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슈퍼커패시터
슈퍼커패시터(Supercapacitor)는 초고용량 커패시터 또는 울트라 커패시터로 알려져 있으며, 전기에너지를 빠르게 저장하고, 높은 전류를 순간적 또는 연속적으로 공급하는 고출력형 전기 에너지 저장 소자이다. 슈퍼 커패시터에는 활성탄소로 이루어진 전극의 표면에 전하를 물리적으로 흡착 또는 탈착 시키는 원리가 적용된다.
슈퍼 커패시터는 배터리와 비교할 때, 아주 낮은 내부 저항을 가지므로 높은 출력을 낼 수 있으며, 넓은 작동 온도 범위에서 안정적이고, 수명은 50만 충방전 싸이클 이상으로 훨씬 길다. 슈퍼 커패시터는 급속 충방전이 필요한 전자기기나 높은 출력이 필요한 산업 분야에서 배터리를 대체하거나 병용하는 에너지 저장 응용분야에 적합하다.
전기자동차(Electrical Vehicle, EV), 하이브리드 자동차(Hybrid Electrical Vehicle, HEV), 연료전지 자동차(Fuel Cell Vehicle, FCV)와 같은 차세대 친환경 차량 개발 분야에 있어 에너지 버퍼로 사용된다.
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슈퍼커패시터는 일반 커패시터보다 단위 부피 또는 질량당 10~100배 더 많은 에너지를 저장한다. 또한, 더 빠른 속도로 충전되며 무수히 반복되는 충·방전 사이클에도 무리 없이 작동한다. 리튬이온과 같은 배터리 대비 크기가 작고, 충·방전 사이클 허용 횟수가 매우 높아 수명 또한 길어, 전기자동차의 배터리 보완품이나 대체재로 주목받고 있다. 2019년 초 테슬라가 울트라 커패시터를 제작하는 맥스웰 테크놀로지를 인수했으며, 맥스웰 테크놀로지도 현재 국내외 자동차 제조업체들과 협업하고 있어 향후 친환경차를 위한 기술로 더욱 기대되는 상황이다.[1]
국내에서는 비나텍㈜이 슈퍼커패시터를 생산하고 있으며 중형 슈퍼커패시터 세계 시장 1위 점유율을 차지하고 있다. 비나텍㈜의 슈퍼커패시터는 뛰어난 출력특성을 토대로 2차전지 최적의 보완재로써 새롭게 각광받고 있으며, 최근에는 신기술을 접목한 슈퍼커패시터 연구개발을 통해 그동안 진입장벽이 높았던 EV/HEV, ESS(Energy Storage System)를 비롯해 다양한 미래운송 관련부문에 활발하게 검토되고 있다. [2] 그 외에도 국내 슈퍼커패시터 관련기업은 LS material, 비츠로셀, 삼화전기, 코칩, 삼화콘덴서, 퓨리켐 등이 있으며, 관련 소재 기업 한국JCC가 있다.
목차
개요[편집]
슈퍼커패시터는 축전용량이 대단히 큰 커패시터로 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 급속 방충전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용된다. 부하응답 특성이 느린 신재생에너지 발전시스템에 슈퍼커패시터를 사용하면 발전된 전력과 부하전력 사이의 차이를 흡수 또는 방출함으로써 전력품질을 확보하는데 기여한다.
슈퍼커패시터는 1995년 일본, 러시아, 미국 등에서 상용화되기 시작하여 소형에서 대형에 이르기까지 그 응용분야가 다양하게 확대되고 있으며, 최근 들어 신재생에너지의 획기적 증가와 더불어 주요 에너지 저장장치로 각광 받고 있다. 연료전지발전, 태양광발전, 풍력발전 등의 신재생에너지 발전은 에너지원이나 부하의 변동에 민감하게 반응하므로 단독으로 사용될 경우 출력전압의 변동을 포함한 전력품질의 저하를 피할 수 없다. 하지만 슈퍼커패시터는 전력밀도가 높고, 충방전 속도가 빠르며, 충방전 사이클 수명이 50만 사이클 이상으로 매우 길다는 특성을 갖고 있어, 부하응답 특성이 느린 신재생에너지 발전시스템에 슈퍼커패시터를 사용하면 발전된 전력과 부하전력 사이의 차이를 슈퍼커패시터가 흡수 또는 방출함으로써 전력품질을 확보하는데 기여한다.
