KOSEN Report 34
슈퍼커패시터는 울트라커패시터 또는 전기화학커패시터로 불리기도 하는데 고출력, 고용량 및 장수명의 특징을 가지고 있다. 최근에는 소형 전자기기에서 산업기기, 전력시스템, 전기자동차, 하이브리드카 및 스마트 그리드 분야로 그 응용분야를 넓혀가고 있다. 본고에서는 슈퍼커패시터 개발에 대한 간략한 역사와 관련 기술의 진화에 대해 기술하였다. 또한 슈퍼커패시터를 대칭, 비대칭 및 하이브리드 타입으로 분류하였고, 혼란스럽게 사용되고 있는 용어와 정의를 정리하면서 슈퍼커패시터의 기본 특성을 기술하였다. 이외 슈퍼커패시터의 고출력 특징으로 새로운 적용이 가능한 분야와 향후 시장전망을 분석하고자 하였다.
글: 유철휘 (호서대학교 그린에너지학과)
자료제공: 한민족과학기술자네트워크(KOSEN)
www.kosen21.org
서론전력생산에서 최종 사용에 이르는 모든 분야에서 에너지 시스템의 성능과 지속성을 개선하는 것이 필요하게 되었다. 현재 소형 전자기기, 전기자동차, 하이브리드카 및 안정된 전력품질을 보유한 발전소, 배전망 및 신재생 에너지의 대규모 도입은 매우 다양한 특성을 보유한 에너지 저장시스템을 필요로 하고 있다. 응용분야의 광범위한 확장에 따라 기술적, 경제적으로 모든 것을 만족하는 이상적인 에너지 저장장치 또는 방법은 없는 상태이다.
전기화학적 전지, 초전도 에너지 저장장치 및 양수발전, 플라이휠, 압축공기 저장 및 수소저장 등이 해결방법으로 현재 경쟁적으로 제안되고 있다. 이 중 슈퍼커패시터는 울트라커패시터 또는 전기화학커패시터라 불리기도 하고 고출력에 대용량이며, 성능감소 없이 장시간 사용 가능하다는 특징이 있다.
초기에는 메모리 백업용 및 엔진의 냉간 시동 등의 소형분야에 응용되었으나 현재는 높은 출력이 필요한 전기 자동차, 하이브리드카, 전력품질 시스템 및 스마트 그리드 등에 그 응용이 제안되고 있다. 1960년 중반 처음 개발된 이후 슈퍼커패시터는 고출력과 장수명을 필요로 하는 에너지 저장 장치의 요구가 증가함에 따라 최근 각광을 받고 있다.
슈퍼커패시터 분야에서는 새로운 재료의 발전과 관련기술이 급속히 성장하면서 용어와 정의가 혼란스럽게 사용되었고 결과적으로 관련분야를 설명하는 데 어려움을 겪게 되었다. 또한 여러 가지 형태의 슈퍼커패시터가 출현 하였고 새로운 응용분야의 확장으로 인해 관련 분야의 적절한 정의와 성능측정을 필요로 하게 되었다.
슈퍼커패시터에 대한 기본 파라미터는 등가전기회로 모델에 기초하여 이미 잘 알려져 있는 상황이지만 다양한 슈커패시터의 등장으로 인해 실제 거동에는 많은 차이가 발생하고 있다. 슈퍼커패시터는 단독으로 또는 전지와 같은 다른 에너지원과 조합을 이루어 사용이 가능하다.
본 분석의 첫 번째 파트에서는 슈퍼커패시터의 간략한 개발 히스토리를 제품의 기술개발과 연관 지어 기술하였다. 두 번째 파트에서는 주목 할 만 한 연구 성과를 기반으로 현존하는 슈퍼커패시터를 분류하였다. 세 번째 파트에서는 측정방법의 순서와 정의 및 기본 파라미터를 기술하였으며, 네 번째 파트에서는 전기자동차 분야와 같이 최근 가장 주목 받는 응용분야에서의 기술적인 요구사항을 작성하였다. 마지막으로 다섯 번째 파트에서는 여러 기업과 기관에서 긍정적인 시각으로 보고 있는 시장전망에 대해 언급한다.
