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1. 슈퍼 커패시터 원리는?
슈퍼 커패시터는 축전 용량이 상당히 큰 커패시터로, 울트라 커패시터 또는 초고용량 커패시터로도 불립니다.
일반 배터리와는 달리 화학 반응을 이용하지 않고 전극과 전해질 사이의 간단한 이온 이동이나 표면화학 반응을 통해 충전됩니다.
이러한 슈퍼 커패시터 원리로 인해 급속 충전이 가능하며, 높은 충전 및 방전 효율을 제공하면서 반영구적인 사이클 수명을 가지고 있어서 보조 배터리나 배터리 대체 용도로 널리 사용됩니다.
1995년에 일본, 러시아, 미국 등에서 상용화가 시작되어 소형부터 대형까지 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
특히 최근에는 신재생 에너지의 증가와 함께 주요 에너지 저장 장치로 주목받고 있습니다.
신재생 에너지 발전 시스템에서는 에너지원이나 부하의 변동에 민감하게 반응하여 전력품질의 저하를 초래할 수 있습니다.
그러나 슈퍼 커패시터는 전력밀도가 높고, 충·방전 속도가 빠르며, 충·방전 사이클 수명이 50만 사이클 이상으로 매우 긴 특성을 갖고 있어서 이러한 문제를 해결하는데 도움이 됩니다.
전력밀도(Power density)는 슈퍼 커패시터 원리의 중요한 특성 중 하나입니다.
이 커패시터는 높은 전력밀도를 가지고 있어 한 번에 많은 전력을 출력할 수 있습니다.
그러나 반면에 에너지밀도(Energy density)는 비교적 낮습니다.
이는 커패시터의 특성상 충전 및 방전 시간이 매우 빠르기 때문에 실제로 저장되는 에너지의 양이 적다는 것을 의미합니다.
리튬이온 배터리는 일반적으로 에너지 밀도가 높은데, 이는 화학적 반응을 통해 전력을 충전하고 방전하는 방식을 채택하고 있기 때문입니다.
배터리는 전력밀도는 비교적 낮을 수 있지만, 화학적 반응에 의해 천천히 충전 및 방전되므로 상대적으로 많은 양의 에너지를 저장할 수 있습니다.
슈퍼 커패시터는 이러한 배터리와 일반 커패시터의 중간에 위치하고 있습니다.
즉, 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는 동시에 배터리보다 훨씬 높은 출력을 제공할 수 있는 장점을 가지고 있습니다.
이는 슈퍼 커패시터가 전력과 에너지의 중간 지점에 위치하여 다양한 응용 분야에서 활용되고 있음을 의미합니다.
슈퍼 커패시터 원리로 전력 시스템의 안정성을 향상시키고 전력의 효율을 높이는 데 기여합니다.
전력의 품질을 유지하면서 에너지 효율을 개선하여 신재생 에너지 발전에 대한 신뢰도를 높이는 데 큰 역할을 합니다.
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2. 슈퍼 커패시터 원리 및 구조
2-1) 원리
슈퍼 커패시터는 전기를 저장하는 장치로서, 일반적인 배터리와는 다르게 화학적인 반응 없이 전기를 충전하고 방전합니다.
그 동작 원리는 간단하지만 효과적입니다.
슈퍼 커패시터는 활성탄을 사용하여 전하의 물리적 흡착과 탈착을 통해 에너지를 충전하거나 방전하는 원리를 기반으로 합니다.
이는 순간적으로 많은 에너지를 저장한 후 높은 전류를 순간적 혹은 연속적으로 공급하는 고출력 동력원으로 사용됩니다.
이러한 과정에서 활성탄소를 사용한 전극재료는 비약적인 용량증가를 가져오게 됩니다.
슈퍼 커패시터 원리의 핵심은 전극이라 불리는 두 개의 전기적으로 대립되는 극입니다.
이들 전극은 전기를 저장하고 방출하는 역할을 합니다.
전극은 일반적으로 매우 다공성인 물질로 만들어져 있어서 많은 수의 전하를 저장할 수 있습니다.
전극 사이에는 전해질이라고 불리는 전도성 액체가 채워져 있습니다.