슈퍼커패시터 & 배터리[편집]
배터리와 슈퍼캐패시터 모두 전기화학반응(electrochemical reaction)을 이용한 에너지 저장장치이다.
하지만 에너지를 저장할 때 사용되는 전기화학적 메카니즘이 달라서 에너지, 전력 밀도에 차이가 있다. 기존의 일반적인 커패시터(capacitor)는 ragone plot이라 부르는 위쪽 그래프에서 좌측 상단에 위치해 있다. 전력밀도(power density)는 높은반면 에너지밀도(energy density)는 상당히 낮은데, 이는 한번에 높은 전력을 출력 할 수 있지만 커패시터의 특성상 충방전 시간이 너무 빨라 실제로 저장하는 에너지는 적다는 뜻이다.
휴대폰이나 태블릿등 우리가 가장 흔하게 사용하는 배터리(battery)인 리튬이온 배터리는 Li+ 이온의 산화-환원 반응(redox reaction)을 통해서 전기가 생성되는 방식을 가지고 있다. 배터리는 전력밀도 자체는 커패시터보다 낮지만 화학적인 반응을 수반하기 때문에 천천히, 긴 시간동안 전력을 충방전하여 저장할 수 있는 에너지가 상대적으로 많아 에너지 밀도가 높다. 이는 현재까지는 배터리가 에너지 저장소자장치로 주로 쓰이는 이유이다.
슈퍼커패시터는 기존의 커패시터와 배터리의 중간지점에 위치해 있다. 즉 평범한 커패시터에 비해 많은 양의 에너지를 저장할 수 있으면서 동시에 배터리보다 훨씬 높은 출력을 낼 수 있어 차세대 에너지 저장장치의 핵심요소로 각광받고 있다. 슈퍼커패시터는 전해질의 이온이 전극 표면에 흡착(adsorption)하고 탈착(desorption)되는 과정 이나 표면화학반응을 통해서 충방전이 진행된다.
슈퍼커패시터가 에너지를 저장하는 메커니즘은 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)와 유사커패시터(Psuedocapacitor) 등 2가지로 나누어 볼 수 있다.
전기이중층 커패시터(EDLC)는 활성전극에서 전해질 용액 내 이온들의 정전기력에 의해 가역적인 흡·탈착으로 에너지를 저장한다. 즉, 전하가 전기이중층의 거동을 보이며 전극 표면에 축적되어 전기에너지를 저장하는 것이다. 쉽게 말해, 전자가 한쪽의 +이온들이 모인 곳에 축적되었다가 떨어지는 방식으로 에너지를 공급한다. EDLC 전극에서는 산화환원반응(Redox Reaction)을 통한 전하전달이 일어나지 않고 오로지 충전(Charging)만 일어난다. EDLC는 매우 큰 표면적을 가진 전극을 통한 저장 메커니즘을 가지고 있어 빠른 에너지저장과 수송을 통한 고출력을 유도한다.
유사커패시터(Pseudocapacitor)는 전극표면에 전기화학 활물질이 붙어있는 상태에서 전자의 이동이 나타나며 EDLC와는 달리 산화환원 반응을 통해 전하를 저장한다. 전기이중층에 전하를 저장하지 않기 때문에 실질적으로 커패시터라고는 할 수 없지만, 그럼에도 불구하고 저장특성이 EDLC와 유사하여 유사커패시터라고 부른다. Pseudocapacitor는 충·방전 사이클의 안정성은 떨어지지만 에너지 밀도는 EDLC에 비해 뛰어나다. 또한 이들의 특성을 비대칭 전극을 사용하여 적당히 혼합한 하이브리드 슈퍼커패시터(hybrid supercapacitor)가 있다. 하이브리드 커패시터는 전기이중층 커패시터와 유사 커패시터의 특성을 혼합한 슈퍼 커패시터이다. 하이브리드 커패시터는 양극과 음극에 서로 다른 재료를 사용한다. 즉, 한 쪽 전극에는 고용량 특성을 가지는 리튬 금속산화물을 사용하고, 다른 쪽 전극에는 고출력 특성을 가지는 활성탄소를 사용한다.