역사적 배경슈퍼커패시터 기술의 시작은 1853년 Helmoltz에 의해서이며, 그는 전하가 도체의 표면뿐만 아니라 전극과 전해질 사이의 '더블 레이어' 에도 저장이 된다는 것을 최초로 인식하였다. 그 이후 거의 한 세기 이상 지나서 GE와 Sohio에서 신제품이 연구되었고, 특허가 출원되었다. 연구 초기에는 연료전지와 전지에 사용되는 탄소전극에 대한 연구를 진행하면서 획득한 부수적인 성과였다.
실제로 전극-전해질 계면에서 5 ~ 50 uFcm-2 가량 발생하는 '더블 레이어' 정전용량은 1,500 m2g-1에 이르는 활성탄의 높은 비표면적에 의해 현저하게 개선되었다. 결과적으로 10~20ml의 부피를 가진 셀에서 수 패럿의 정전용량이 실현되었는데, 이는 기존 커패시터 대비 106 가량 용량이 증가한 것이다.
1970년대에는 약 10년 간 여러 회사(Sohio, Coring Glass 및 NEC)에서 상업화 제품을 생산하기 위해 많은 노력을 기울였다. 마침내 1979년 NEC에서 '슈퍼캡'이라는 제품명의 탄소전극을 이용한 슈퍼커패시터를 시장에 출시하였다. 그 이후 슈퍼커패시터 시장이 성장하면서 일본계 회사들에 의해 기술이 주도적으로 발전하게 되었다. 이와 동시에 슈퍼커패시터의 성능 개선을 위해 탄소를 소재로 한 연구개발이 이루어졌다. 주된 연구는 전해질의 낮은 분해전압과 정전기 방식의 낮은 정전용량을 개선하기 위한 것이었다.
1980년대 초반에 기술적으로는 슈퍼커패시터와 동일하지만 동작원리는 다른 유사커패시터에 대한 연구가 시작되었다. 유사커패시터에서 전하는 부분적으로 '더블 레이어'에 저장이 되고 나머지는 전극과 전해질의 패러데이 반응의 결과로 저장되는데, 이는 기존의 커패시터보다 전지에 가까운 형태이다. 전극은 전이금속산화물(iridium oxide, ruthenium oxide & nickel oxide etc.)을 사용한다.
1970년대에는 고체전해질(sodium silver iodide)을 사용한 새로운 커패시터 또한 출시되었다. Gould Ionics사에 의해 은과 탄소를 각각 anode와 cathode로 사용하였는데, 이때 대부분의 전하는 cathode와 전해질 사이에 저장되었다. 고체전해질 커패시터는 0.6 V 가량의 낮은 분해전압과 높은 가격으로 인해 시장에서 빠른 속도로 사라졌다.
최근 20년 간 고전압에 견딜 수 있는 전해질의 도입, 활성탄 물성의 개선, 새로운 구성 및 고출력 커패시터에 대한 시장의 요구 등으로 인해 슈퍼커패시터의 품목이 비약적으로 증가하였다.
그림 1에 소재 및 설계를 기반으로 한 커패시터 분야의 발전 이정표를 나타내었다.일반적인 분류
슈퍼커패시터의 기본적인 동작원리는 기존의 정전기 및 전해 방식의 커패시터와 동일하면서도 서로 다른 기술이 도입되어 있다. 슈퍼커패시터는 기존 정전기식 커패시터 대비 100배, 전해식 커패시터 대비 10배 이상의 정전용량을 가지고 있다. 슈퍼커패시터는 과학적, 기술적인 면에서 기존 커패시터에서 전지 쪽으로 진화하고 있으나 근본적인 차이점이 있다. 가장 큰 차이로 전지는 화학반응에 의해 에너지를 저장하지만 슈퍼커패시터는 정전기적인 인력에 의해 에너지를 저장한다는 점이다.
