슈퍼커패시터, 어디까지 성장했나?

슈퍼커패시터, 어디까지 성장했나?

대학생신재생에너지기자단 15기 김혜림 16기 임상현

 

 최근 환경 규제 및 에너지 정책에 의해 신재생에너지, 전기자동차 등이 주목받으면서 에너지 저장장치 개발의 필요성이 대두되고 있다. 현재 가장 많이 적용되고 있는 에너지 저장 장치로는 니켈수소 이차전지와 리튬이온 전지가 사용되고 있는데, 그중에서도 리튬이온 전지가 주를 이루고 있다. 리튬이온 전지는 높은 에너지 밀도와 높은 출력 용량 등의 우수한 성능을 가져 현재 대부분의 모바일 기기의 주요 전원으로 사용되고 있으며, 전기자동차 및 대용량 에너지 저장 장치용인 중대형 전지로의 시장 확대가 이뤄지고 있다.

 그러나 리튬이온 전지는 고출력 방전 시 전압 강하가 나타나고 반복사용시 수명이 짧아지므로 주기적인 교체가 필요하다. 또 최근 리튬이온 전지 폭발사고가 잇따르면서 안전성에 대한 우려가 커지며 이를 대체할 수 있는 에너지저장장치의 기술 개발이 활발히 이뤄지고 있다. 이처럼 고출력과 장수명을 필요로 하는 에너지 저장 장치의 요구가 증가하면서 리튬이온 전지의 성능을 보완하는 장치로 슈퍼커패시터가 각광받고 있다. 본 기사에서는 슈퍼커패시터 기술의 특성과 함께 시장 현황 및 트랜드와 슈퍼커패시터의 응용분야에 대해서 알아보도록 하겠다.

 

 슈퍼커패시터 기술의 특성

 슈퍼커패시터란 Super+Capacitor라는 합성어로, 울트라커패시터 또는 초고용량 커패시터라고도 불리며 전기에너지를 저장하는 커패시터의 역할을 하면서 대용량으로 전기에너지를 저장할 수 있다. 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학 반응에 의한 충전현상을 이용한다. 이에 따라 급속 방충전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용된다.

[자료1. 슈퍼커패시터 동작원리]

출처: 한국과학기술정보원

 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.

 

[자료2. 다양한 에너지 저장장치의 에너지밀도 vs 출력밀도 비교]

출처 :Stanford University

 그림에서 보면 알 수 있듯이 일반 커패시터는 에너지 밀도가 낮은 반면 높은 출력밀도를 갖고 있다. 이는 단위무게 당 생성하는 에너지는 크지만, 정해진 시간 내에 많은 양의 에너지를 낼 수 없다는 것을 의미한다. 반대로 배터리의 경우, 높은 에너지 밀도와 낮은 출력밀도를 갖는다. 배터리는 전극 활물질 내부에서 산화환원반응이 진행되므로 전기 저장용량이 커서 에너지밀도가 크지만 활물질 벌크 내부로 이온의 확산이 느리기 때문에 출력 특성은 일반 커패시터에 비해 나쁘다. 슈퍼커패시터의 경우는 어떨까? 슈퍼커패시터는 배터리나 연료전지에 비해 높은 출력을 가지며 일반 커패시터보다 에너지 밀도가 높다는 것을 알 수 있다. 슈퍼커패시터가 매우 큰 전류밀도로 충방전이 가능하기 때문에 높은 출력 특성을 보이게 되고 일반 커패시터 보다 긴 시간동안 전류를 낼 수 있음을 의미한다. 이처럼 고용량 슈퍼커패시터는 높은 출력밀도와 빠른 충·방전 속도, 그리고 무한에 가까운 충·방전 싸이클 안정성을 보여 대표적인 에너지 저장 소자로써 학계 혹은 산업계에서 많은 관심을 받고 있다. 또 물리적 흡착현상에 의해 전기에너지를 저장하기 때문에 배터리와 달리 충방전에 의한 수명 단축 문제가 없어 유지보수 측면에서 매우 유리하다.

 그러나 그림을 통해 이차전지나 배터리에 비해 에너지 밀도가 낮은 것 또한 알 수 있다. 슈퍼커패시터는 전극 표면에만 전하가 저장되므로 저장 용량이 작아 에너지 밀도가 작을 수밖에 없기 때문이다. 이처럼 배터리 및 연료전지에 비해 낮은 에너지 밀도(＜10 Wh/kg)는 슈퍼커패시터의 실용화에 있어 가장 큰 걸림돌로 지적되고 있는 부분이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 현재까지 많은 연구들이 이루어지고 있는 상황인데, 어떤식으로 기술개발이 추진되었는지 지금부터 슈퍼커패시터 기술의 개발 동향에 대해 알아보도록 하겠다.