하이브리드 커패시터는 환경 친화적이며, 전기이중층 커패시터 보다 에너지 밀도가 높고 충전과 방전이 빠른 장점을 가지고 있[3] [4]
중요한 차이점[편집]
적용분야[편집]
- 산업용 : 미세공정산업(반도체/Display/차량도색 등) UPS, 순간정전보상장치, ESS(에너지 저장체계) FR(Frequency Regulator), AMR, SSD, 태양광 가로등, 발광블록, 연료전지 보조, 발전기 시동 전원, Pulse power
- 풍력발전기 : Pitch Control system 비상 전원, FR(Frequency Regulator)
- 태양열 : 태양열 발전 Mirror-tracking
- 자동차 : 하이브리드버스, ISG 시스템, 전압안정기, 점프스타터, 블랙박스, Hybrid battery
- 운송 : 회생제동(Regenerative Braking)
- 중장비 : Energy Harvesting
- 해양 : 파력발전, Leveling system
- 소비재 : 전동공구, 플래시 라이트, 완구
개발 동향[편집]
슈퍼커패시터의 가장 큰 문제점이라고 할 수 있는 에너지 밀도를 높이기 위해 현재 커패시터의 핵심 소재인 전극과 전해질에 관련된 연구가 주를 이루고 있다. (1) 높은 비표면적(specific surface area)과 충전 밀도(packing density)를 갖는 전극 소재(주로 나노탄소소재)를 개발하거나 (2) 전기화학적 활성을 갖는 금속산화물 혹은 전도성 고분자들을 활용한 유사 커패시터(pseudocapacitor)의 개발, (3) 새로운 전해질 개발을 통한 구동전압 범위 증가, (4) 리튬 이온 커패시터(LIC)와 같은 하이브리드 개념의 커패시터 개발 등의 연구들이 진행되어왔다.
전극 소재[편집]
슈퍼커패시터의 에너지밀도를 높이기 위해서, 같은 부피에도 많은 전하를 저장할 수 있는 소재를 적용해야 한다. 이를 '높은 비표면적과 충전밀도를 갖는다'라고 하는데, 그래핀이나 CNT를 활용한 연구가 활발하다. 그래핀은 전기전도도가 높고, 많은 전하를 저장할 수 있는 특성이 있어 다른 탄소계 물질보다 에너지밀도를 높이기 매우 유리하다. 이러한 그래핀을 다공성 구조로 합성하여, 높은 비표면적 구조를 통해 용량을 극대화할 수 있다. 한국기초과학지원연구원에서 개발한 다공성 그래핀 필름은 높은 비축전용량(284.5F/g)을 나타냈으며, 이 값은 기존의 적층 그래핀 필름(138.9F/g)보다 두 배 이상 높은 값이다.
유사커패시터 소재[편집]
배터리와 유사한 전기화학 반응이 수반된 유사커패시터의 경우 에너지밀도 개선에 유리한 측면이 있다. 유사커패시터의 전극 소재로는 다양한 산화수를 가질 수 있는 전이금속 산화물과 전도성 고분자가 많이 사용된다.
전이금속 산화물의 경우 구리, 망간, 니켈 등의 산화물로 만들어지나, 낮은 전기전도도와 다공성 구조체 합성의 어려움을 해결하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 다른 금속으로는 루테늄이 활용되는데, 희귀금속으로 가격이 높아 값싸고 에너지밀도가 높은 소재에 대한 연구가 집중되고 있다.
전도성 고분자의 경우 유연한 특성으로 플렉시블 커패시터에 응용하기 적합하다. 하지만 충방전을 반복할수록 부반응에 의해 고분자 소재가 변성되고, 이로 인한 낮은 싸이클 특성과 낮은 안전성 문제를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다.
전해질 개발[편집]
전극 소재 말고도 전해질 또한 특성 개선에 중요한 소재이다. 기본적으로 전하 저장을 위해 이온의 이동 속도는 중요한 변수로 작용한다. 온도가 낮을수록 이온전도도가 낮아져 배터리와 마찬가지로 특성이 저하된다. 따라서 높은 이온전도성을 가진 전해질 개발을 통해 작동 온도 범위를 넓히는 연구가 진행된다.
기존의 전해질은 수계와 유기계로 나눌 수 있다. 수계 전해질의 경우 구동 전압이 1V대 이기 때문에 에너지밀도에서 불리하다. 유기계 전해질은 높은 전압을 구현할 수 있으나 점도가 높아 이온전도도가 낮다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 고분자 전해질을 활용한 연구가 진행되고 있다. -50도부터 100도까지 작동할 수 있는 연구들이 보고된 사례가 있다.