이 전해질은 이온이라 불리는 전하를 가진 입자들을 운반할 수 있는 능력을 가지고 있습니다.
슈퍼 커패시터를 충전할 때, 외부 전원원이 전극 사이에 전하를 푸시합니다.
이 때, 이온들이 전해질을 통해 한 전극에서 다른 전극으로 이동합니다. 이렇게 되면 전기가 축적되고 저장됩니다.
반대로, 슈퍼 커패시터를 방전할 때, 전하가 전극을 통해 외부 회로로 이동합니다.
이때 저장된 전기가 외부 장치에 공급됩니다.
이러한 과정은 화학적 반응 없이 순수한 물리적 프로세스로 이루어지기 때문에 이런 슈퍼 커패시터 원리로 인해 매우 빠르게 충전 및 방전될 수 있습니다.
또한, 많은 수의 충·방전 사이클이 가능하며, 이는 슈퍼 커패시터가 긴 수명을 가지고 있다는 것을 의미합니다.
2-2) 구조
슈퍼 커패시터의 기본 구조는 양극과 음극으로 구성된 다공성 전극, 전해질, 전류 수집체, 그리고 분리막 또는 격리막으로 이루어져 있습니다.
전극의 양단에 수십 볼트의 전압을 가하면 전해액 내의 이온들이 전기장을 따라 이동하여 전극 표면에 흡착되어 전기화학적 메커니즘을 작동시킵니다.
전기 이중층 현상은 활성 다공성 탄소 분말(고체)과 전해질, 희석된 황산 용액(액체) 사이의 경계 표면에 나타납니다.
분리막(다공성[porous] 유기 필름)은 양극과 음극(활성 탄소 분말) 간의 단락을 방지하는 구조를 가지고 있습니다.
이것은 이온들이 전해질(희석된 황산 용액) 내에서 통과할 수 있도록 합니다.
전기 이중층 현상은 활성 다공성 탄소 분말(고체)과 전해질, 희석된 황산 용액(액체) 사이의 경계 표면에 나타납니다.
분리막(다공성 유기 필름)은 양극과 음극(활성 탄소 분말) 간의 단락을 방지하는 구조를 가지고 있습니다.
이것은 이온들이 전해질(희석된 황산 용액) 내에서 통과할 수 있도록 합니다.
또한, 양극과 음극(활성 탄소 분말) 뒤에 전기 전도성 전류 수집 전극을 배치하여 이 커패시터 베이스 셀에 전압을 가할 수 있습니다.
또한, 전해질을 밀봉하고 전도성 물질을 격리하기 위해 전극 측면에 밀봉 고무(주로 부틸 고무)를 제공합니다.
커패시터 베이스 셀 내부에 밀봉될 전해질의 양은 활성 탄소 내부의 기공과 다공성 유기 필름을 함침하기 위한 최소량입니다.
커패시터 베이스 셀의 고장 전압은 전해질의 전해분해 전압에 따라 결정됩니다.
전해분해 전압은 희석된 황산 용액의 수분 함량에 따라 달라지며, 대략 1.2V입니다.
최대 작동 전압이 5.5V인 경우 고장 전압을 설계하기 위해서는 커패시터 베이스 셀을 5장 이상을 직렬로 연결해야 합니다
패키지 내부에 압력을 가하여 커패시터 베이스 셀, 활성 탄소 분말 입자 및 전기 전도성 전류 수집 전극 간의 전기 연결을 안정화합니다.
3. 슈퍼 커패시터 구조에 따른 종류
슈퍼 커패시터 원리는 전해질 내의 이온이 전극 표면에 흡착하고 탈착되거나 표면화학적 반응을 통해 충전 및 방전되는 과정을 통해 동작합니다.
이러한 이온의 흡착 및 탈착에 의해 발생하는 슈퍼 커패시터는 전기 이중층 커패시터 (EDLC: Electrical Double Layer Capacitor)로 알려져 있습니다.
반면에 표면화학적 반응을 포함한 슈퍼 커패시터는 유사 커패시터(Pseudocapacitor)로 분류됩니다.
