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깨끗한 지구를 위한 신재생에너지는 오늘날 저탄소녹색성장의 핵심 키워드로 꼽히고 있습니다. 발전량이 유동적일 수 있는 신재생에너지의 특성상 어떻게 에너지를 저장하느냐는 굉장히 중요한 문제일 수밖에 없는데요.

최근 ‘슈퍼커패시터’가 기존의 리튬 이온 배터리가 가진 한계를 넘어서서 신재생에너지의 새로운 지평을 열어줄 차세대 저장 장치로 주목받고 있습니다.

슈퍼커패시터란?

커패시터(Capacitor)는 흔히 ‘축전지’라고 부르는 에너지 저장 장치로, 1745년 최초의 축전기인 라이덴병에서 출발하였습니다. 전기를 저장하는 기능 외에도 직류와 교류 중에서 교류 신호만 통과시키는 커플링, 충전과 방전을 반복해 과도 파형을 만드는 발진, 직류과 교류가 합쳐진 맥류 신호를 일정한 직류 평균 전압으로 전환하는 평활 등 다양한 용도로 쓰이고 있습니다.

그렇다면 슈퍼커패시터(Super Capacitor)는 무엇일까요? 슈퍼커패시터는 축전용량이 기존의 커패시터보다 훨씬 더 큰 커패시터를 말합니다. 다른 용어로는 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)나 초고용량 커패시터라고 불리기도 합니다.

리튬 이온 배터리 VS 슈퍼커패시터

사실 커패시터는 전기를 저장하는 용도로는 그다지 사용되지 않았습니다. 저장할 수 있는 양이 너무 적었기 때문이죠. 그래서 오늘날 전기 저장 장치는 대부분 리튬 이온 배터리가 사용되고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 리튬 이온의 전기화학적 반응을 이용해 전기를 저장하는데요. 에너지 밀도가 높으면서 자가 방전으로 인한 손실도 적다는 장점이 있습니다.

하지만 리튬 이온 배터리는 치명적인 단점이 있는데요. 바로 자칫 잘못하면 폭발할 수 있다는 것입니다. 실제로 종종 배터리 폭발로 인해 화재가 일어나는 일이 있죠. 또, 충전 시간이 오래 걸린다는 단점도 있습니다.

슈퍼커패시터는 리튬 이온 배터리와 비교했을 때 어떤 차이가 있을까요?

슈퍼커패시터는 배터리보다 전력밀도가 높고 에너지 밀도가 낮습니다. 그러므로 에너지를 저장할 수 있는 양은 더 적지만 출력은 더 높게 낼 수 있죠. 또 충전시간이 아주 짧고, 충전과 방전을 수십만 회 이상 반복해도 성능이 저하되지 않으며 내구성이 높아 더 안전합니다.

문제는 슈퍼커패시터가 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 떨어지기 때문에 같은 용량의 전기를 저장하기 위해 더 많은 부피를 차지해야 하고, 충전용량 역시 더 적다는 것입니다.

슈퍼커패시터의 3가지 종류

이처럼 슈퍼커패시터의 에너지 밀도가 낮다는 단점을 극복하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있는데요. 지금까지 크게 3가지 종류의 슈퍼커패시터가 있습니다.

1) 전기 이중층 커패시터

전기 이중층 커패시터(Electrical double layer capacitor)는 부피 대비 더 많은 전하를 저장할 수 있는 소재를 사용한 슈퍼커패시터로, 그래핀이나 CNT를 주로 활용합니다. 리튬 이온 배터리와 비교하면 5배 이상 강한 출력과 저온에서도 높은 출력밀도를 유지하며, 안정성이 우수하다는 장점이 있죠.

하지만 상대적으로 부피가 크다는 단점 때문에 주전원보다는 보조전원으로 쓰인다는 한계가 있습니다.

2) 유사 커패시터

유사 커패시터(Pseudocapacitor)는 전기적인 원리만을 사용하는 전기 이중층 커패시터와 달리 화학적 반응도 함께 응용하는 커패시터입니다. 전도성 고분자나 전이금속 산화물을 활용하는데요.

충전과 방전을 거듭할수록 고분자 소재가 변형되는 탓에 안정성과 지속성이 상대적으로 낮습니다.

3) 하이브리드 커패시터

하이브리드 커패시터(Hybrid Supercapacitor)는 슈퍼커패시터가 가진 고출력, 고속 충·방전이라는 장점과 리튬 이온 전지의 고용량이라는 장점을 합친 차세대 저장 장치입니다.

충전과 방전을 할 때는 한쪽 전극에서는 전기 이중층 반응으로 고출력을 낼 수 있고, 반대쪽 전극에서는 리튬이온의 화학적 반응이 일어나며 고용량이라는 특성이 나타납니다.

그 외에도 작동 전압이 높고, 소형화가 가능하고, 급속 충전 및 방전과 뛰어난 내구성, 고온 안정성이라는 장점 때문에 현재 크게 주목받고 있는 저장 장치죠.

아직 양쪽 극의 반응속도가 크게 차이가 난다는 문제가 있지만 꾸준한 연구로 이를 개선해나가고 있습니다.

고효율과 뛰어난 내구성에 더해 이제는 고용량까지 갖추고 있는 슈퍼커패시터! 미래에는 전기자동차나 풍력 발전의 저장장치로 슈퍼커패시터가 널리 사용되지 않을까 싶은데요. LX인터내셔널은 신재생에너지 분야에 앞장서는 친환경 기업으로서 슈퍼커패시터라는 차세대 친환경 에너지 저장 장치 기술 분야에도 관심을 기울이고 있습니다. 다가오는 미래, 깨끗한 지구를 위해서 앞으로도 끊임없는 친환경 기술 발전이 이루어지길 희망합니다!

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