하이브리드 커패시터(LIC)[편집]
슈퍼커패시터의 성능을 보완하기 위해서 하이브리드 커패시터에 대한 연구도 활발하다. 그중에서도 슈퍼커패시터의 장점인 고출력, 고속 충방전 특징과 리튬이차전지의 고용량이라는 장점을 가진 새로운 타입의 하이브리드 슈퍼커패시터인 LIC(Lithium Ion Capacitor)에 대한 관심이 급격히 증가하고 있다. LIC는 EDLC의 양극과 리튬이차전지의 음극을 연결한 구조로, EDLC의 고출력 특성은 그대로 지니면서 에너지 밀도는 보다 높게 나타나는 특징을 갖는다. 충·방전 과정 동안 한쪽 전극에서는 전기이중층 반응으로 인한 고출력 특성이 나타나고, 반대 전극에서는 물질의 내부로 리튬이온이 삽입·탈리되면서 고용량 특성을 구현한다. 출력 및 용량 측면 외에도 높은 작동 전압(3.8~2.2V), 소형/경량화 가능성, 급속 충·방전 가능, 높은 내구성 및 신뢰성, 뛰어난 고온 안정성 등의 장점을 갖추고 있기 때문에 차세대 에너지 저장장치로 관심을 모으고 있다. 이 경우 배터리와 슈퍼커패시터의 장단점을 모두 보완할 수 있다. 하지만 전기화학반응의 경우 전기 이중층의 전하탈착반응보다 반응속도가 현저히 떨어져 양 극의 반응속도를 맞추는 것이 가장 중요한 과제로 남아 있다. 현재는 높은 출력 특성을 가진 니오비움 산화물(Nb2O5)을 사용하는 등 음극의 출력을 개선하는 연구와 전해질에 대한 연구가 진행되고 있다.[4]
시장 및 전망[편집]
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전세계적으로 초고용량 커패시터를 연구 개발 사업화하는 기업은 약 60여 개이며, 이중 매출이 발생하고 있는 기업은 약 40여 개정도로 볼 수 있다. 일본은 소용량(~1F)제품을 위주로 생산하고 있으며 전 세계시장의 90% 이상을 차지하고 있으며, 한국과 미국은 중용량(1~800F) 및 대용량(1000F~)제품에서 비교 우위를 차지하고 있다. 초고용량 커패시터의 소재분야는 일본이 독점하고 있으나 활성탄, 전해액, 집전체 등은 연구개발 및 본격적인 생산활동에 있어서는 국산화에 성공하였다. 하지만, 여전히 절연지(분리막)에 대하여는 아직도 일본에 의존하고 있어 연구개발이 시급한 실정이다. 맥스웰 테크놀로지는 대형 슈퍼커패시터 1위, 파나소닉은 소형 슈퍼커패시터 1위, 비나텍㈜은 중형슈퍼커패시터 1위 점유율을 차지하고 있다.[5]
시장조사업체인 리포트링커(ReportLinker)는 세계 슈퍼 커패시터 2019년 시장 규모는 27억 달러였으나 2027년까지 165억 5천만 달러로, 예측 기간 동안 연평균 성장률 23.3%를 기록할 것으로 예상된다고 밝혔다. 성장세는 아시아 태평양 지역이 가장 많이 기여할 것으로 예상되며 북미와 유럽이 그 뒤를 잇는다.
시장조사업체인 리서치앤마켓(Researchandmarkets)사 역시 2020년부터 2025년까지 상당한 속도로 성장할 것으로 예상했다.
지역별 동향을 살펴보면 북미, 유럽을 제치고 아시아 태평양 지역이 2019년에 최대 수익에 기여했으며, 2027년까지 다른 지역에 비해 빠른 속도로 성장할 것으로 예상된다. 자동차 사업의 증가와 중국과 인도의 전자 부문의 성장과 같은 요인으로 인해 최근 몇 년 동안 슈퍼커패시터의 채택이 증가했기 때문이다.
전기 자동차 회사의 수가 증가함에 따라 중국은 2041년까지 약 30개의 슈퍼커패시터 제조업체가 등장하면서 발빠른 행보를 보이고 있다.
