Capacitor (커패시터 / 캐패시터 / 콘덴서 )
적은양의 전기를 모으고 방출하는데 사용되는 전자 부품.
초축전지를 보니까, 적은양이 아닌거 같긴 하다만...
원리
두 도체판 사이에 절연체 (공기, 세라믹 등등)가 들어가 있는 구조다. 양쪽에 전압을 걸면 양극에 전하가 유도되어서 전기적 인력이 발생하고 이 인력으로 전하가 모여있게 되어서 전기 에너지를 저장할 수 있게된다.
[math]\displaystyle{ Q=CV }[/math] 여기서 Q는 전하, C는 정전용량 (비례상수), V는 전압이다. 동일한 전압일때, C의 값이 크면 클수록 더 많은 전하를 충전할수 있게된다.
정전 용량 C는 [math]\displaystyle{ \epsilon_r \frac{A}{4\pi d} }[/math] 로 표현할수 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. [1]
충전되는 에너지
위 식 [math]\displaystyle{ q=Cv }[/math] 에서 [math]\displaystyle{ v=\frac{q}{C} }[/math]가 될수 있고
필요한 일의 양을 [math]\displaystyle{ dW_e = v dq = \frac{q}{c} dq }[/math] 라고 하자.
[math]\displaystyle{ W_e = \int_{0}^{Q} \frac{q}{c} dq = \frac{Q^2}{2C} }[/math] 이다. 그런데. [math]\displaystyle{ C=\frac{Q}{V} }[/math] 이므로
[math]\displaystyle{ W_e = \frac{1}{2}CV^2 [J] }[/math] 이다.
종류
- 전해축전기 (극성이 있다.)
- 가변축전기 (축전기 용량을 조정할 수 있다.)
초축전기
Supercapacitor 말 그대로 용량이 큰 캐패시터다. 1F 짜리는 기본이고 아래영상같이 2600F 급도 있다. 일반적인 전해 캐패시터가 1mF도 큰용량임을 감안하면 매우 큰 셈.
이차 전지 대비 장점
- 단위무게당 전력 밀도가 크다. 리튬이온 배터리의 전력밀도는 0.01~0.5(W/kg)정도지만 초축전기는 1~5(kW/kg)정도다. [3]
- 충방전 가능횟수가 많다. 이차전지를 1000번 충방전 하면 용량이 감소해서 (70% 이하) 교체 대상이 되지만 초축전기는 100만번 이상 충방전이 가능하다. [3]
- 고속충전이 가능하다. 수십~수백A의 전류만 공급할수 있다면, 분 단위 완충도 가능하다.
- 고속방전이 가능하다. 일반 배터리(내부저항 100mΩ)로 100A 전류를 뽑아낼려고 하면 내부 저항의 열로인해 폭발할수 있다! 하지만, 초축전지는 내부저항이 0.3mΩ (=0.0003Ω) 정도로 작아서 가능하다. [4]
- 저온에서도 성능저하가 낮다. 리튬 폴리머 배터리는 온도가 낮으면 문제가 생길수도 있지만[5] 초축전지는 이런일이 없다.
단점
- 가격이 비싸다. 일반 배터리보다 수배~수십배 비싸다.
공돌이가 더 갈리면 해결될 문제구만. 공밀레 - 단위무게당 에너지 저장량이 떨어진다. 리튬이온배터리는 에너지 저장밀도가 150(Wh/kg)이지만 초축전지는 기껏해봤자 10(Wh/kg)이다.[3] 이러면 흔히 말하는 배터리 용량이 적어진다.
엔지니어가 더 갈리면 해결될 문제. 공밀레