그러나 최근의 슈퍼커패시터는 기존 커패시터와 전지 모두의 성능과 특성을 사용하려고 하고 있어 그 둘 간의 차이가 분명한 것은 아니다. 슈퍼커패시터의 급속한 발전으로 인해 제품의 분류가 어려워졌으며, 국제적으로 공인된 명명을 하는 데도 문제가 발생하였다. 서로 다른 정의와 용어는 슈퍼커패시터의 분류에 여러 해 동안 사용되어 왔다. 초기에 슈퍼커패시터는 전기화학커패시터를 기존의 정전기식 또는 전해식 커패시터와 구별하기 위해 사용되었으나 현재는 여러 기업에서 상업적인 이유로 채택이 되고 있다.
최근 20년 간 개발된 슈퍼커패시터는 소재로 사용하는 전해질(유기계, 수계, 이온성 액체 및 고체)과 전극(활성탄, 전도성 고분자, 세라믹 산화물 등)의 종류 및 설계에 따라 분류가 가능하다. 슈퍼커패시터 분야의 용어에서 모호한 표현의 사례는 EDLC의 사용으로 대표할 수 있는데, 초기에는 탄소전극을 사용한 슈퍼커패시터를 설명하기 위해 사용되었다. EDLC는 전극과 전해질 사이의 이중층에 전하가 배열되어 아주 빠른 충방전 특성을 보인다.
사실 EDLC라는 약어는 두 종류의 정의로 쓰이곤 했다. (i) electric double layer capacitor, (ii) electrochemical double layer capacitor. 전자는 슈퍼커패시터의 동작을 정확히 표현하는 반면에 후자는 패러데이 반응에 기초한 유사정전용량의 개념과 더불어 혼란을 초래한다. 이러한 혼란스러운 용어 사용이 과학적 기술적 문헌에 현재도 사용되고 있으며 국제적 규정에도 적용되고 있다. 다양한 슈퍼커패시터의 분류를 명확하게 하기 위해 분류체계를 제의한다. 현존하거나 개발 중인 슈퍼커패시터는 설계, 전극 및 동작원리의 차이에 의해 아래의 세 카테고리로 분류할 수 있다.
1. 대칭 커패시터 2. 비대칭 커패시터3. 하이브리드 커패시터 그림 2에 세 가지 가능한 카테고리를 분류해 두었다.
대칭 슈퍼커패시터
대칭 슈퍼커패시터는 기본적으로 EDLC, 즉 전기이중충에 기초하고 있다. 대칭이라는 용어는 동일한 소재(EDLC에서 활성탄의 사용) 의 사용 및 동일한 질량의 전극을 사용하는 것을 특징으로 설계했다는 의미이다. 주요한 전하저장은 물리적, 화학적 또는 물리화학적으로 가능하며, 양쪽 전극이 정확히 동일하다. 대칭 슈퍼커패시터에는 EDLC 타입과 유사커패시터 타입의 두 가지가 있다.
전기이중층 커패시터
전극과 전해질의 계면에 전하는 단순히 물리적으로 저장된다. 전기이중층 커패시터는 충방전 시에, 화학반응이 수반되지 않기 때문에 소재의 변화가 없으며, 이에 따라 가역성이 우수하고 장수명의 특징이 있다. 전기이중층 커패시터는 기존 커패시터 대비 정전용량이 크고 내부저항 낮은 성능의 개선이 가능했는데, 이는 큰 비표면적을 가진 활성탄을 사용한 것과 전극간 거리를 가깝게 함으로써 가능하게 되었다.
이외 전기이중층, 비패러데이 반응을 기초로 한 탄소소재 또는 대체소재의 사용이 가능하며 여러 가지 종류의 전해질 사용이 가능하다는 특징이 있다.
유사커패시터
대칭 슈퍼커패시터의 두 번째는 타입은 유사커패시터이다. 유사커패시터는 에너지, 즉 전기적인 전하를 저장하는데 전극으로 EDLC와는 다른 활성물질을 사용한다. 전극과 전해질 사이의 이중층에 저장되는 전하는 일부분이고, electrosorption, redox reaction 및 intercalation 등 패러데이 반응에 의해 많은 전하가 저장되는데, EDLC 대비 두 배 이상 에너지밀도를 높일 수 있다.