 슈퍼커패시터의 개발 동향

 슈퍼커패시터의 가장 큰 문제점이라고 할 수 있는 ‘에너지 밀도’를 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.

 (1) 전극 소재 

 슈퍼커패시터의 에너지밀도를 높이기 위해서, 같은 부피에도 많은 전하를 저장할 수 있는 소재를 적용해야한다. 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.

 (2) 유사커패시터 소재

 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.

 (3) 전해질 개발

 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.

 (4) 하이브리드 커패시터(LIC)

 

[자료3. LIC 개념도]

출처 : KISTI

 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. 

 

 슈퍼커패시터의 적용처

 초기의 커패시터는 주로 작은 정전용량과 한정된 응용분야를 가지면서 소규모의 제한된 크기로 생산되었다. 주된 응용 분야는 시계, 완구, 메모리 백업 및 PC 메인보드 등에 사용되었다. 이후 고출력을 필요로 하는 기기의 등장으로 슈퍼커패시터의 응용분야가 확장되면서 에너지 분야, 수송 분야, 소비 가전분야에 걸쳐 그 응용이 급속히 확대되고 있다.

(1) 에너지 분야

 친환경 에너지원을 이용하여 에너지 효율을 최적화하고자 하는 차세대 전력 망인 스마트 그리드 시스템 및 신재생 에너지의 확대에 따른 균일한 전력 제공의 필요성이 증대되고 있다. 이를  위해 거대 규모의 에너지 저장원이 필요하고 기존의 이차전지가 가지고 있는 특성으로는 이 분야의 역할을 수행하기에는 가격 및 용량면에서 한계를 지니고 있다. 그러나 슈퍼커패시터는 빠른 응답시간, 고에너지효율, 높은 출력밀도와 장수명의 특징을 가져 신재생 에너지 발전 및 스마트 그리드 분야에 가장 적합한 저장 장치로 기대되고 있다. 신재생 에너지는 시간대별로 생산할 수 있는 전력량이 일정치 않기 때문에 그리드(Grid)의 전력 품질 저하를 가져올 수 있으므로 부하평준화(Load leveling) 장치가 필요하다. 바로 부하평준화 장치로 슈퍼 커패시터가 적합하며, 고품질 전력저장장치 외에 회생제동/가속용 전원 적용 등의 에너지 효율향상과 풍력발전기의 블레이드 피치 컨트롤 등과 관련된 신규 시장에서의 성장은 괄목할만하다. 

 (2) 수송분야

수송 분야에서 슈퍼커패시터의 응용은 소형자동차에서부터 트럭, 버스와 같은 중형 수송 분야 응용에 이르기까지 다양하게 제안되고있다. 낮은 에너지가 필요한 곳부터 엔진시동과 같이 고출력이 필요한 부문까지 다양하고, 기존의 내연기관 또는 연료전지 등과의 하이브리드 시스템 구성도 제안되고 있다. 이때 슈퍼커패시터는 단독으로 또는 앞서 설명한 LIC와 같은 하이브리드 커패시터를 사용할 수 있다. 이렇게 슈퍼커패시터를 적용하면 차량의 출력 및 동력계통의 효율 향상이 가능하고 전지의 수명을 연장할 수 있다.

 특히 전기자동차 및 하이브리드카에서 슈퍼커패시터는 (i) 감속과 제동 시 에너지의 회수, (ii) 전지에서 감당하는 피크 수요의 분산, (iii) 연료 전지와 같은 전기발전기의 비용 절감 등 많은 기능을 수행하면서 유용하게 적용될 수 있다.

 (3) 가전제품 분야

 가전제품 분야에서는 스마트폰 중심으로 시장이 성장할 것으로 전망되며 전력 품질 향상이 탁월하기 때문에 TV나 복사기 등 순간응답형 디바이스 보조 전원으로 적용되고 있다. 최근 스마트폰용의 초소형 칩 타입의 제품이 개발되어 시장에서 활발히 수요가 증가되고 있으며, 그중에서도 칩 타입은 기존 코인타입에 비해 더욱 슬림해지고 생산방식 또한 간소화되어 휴대전화 등의 소형가전 메모리 백업용 전원으로서 기대된다. 

 특히 4차 산업혁명과 IoT 세계가 눈앞에 다가오면서 더욱더 다양한 전자 회로와 전원 공급 제품들이 우리의 삶에 다양하게 적용될 것으로 예상된다. 외부의 충격 등 사용 환경에 따라 디바이스의 전원이 불안정할 수 있는 상황 또한 발생할 것이다. 예로 휴대전화를 떨어트려 전원이 차단되는 등의 상황에서 슈퍼커패시터는 메모리 백업을 위한 비상 전원으로서 작동할 수 있을 것이다.