또한, 이러한 특성들을 조합하여 비대칭 전극을 사용하는 하이브리드 슈퍼 커패시터(Hybrid Supercapacitor)도 존재합니다.
3-1) 전기 이중층 커패시터(Electrical double layer capacitor)
전극과 전해질 사이의 계면에서 형성되는 전기 이중층은 두 개의 분극성 전극으로 이루어져 있습니다.
충전 및 방전 과정은 전극-용액 계면에 전하가 배열되는 방식으로 진행됩니다.
전기 이중층 커패시터는 대칭적인 활성탄 전극, 분리막, 전해액으로 구성되어 있으며, 충전 시에는 전해액 내의 전해질 이온이 전극 표면에 정전기적으로 흡착되어 전극과 전해액 계면에 전하를 축적합니다.
반면에 방전 시에는 이온이 전해액으로 확산됩니다.
전기 이중층 커패시터는 화학적인 반응이 없으며, 충전 및 방전 시 흡열 반응이 발생하지 않으므로 일반적인 이차전지와는 동작 원리가 다릅니다.
이러한 특성으로 전기 이중층 커패시터는 5배 이상 높은 출력 파워와 장수명을 제공하며 저온 환경에서도 높은 출력밀도를 유지할 수 있어 안정성이 우수합니다.
초기에는 휴대용 통신기기 및 가전제품의 메모리 백업용으로 사용되었으며, 현재는 군사용, 의료용, 하이브리드 전기자동차(HEV) 및 신재생 에너지 보조전원 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
그러나 전기 이중층 커패시터는 전극 표면에만 전하가 축적되기 때문에 용량이 2차 전지보다 적고, 상대적으로 체적이 크기 때문에 고에너지 밀도가 요구되는 분야에서는 단독으로 사용되기 어렵습니다.
이를 극복하기 위해 보조 전원으로 사용되기도 하지만, 단점으로 용량이 제한되는 한계가 있습니다.
3-2) 유사 커패시터(Pseudocapacitor)
유사 커패시터, 일반적으로 Pseudo 커패시터로 불리며, 전기 이중층 커패시터와는 달리 정전기적인 이온의 흡착과 탈착뿐만 아니라 전기화학적인 산화환원 반응을 포함한 커패시터입니다.
이러한 커패시터는 기존의 정전기적 대전을 사용하는 커패시터와는 다르게 전해질 속의 양성자(H+)가 전극 표면에서 전기화학적 반응을 통해 전력 전하 이동을 유도하여 충전 및 방전이 발생합니다.
이는 기존의 커패시터와 배터리 사이의 에너지 저장 방식과 유사하지만, 충·방전 특성 자체는 커패시터와 유사하며, 전기 이중층 커패시터의 한 종류로 분류됩니다.
유사 커패시터의 구조는 산화전극의 한 면에 음전하를 대전시키면 전해질 속의 양성자가 전극에 흡착되어 전기화학적인 산화환원 반응을 일으킵니다.
이 과정에서 산화된 상태에서 충전된 전압을 제거하여 방전시키면 양성자가 전해질로, 전자가 Current Collector로 방출되는 반응이 일어납니다.
이로써 유사 커패시터는 전기 이중층 커패시터보다 더 많은 전자를 산화환원 반응을 통해 저장할 수 있어 커패시턴스가 증가하게 됩니다.
이러한 특성으로 인해 유사 커패시터의 커패시턴스는 같은 면적 대비 전기 이중층 커패시터보다 100배 이상 증가할 수 있습니다.
전도성 고분자를 포함한 전극은 금속 산화물에 비해 산화환원 빈도가 낮아 충·방전 횟수의 증가에 따른 안정성 저하 등의 문제점이 지적되고 있습니다.
그러나 이러한 유사 커패시터는 유연한 특성을 가질 수 있어 유연전자소자 분야에서 활용되고 있습니다.
그러나 유사 커패시터의 물질 자체만으로는 소자의 커패시턴스를 향상시키기 어려우며, 이를 극복하기 위해 전기 이중층 커패시터의 전극 활물질로 사용되는 탄소 기반 물질에 전도성 고분자나 금속 산화물을 적층하거나 성장시켜 함께 사용됩니다.