기술 분석 전문기업 아이디 테크엑스 리서치(IDTechEx Research)는 "운송, 사물인터넷(IoT) 및 데이터 센터 애플리케이션 목록이 계속 증가함에 따라 기술은 도약할 것"이라며, "전기 자동차의 고속 충전이 주요 판매 포인트가 된다면 슈퍼 커패시터 기술은 성공할 것"이라고 밝혔다.
한편, 에너지 밀도는 배터리가 여전히 슈퍼커패시터를 능가하는 하나의 지표이다. 이에 따라 커패시터-슈퍼 커패시터 조합에서 배터리-슈퍼커패시터 하이브리드에 이르기까지 다양한 하이브리드 제품이 출시될 것으로 예상된다. 후자는 고속 무선 충전과 같은 애플리케이션을 가능하게 한다.
세계적인 자동차 제조업체인 람보르기니는 한정 판매 자동차 시안 로드스터를 내놓았다. 이 차에는 기존 리튬이온 배터리 대비 10배 더 많은 전력을 저장할 수 있는 혁신적인 슈퍼 캐페시터 기술이 세계 최초로 적용돼 화제를 모았다.
이는 동일 중량 배터리보다 3배 더 강력하고 동일 출력 배터리보다 3배 더 가벼운 제품을 적용한 것이다. 여기에 람보르기니에서 개발한 회생제동장치regenerative braking system)와 슈퍼캐페시터의 대칭적 특징이 더해 브레이크를 밟을 때마다 회생 에너지를 완충하며, 이를 즉시 출력 증가에 활용할 수 있게 했다. 130km/h까지 전기모터를 활용한 가속이 가능하게 된 것이다.
IDTechX는 "슈퍼커패시터가 값 비싼 리튬이온 배터리의 10%를 대체했으며, 납축 배터리를 빠르게 사라지게 할 것"이라며, "기술 발전 및 시장 출시는 이제 빠르게 진행되고 있다. 향후 20년 내에 성장하는 것과 사라지는 것이 생길 것"이라고 결론 내렸다.[6]
각주[편집]
- ↑ 선연수 기자, 〈전기를 저장하는 혁신의 열쇠, 커패시터〉, 《테크월드뉴스》, 2019-08-13
- ↑ 김양섭 기자, 〈비나텍 "860억 투자...슈퍼커패시터·MEA 생산능력 확대"〉, 《뉴스핌》, 2021-06-18
- ↑ 에너지 저장장치, 〈슈퍼커패시터와 배터리〉, 《티스토리》, 2020-05-19
- ↑ 4.0 4.1 임상현 기자, 〈슈퍼커패시터, 어디까지 성장했나?〉, 《대학생신재생에너지기자단》, 2020-12-28
- ↑ 지금 이 순간, 〈슈퍼커패시터 시장 현황 및 전망〉, 《네이버 블로그》, 2020-09-27
- ↑ 신종섭 기자, 〈18조 '슈퍼 커패시터' 시장 위한 국내 지원 시급하다〉, 《이넷뉴스》, 2021-02-05
참고자료[편집]
- 〈울트라커패시터〉, 《나무위키》
- "Supercapacitor", Wikipedia
- 전황수 유인규 연구원, 〈슈퍼커패시터의 시장 및 기술개발 동향〉, ETRI, 2014-10
- 에너지저장장치 슈퍼커패시터 기술개발 동향 - file:///C:/Users/sms/Downloads/Konetic_Report_2016-111%ED%98%B8(2016.11.28.pdf
- 선연수 기자, 〈전기를 저장하는 혁신의 열쇠, 커패시터〉, 《테크월드뉴스》, 2019-08-13
- 김양섭 기자, 〈비나텍 "860억 투자...슈퍼커패시터·MEA 생산능력 확대"〉, 《뉴스핌》, 2021-06-18
- 임상현 기자, 〈슈퍼커패시터, 어디까지 성장했나?〉, 《대학생신재생에너지기자단》, 2020-12-28
- 신종섭 기자, 〈18조 '슈퍼 커패시터' 시장 위한 국내 지원 시급하다〉, 《이넷뉴스》, 2021-02-05
- 에너지 저장장치, 〈슈퍼커패시터와 배터리〉, 《티스토리》, 2020-05-19
같이 보기[편집]
