이가 더 갈리면 해결될 문제구만. 공밀레
• 단위 무게당 에너지 저장량이 떨어진다. 리튬이온 배터리는 에너지 저장밀도가 150(Wh/kg)이지만 초축전지는 기껏해봤자 10(Wh/kg)이다. 이러면 흔히 말하는 배터리 용량이 적어진다. 엔지니어가 더 갈리면 해결될 문제. 공밀레

관련 문서

• 배터리
• 전기