유사커패시터에는 iridium oxide, ruthenium oxide, nickel oxide 및 이들의 혼합물 등 세라믹 재료를 이용할 수 있으며, 최근에는 전도성 고분자 또는 vanadium oxide 및 manganese dioxides등의 금속산화물을 이용하는 연구가 진행되고 있다.
그러나 금속산화물의 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있으며, 도핑 된 전도성 고분자의 사용은 경제적인 면에서 장점을 가질 수 있으나 높은 에너지밀도를 가지고 있는 유사커패시터의 사이클 수명에 제한을 가져올 수 있다는 단점이 있다.
비대칭 슈퍼커패시터
비대칭 슈퍼커패시터는 논쟁의 여지가 많은 범주에 속한다. 지난 20년 간 진행된 슈퍼커패시터 발전의 결과로서 비대칭형의 구성에 대해 서로 다른 시각이 있다.
2002년도에 새로운 커패시터를 어떻게 분류할 것인가에 대해 처음 이슈가 제기되었는데, 비대칭 슈퍼커패시터는 한쪽 전극에서 redox reaction이 일어나고 다른 전극에서는 정전기적인 충방전이 일어나는 특징이 있다고 분류한 사례도 있다. 같은 시기에 하이브리드라는 용어가 사용되고, 또한 슈퍼커패시터의 설계와 소재가 광범위하게 늘어나면서 '비대칭'과 '하이브리드'라는 용어의 명확한 구분이 필요하게 되었다.
본고에서의 비대칭 슈퍼커패시터는 대칭 슈퍼커패시터에서 사용하는 전해질 조성, 전극의 질량 및 지오메트리 변화를 포함하면서, 활성물질과 동작원리의 변화를 포함하지 않는 것을 그 분류로 한다.
하이브리드 슈퍼커패시터
하이브리드 슈퍼커패시터는 서로 다른 전극 조합에 의해 좋은 성능을 구현하는 가장 혁신적인 솔루션이다. 기존 슈퍼커패시터의 성능 향상과 원가절감을 위해 부품 제조 시 최적의 지오메트리와 소재를 사용한다. 양극과 음극에 다양한 기술을 도입하고 기존의 전해커패시터를 이용하는 등 다양한 기술을 도입하여 전지와의 성능 차이를 줄이는 데 연구가 집중되고 있다.
하이브리드 슈퍼커패시터의 기본개념은 전극에 패러데이와 비패러데이 반응을 모두 도입하여 서로 다른 동작을 사용하는 데 있다. 최근 연구동향은 EDLC와 같은 장수명, 기존 커패시터와 유사한 출력 특성 및 전지와 유사한 에너지밀도 구현을 목표로 하고 있다
하이브리드 전해 커패시터
금속산화물 소재 기반의 유사커패시터 전극은 기존 전해 커패시터 전극과 조합해서 사용할 수 있다. 이러한 방식으로, 전해 커패시터의 높은 출력 특성은 저하되지만 추가적인 유사정전용량의 부여로 인해 전체의 정전용량이 증가하게 된다.
복합 커패시터
하이브리드 슈퍼커패시터의 두 번째 종류는 EDLC의 전극을 조합해서 제조할 수 있다. 즉, 탄소 나노튜브와 같은 탄소 계열의 소재에 전도성 고분자 또는 금속산화물을 첨가하여 복합전극을 구성할 수 있으며, 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터라고 불리기도 한다.
유사전지 슈퍼커패시터
유사전지 슈퍼커패시터는 두 전극을 서로 달리 구성한다는 면에서 하이브리드 슈퍼커패시터이며, 이때 사용하는 전극은 전지에서 사용된 것을 이용하는 것이 특징이다.