3-3) 하이브리드 커패시터(Hybrid Supercapacitor)
하이브리드 커패시터는 양극과 음극에 서로 다른 비대칭 전극을 사용하여 제작됩니다.
한 쪽 극은 고용량 특성의 전극재료를 사용하고, 반대편 극은 고출력 특성의 전극재료를 사용하여 용량 특성을 개선합니다.
아래 그림은 하이브리드 커패시터의 개념을 나타내는데, 커패시터의 용량은 1/C = (1/C+) + (1/C-)로 주어지며, C-에서 C+로 전하가 이동하므로 전체 용량은 C+에 의해 결정됩니다.
저전압-고용량 하이브리드 커패시터에서는 양극 소재로 주로 큰 용량을 가진 금속산화물을 사용하여 단위 중량 당 에너지밀도를 높일 수 있습니다.
이 커패시터는 슈퍼 커패시터와 이차전지의 중간적인 특성을 가지며, 수용성에서는 약 2V, 유기성에서는 약 4V의 작동전압을 가집니다.
고전압-저용량형 하이브리드 커패시터에서는 양극에는 유전체를 사용하여 작동전압을 결정하고, 음극은 더 큰 용량을 가진 전극을 사용하여 전통적인 커패시터와 슈퍼 커패시터의 중간 특성을 나타냅니다.
일반적으로 슈퍼 커패시터 원리로 인해 동작 전압은 전해질에 따라 결정되지만, 하이브리드 커패시터에서는 양극의 내전압이 하이브리드 커패시터의 동작 전압이 되므로 고 전압화가 가능한 장점이 있습니다.
4. 슈퍼 커패시터 종류의 장.단점 비교
5. 슈퍼 커패시터 개발 기술 동향
5-1) 슈퍼 커패시터의 개발 기술 동향
- 고용량 및 고 에너지 밀도: 연구 및 개발 노력은 슈퍼 커패시터 원리를 이용하여 용량과 에너지 밀도를 높이는 데 집중되고 있습니다.
새로운 전극 및 전해질 재료의 개발을 통해 더 높은 에너지 저장 및 전력 공급 능력을 갖춘 슈퍼 커패시터가 개발되고 있습니다. - 충전 및 방전 속도 향상: 슈퍼 커패시터 원리 중 충전 및 방전 속도를 향상시키는 기술도 중요한 연구 주제 중 하나입니다.
빠른 충전 및 방전은 특히 교통수단 및 장거리 통신 시스템과 같은 분야에서 중요하며, 이를 위한 새로운 소자 및 시스템 설계가 연구되고 있습니다. - 내구성 및 안정성 향상: 슈퍼 커패시터의 내구성과 안정성을 향상시키는 기술도 연구되고 있습니다.
장기간 안정된 성능을 유지하고 주기적인 충전 및 방전에 대한 신뢰성을 향상시키는 방법에 대한 연구가 진행되고 있습니다. - 신소재 및 제조 공정: 새로운 소재 및 제조 공정의 개발도 슈퍼 커패시터 기술의 주요 동향입니다.
나노구조 소재, 그래핀, 탄소 나노튜브 등의 신소재가 도입되면서 슈퍼 커패시터 원리로 인해 성능이 향상되고 있습니다.
또한, 신속하고 효율적인 제조 공정의 개발은 대량 생산 및 비용 절감에 중요한 역할을 합니다. - 응용 분야의 확대: 슈퍼 커패시터 원리를 이용한 응용 분야는 점차 확대되고 있습니다.
전기 자동차, 재생 에너지 시스템, 스마트 그리드 및 가전 제품과 같은 다양한 분야에서 슈퍼 커패시터의 사용이 증가하고 있습니다.
이에 따라 다양한 환경 조건과 요구 사항에 맞춰진 슈퍼 커패시터의 개발이 필요합니다.
이러한 동향들은 슈퍼 커패시터 원리를 이용한 기술의 지속적인 발전과 새로운 응용 가능성을 열어줄 것으로 기대됩니다.
5-2) 슈퍼 커패시터의 응용 분야
