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.

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 맥스웰을 인수했으며, 맥스웰도 현재 국내외 자동차 제조업체들과 협업하고 있어 향후 친환경차를 위한 기술로 더욱 기대되는 상황이다.

국내에서는 비나텍이 슈퍼커패시터를 생산하고 있다. 비나텍의 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.

개요

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

배터리와 슈퍼캐패시터 모두 전기화학적인 반응(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.

이온의 흡·탈착에 의한 슈퍼커패시터를 전기 이중층 커패시터(EDLC : Electrical Double Layer Capacitor)이라고하며 표면화학반응을 수반한 슈퍼커패시터는 유사 커패시터(Pseudocapacitor)이라고 한다. 또한 이들의 특성을 비대칭 전극을 사용하여 적당히 혼합한 하이브리드 슈퍼커패시터(hybrid supercapacitor)가 있다.

슈퍼커패시터와 배터리

 

중요한 차이점

슈퍼커패시터와 배터리 차이점

 

참고자료

• 〈울트라커패시터〉, 《나무위키》
• "Supercapacitor", Wikipedia,

같이 보기

• 커패시터
• 배터리

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