최근의 연구는 납축전지의 lead oxide, 알칼리전지의 nickel oxide 및 리튬전지의 titanate, manganese oxide 등 전지에서 사용하는 재료를 슈퍼커패시터의 전극 조합에 이용하고 있다. 유사전지 슈퍼커패시터는 전지와 연관된 불리한 점을 극복해야 하는 문제점이 있기는 하지만 많은 관심이 집중되고 있다.
기본적인 성능 정의 및 측정슈퍼커패시터는 소형기기부터 수백 kW급에 이르기까지 다양한 분야에 응용하기 위해 다양한 요구를 받고 있다. 이러한 다양성은 서로 다른 조건에서 사용될 수 있기 때문에 정확한 슈퍼커패시터의 성능 측정이 필요하다. 슈퍼커패시터의 이론적인 성능은 이미 잘 알려져 있는 바와 같이 사용 시 주파수, 온도, 전류 및 커패시터의 종류에 의해서도 많은 영향을 받는다.
측정방법과 성능에 대한 국제 규격은 이미 제정되어 있지만 백업메모리 등 소형 전자기기 중심이며, 슈퍼커패시터의 자동차 분야 응용 등을 위한 특별한 요구를 위해 테스트 절차가 수년 간 개발되고 있으며 동시에 관련 규정도 함께 준비되고 있다.
이상적인 슈퍼커패시터의 등가회로는 그림 3에서 나타낸 것과 같이 정전용량 C, 직렬저항 Rs, 병렬저항 Rp 및 인덕터 L로 구성되어 있다. Rs는 등가직렬저항을 나타내며 충방전 과정에서의 손실을, Rp는 커패시터의 자기방전에 의한 에너지 손실을 나타낸다. 이 모델은 단순하면서도 중소형 커패시터의 응용분야에 적합한 모델이다.
그러나 슈퍼커패시터가 사용되는 고출력 분야에서는 온도, 전류, 출력, 주파수, 교류 시스템 등 여러 비정상적인 거동이 무시할 수 없게 된다.
그림 4는 이상적인 슈퍼커패시터의 충방전 특성으로서 선형관계를 보이고 있다. VR은 정격전압, V1은 초기전압, V2는 종지전압, TCV는 정전압 충전시간, t1은 V1에 도달하기까지의 경과시간 및 t2는 V2에 도달하기까지의 경과시간이다. 실제의 경우 전류와 정격전압에 의존하는 비선형관계이며 따라서 대부분의 슈퍼커패시터 동작 특성은 실제 사용조건에 맞춰 측정되어야 한다.
충전용량, 등가직렬저항 및 사이클 수명 등의 기본적인 특성 이외에 대용량의 에너지저장을 위해서는 자기방전, 단위질량 또는 단위부피당 에너지, 출력밀도 및 효율 등이 보다 유용하게 사용될 수 있다. 중대형의 고출력분야에 슈퍼커패시터를 응용하기 위해서는 충방전 시 기본 특성의 측정과 계산이 필요한데, 이는 슈퍼커패시터의 거동이 충방전 동안에 변하면서 전체 시스템의 기능과 설계에 영향을 줄 수 있기 때문이다.
정전용량정전용량은 아래의 관계식에서와 같이 정격전압 VR하에서 슈퍼커패시터에 저장되는 전하량 Q에 의해 결정되며 패럿(F)의 단위로 측정된다. 식 (1)정전용량을 측정하는 표준화된 방법은 'constant current discharge method'이며 그림 3의 방전 곡선에 기초하고 있다. 이 방법으로 정전용량은
다음과 같은 식으로 계산된다. 식 (2)이 방법은 주로 슈퍼커패시터의 방전 거동이 선형이라는 가정에 기초하고 있다. V1이나 V2의 값은 정규전압의 상대 값으로 쓰일 수 있는데, 전자 기기에서는 V1 = 0.8 VR, V2 = 0.4 VR을 사용하며, 전기자동차의 테스트 과정에서는 V1 = 0.6 VR, V2 = 0.4 VR을 사용한다. 방전과정의 비선형성에 기인한 전위차를 최소화하기 위한 다른 방법인 'energy conversion capacitance method'는 다음과 같은 식으로 나타낸다.식 (3)E는 줄(J)의 단위를 가지며 슈퍼커패시터의 전압이 V1에서 V2로 변할 때 방전과정에서의 에너지양을 나타내며, 이때 전압은 정격전압의 상대 값으로 표시할 수 있다.
