커패시터에서 직접 대전과 산화 환원반응을 사용했을때의 전기용량이 차이나는 이유

Question

전기이중층 커패시터와 유사커패시터를 탐구하던 도중, 유사커패시터는 산화환원반응을 이용하고, 전기 이중층 커패시터는 직접 대전을 이용한다는 사실을 알게되었습니다. 이때 산화환원 반응을 이용하여 전자를 Ru(OH)2형태로 저장하기 때문에,  유사 커패시터가 전기용량이 전기이중층 커패시터보다 훨씬 전기용량이 크다는데, 전기용량이 유사 커패시터가 더 큰 이유는 무엇인가요?

구본민 박사 · Accepted Answer

안녕하세요. 구본민 박사입니다.유사 커패시터(pseudocapacitor)와 전기이중층 커패시터(EDLC, Electrochemical Double-Layer Capacitor)의 전기용량 차이는 주로 전하 저장 메커니즘에 있습니다.전기 이중층 커패시터(EDLC) :EDLC는 물리적인 전하 저장을 기반으로 작동합니다. 전극과 전해질 사이에 형성된 전기이중층에서 전하가 축적됩니다. 전하가 전극 표면에 정전기적으로 흡착되며, 이 과정에서 화학 반응이 발생하지 않습니다.전기이중층은 전기장을 통해 전극과 전해질 사이에 전하를 물리적으로 고정시키기 때문에, 전극의 표면적이 클수록 전기용량이 증가합니다. 즉, 전기이중층 커패시터의 용량은 주로 전극 표면적과 이중층 형성에 영향을 주는 전해질의 특성에 의해 결정됩니다.유사 커패시터(pseudocapacitor):유사 커패시터는 산화환원 반응(즉, Faradaic 반응)을 통해 전자를 저장합니다. 이 경우, 단순히 전하가 물리적으로 저장되는 것이 아니라, 전극 재료에서 화학적 산화환원 반응이 일어나면서 전자를 전극 내부로 깊숙이 저장할 수 있습니다.예를 들어, Ru(OH)₂와 같은 전극 재료는 산화환원 반응을 통해 전자를 더 많이 저장할 수 있습니다. 이 반응이 전극 표면뿐만 아니라 전극의 부피 전체에서 일어날 수 있어, 더 많은 전하를 저장할 수 있습니다.전기용량 차이의 원인 : 유사 커패시터가 전기이중층 커패시터보다 전기용량이 더 큰 이유는 바로 이 화학적 산화환원 반응에 있습니다. 이 반응은 단순히 전하를 물리적으로 축적하는 것이 아니라, 전극의 부피 내에서 전자의 이동과 저장이 일어나기 때문에 전극 전체에서 전하를 흡수할 수 있습니다. 따라서 더 많은 전자를 저장할 수 있으며, 결과적으로 전기용량이 훨씬 커지게 됩니다.EDLC: 표면에서만 전하가 축적되어, 주로 전극 표면적에 의존.유사 커패시터: 산화환원 반응으로 인해 전극 내부에서도 전자를 저장할 수 있으므로 더 큰 전기용량을 가짐.이 차이로 인해 유사 커패시터는 EDLC보다 에너지 밀도가 더 크고 전기용량도 훨씬 커지게 됩니다.

김재훈 전문가 · Answer

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.유사 커패시터의 전기용량이 전기 이중층 커패시터보다 더 큰 이유는 산화환원 반응을 통해 전자를 화학적으로 저장하기 때문입니다. 전기 이중층 커패시터는 단순히 전극 표면에서 이온들이 쌓이며 전하를 저장하는 방식이지만 유사 커패시터는 산화환원 반응을 통해 전자와 이온이 전극 물질 내에서 화학적으로 결합해 저장됩니다. 이러한 화학적 저장 방식은 단순한 물리적 대전보다 훨씬 더 많은 전하를 저장할 수 있어 전기용량이 더 커집니다. 특히 Ru(OH)2 같은 화합물은 전자가 여러 층에 걸쳐 깊숙이 저장될 수 있어 전기이중층 커패시터에 비해 용량이 크게 증가하는 것입니다.

유택상 전문가 · Answer

안녕하세요. 전기기사 취득 후 현업에서 일하고 있는 4년차 전기 엔지니어입니다.유사 커패시터가 전기 이중층 커패시터보다 전기용량이 더 큰 이유는 주로 그 작동 원리에 있습니다. 전기 이중층 커패시터는 대전된 이온이 전극 표면에 쌓이는 방식으로 에너지를 저장합니다. 이 과정을 통해 저장할 수 있는 에너지는 전극 표면적에 의해 제한됩니다. 반면 유사 커패시터, 즉 슈퍼커패시터는 산화 환원 반응을 활용해 전화가 전극 물질 내부에 저장되므로 보다 많은 전자를 저장할 수 있습니다. 이 때문에 전기용량이 더 크고 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 두 시스템의 주요 차이점은 전자를 저장하는 방식에 있으며, 이 차이가 전기용량의 차이를 만들어냅니다.

탈퇴한 사용자 · Answer

안녕하세요. 전기전자 분야 전문가입니다.유사커패시터의 전기용량이 전기이중층 커패시터보다 큰 이유는 기본적인 에너지 저장 메커니즘의 차이 때문입니다. 전기이중층 커패시터는 전자의 물리적 흡착을 통해 전하를 저장하며, 이는 주로 표면적에 크게 의존합니다. 반면 유사커패시터는 산화환원반응을 통해 전자를 화학적으로 저장할 수 있습니다. 이는 물질 내부까지 전하를 저장할 수 있게 하여 높은 전기용량을 제공합니다. 특히, 금속 산화물 구조 내에서 전자가 보다 밀집된 형태로 저장되며, 이는 전기용량을 크게 증가시키는 요인이 됩니다. 두 종류의 커패시터는 각각의 장단점이 있기 때문에, 용도에 따라 적합한 선택이 필요합니다.좋은 하루 보내시고 저의 답변이 도움이 되셨길 바랍니다 :)

전기·전자

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커패시터에서 직접 대전과 산화 환원반응을 사용했을때의 전기용량이 차이나는 이유