 

결론

 슈퍼커패시터가 에너지저장장치로서 완전히 자리 잡기 위해서는 그 무엇보다 성능 개선과 활용처 확대가 우선시된다. 성능 개선을 위한 연구는 진행되고 있으나 활용처 확대는 연구실이 아닌 기업들의 아이디어와 시도를 통해 이뤄진다. 전원을 필요로 하는 기술에 대한 폭넓은 관심과 창의적인 아이디어를 통해 새로운 가치를 창출하고 시장을 확대할 수 있도록 에너지 저장장치 기술에 대한 접근성이 더 높아질 필요가 있다.

 그러나 아직은 해외와 우리나라의 슈퍼커패시터에 대한 관심도 온도 차가 심하다. 일본의 경우, 우수한 소재 기술을 기반으로 이미 정부 주도하에 슈퍼커패시터 제품을 포함한 LIC 산업화에 집중하기 시작하였고, 어느 정도 상업화 단계에 근접해 있다. 이에 반해 우리나라의 경우는 여전히 시작 단계로 연구소 및 대학교 중심으로 나노 소재 분야의 장점과 기술혁신을 도모하고 있지만 그 신규성으로 인해 전극재료, 전극구조, 전해질 등 각 요소 기술의 최적화가 정립되지 않은 상황이다. 이는 슈퍼커패시터 관련 대부분의 소재 기술이 일본 등 주요 선진국에 종속되어 있어 경쟁력이 매우 취약하다는 점을 시사한다.

 따라서 정부 차원에서 통합적이고 체계적인 지원과 나노 소재 응용 기술개발을 통해 성능 혁신을 도모하는 것이 중요하다. 슈퍼커패시터 산업의 확대된 수요를 확보하기 위해서는 에너지 밀도의 향상 등 기술적 과제 해결과 제조원가의 절감이 요구된다. 앞으로 투자가 진행되어야 할 연구 방향은 다음과 같다.

 1) 2차전지와 동등한 수준의 에너지 밀도, 2) 고효율 충전과 대용량 방전, 3) 하이브리드버스(24~100V), 전력저장전압(550V 정도)와 같은 고효율, 고전압화 기술 등이 있다.

 이를 극복하기 위해 

 1) 전기화학적으로 안정된 고용량 활물질 개발, 2) 대용량 분극성 전극, 3) 고도전율 전해액, 4) 고정밀 전극 배치 기술, 5) 신규 봉지 재료, 6) 고정밀 모듈 제조기술 등에 투자해야한다.

 신재생에너지의 보급으로 인해 ESS의 중요성은 점차 커지고 있고, 주파수 변동 폭을 보완하는 역할은 출력 특성이 좋은 슈퍼커패시터가 배터리보다 적합한 기능을 가지고 있다. 또한, 4차 산업혁명으로 발전할 IoT 세계에서 발현될 다양한 전원 적용처에서도 활용될 무궁무진한 가능성도 잠재되어 있다. 앞으로 이 가능성을 꽃피울 연구와 개발에 지속적인 투자가 이루어지길 바란다.

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참고문헌

[슈퍼커패시터의 기술 특성]

1) 전환수, 유인규, “Electronics and Telecommunications Trends”,슈퍼커패시터의 시장 및 기술개발 동향, ETRI, pp. 186-194, Oct 2014

2) 박종천, "[그래핀 소재 슈퍼커패시터 기술 및 동향]", HelloT, 2015.05.28, http://m.hellot.net/news/news_detail?code=203&idx=23387&public_date=2015-05

[슈퍼커패시터의 개발 동향]

1) 김성곤, “고분자 전해질을 활용한 슈퍼커패시터 개발”, NICE, 2018

2) 김기일, “고용량 하이브리드 슈퍼커패시터-LIC”, KISTI MARKET REPORT, 2014 

3) 박종천, "[그래핀 소재 슈퍼커패시터 기술 및 동향]", HelloT, 2015.05.28, http://m.hellot.net/news/news_detail?code=203&idx=23387&public_date=2015-05

[슈퍼커패시터의 적용처]

1) 유철휘, “새로운 응용분야를 위한 슈퍼커패시터의 기술적 요구”, 한민족과학기술자네트워크(KOSEN)

[결론]

1) 한국환경산업기술원, “에너지저장장치 슈퍼커패시터 기술개발 동향”, 2016.11.28