내부직렬저항내부직렬저항은 ESR로 불리며, 등가회로의 RS가 이에 해당한다. ESR은 충방전 시 전압과는 무관하며, ESR을 측정하는 다양한 방법이 있다. 주로 사용하는 측정방법은 `current interrupt 방법으로서, 전류의 급격한 변화에 의한 전압변화를 측정하는 방법이며 아래와 같은 수식으로 나타낸다.
식 (4)ESR은 옴(Ω)의 단위로 측정되며 전류가 급격히 변할 때 슈퍼커패시터의 전압이 Vi에서 Vf로 변하는 값을 사용하여 계산한다.
사이클 수명일반적으로 슈퍼커패시터는 수백 수천회 이상의 충방전 및 완전방전을 해도 심각한 성능 감소가 없다고 알려져 있다. EDLC의 경우에는 큰 문제가 없는 것이 사실이지만 패러데이반응이 수반된 다른 슈퍼커패시터는 그렇지 않을 수도 있다. 슈퍼캐패터의 수명은 설계, 동작조건 및 응용분야 등과 밀접하게 관련되어 있다.
사이클 수명 측정은 "컨스턴트 커런트 프로필"에 기초하고 있으며, 충방전 시 정전류를 가하면서 정격전압과 정격전압의 1/2 또는 1/3 정도의 임의로 설정된 방전 종료전압을 측정한다. 정해진 충방전 사이클 이후에 기본 특성을 측정하고 변수를 측정하는 과정을 반복한다. 일반적으로 초기상태 정전용량의 20% 또는 30% 수준으로 감소할 때까지 진행한다.
피크 파워높은 출력은 슈퍼커패시터의 독특한 특성 중 하나로서 반드시 명확하게 규정되어야 한다. 슈퍼커패시터의 피크 파워 개념은 최대로 전달 가능한 출력의 개념에 기초하고 있다. 전기회로의 ESR과 동일한 부하를 슈퍼커패시터에 연결한 후 부하에 전달되는 초기 피크 파워 Ppeak를 아래와 같이 계산한다.식 (5) 이 경우 부하에 전달되는 최대 파워는 50%의 효율을 가지며 나머지는 슈퍼커패시터 내부의 열에너지로 소비된다. 피크 파워를 측정하는 또 다른 방법은 슈퍼커패시터를 방전하면서 전압이 VR에서 VR/3으로 변하는 5초 동안 달성 가능한 최대의 파워로 측정하는 방법이 있으며, 또는 주어진 전압에서 최대전류를 측정하여 아래와 같이 계산한다.식 (6)
IMax는 충방전 시 95% 이상의 효율이 보장되는 값이며, 이러한 경우 피크 파워는 아래와 같이 계산된다.
식 (7)
EF는 에너지 효율이며 VR은 정격 전압이다.
비에너지와 효율슈퍼커패시터에 저장할 수 있는 이상적인 전기에너지는 아래와 같이 계산된다.
식 (8)
여기서 C는 정전용량이며 VR은 정격 전압이다. 실제 사용에서는 전압을 제로에 이르기까지 사용하는 것은 불가능하며, 대부분의 경우 아래와 같
은 식으로 최대 방전에너지를 계산한다.식 (9)에너지 효율은 정해진 사이클 동안에 슈퍼커패시터에 의해 공급되고 방출되는 에너지의 비율로 정의된다. 비에너지와 비출력은 슈퍼커패시터의 중량을 측정하여 쉽게 산출할 수 있다.
SC 새로운 애플리케이션 분야약 30 년 전, 초기의 커패시터는 주로 작은 정전용량과 한정된 응용분야를 가지면서 소규모의 제한된 크기로 생산되었다. 주로 소형 전자기기용으로 사용되며 여러 개의 커패시터가 모여 11V 이하의 전압과 1패럿 이하의 정전용량을 지니고 있었다. 주된 응용분야는 시계, 완구, 메모리 백업 및 PC 메인보드 등에 사용되었다.
이 후 고출력을 필요로 하는 기기의 등장으로 슈퍼커패시터의 응용분야가 확장되고 있으며, 전자기기뿐만 아니라 산업분야, 전력분야 및 수송 분야에 걸쳐 그 응용이 급속히 확대되고 있다.
표 1에 상용화 및 개발 중인 슈퍼커패시터의 성능을 나타내었다. 다양한 분야에 걸쳐 슈퍼커패시터의 고출력 및 장수명 특성을 이용한 에너지 저장시스템의 도입이 필요하다.
산업 응용산업, 주거 및 비즈니스 건축 분야에서, 일반대중 또는 화물의 수송 등에 대한 에너지 효율을 향상하기 위하여 적절한 에너지 저장장치의 수요가 증가하고 있다. 가장 흥미로운 분야는 무정전 전원공급장치(UPS)와 엘리베이터 및 크레인 등과 같은 수송시스템에서 에너지 저장장치의 설치에 대한 것이다.
무정전 전원공급장치전자 기기의 확대 보급과 자동화 시설 등은 부하에 매우 민감하여 비상사태를 대비한 백업 장비의 설치가 필요하다. 전지기반의 UPS 시설은 비교적 발전되어 여러 분야에 사용되고 있으나, 전지는 슈퍼커패시터 대비 출력특성이 좋지 않다. 이를 보완하기 위하여 전지와 슈퍼커패시터 혼합 UPS의 개발과 슈퍼커패시터 단독으로 채택된 UPS의 개념이 제안되고 있다.
전자의 경우 슈퍼커패시터의 채택은 전지의 수명을 연장할 수 있으며, 짧은 정전의 경우는 슈퍼커패시터가, 보다 긴 정전의 경우 전지에서 에너지를 공급한다. 후자의 경우 수초에서 수 십 초간 슈퍼커패시터 단독으로 에너지를 공급할 수 있으며 저렴한 유지비용이 장점이다.
엘리베이터 및 크레인엘리베이터 및 크레인은 전기에너지를 소모하면서 수직으로 이동한다. 일반적으로, 기존의 엘리베이터 및 크레인 시스템은 하강 운동 중에 발생하는 에너지를 회수하는 장치가 제공되어 있지 않았다. 하강 또는 제동 시에 상승하면서 사용한 에너지의 대부분을 회수할 수 있으며, 슈퍼커패시터는 비교적 짧은 시간에 많은 에너지를 저장할 수 있으면서 수요에 대한 빠른 대응으로 고전류를 방출할 수 있다.
슈퍼커패시터를 이용한 에너지 회수 시스템에 대하여 많은 연구와 실증이 이루어지고 있다. 실제로 하역 선박용 크레인에 디젤발전기와 함께 42초의 방전시간에 대응하는 100 kW급 슈퍼커패시터를 적용하여 연료절감 효과 38 %, 비용절감 24, 000 $ 및 배출가스 감소량은 40 % 효과를 달성한 사례가 있다.
전력망 응용 슈퍼커패시터의 msec 단위의 빠른 응답시간, 95%의 고 에너지효율, 높은 출력밀도와 장수명의 특징으로 인해 전력망 분야에 적용이 가능하다.
송전선 안정화, 전압 안정화 및 발전기 정지 등 급격한 주파수 저하에 대비하여 순시에 응동하고 출력을 증가시켜 다른 운전예비력이 확보될 때
까지 계속하여 자동발전이 가능한 예비력 등으로의 활용이 가능하다.
스마트 그리드
스마트 그리드는 발전소에서 최종 전력 소비자에 이르기까지 전력시스템의 신뢰성, 안전성 및 효율을 개선하기 위하여 디지털 기술을 사용하게 되는 데 분산전원과 에너지 저장 시스템이 도입될 전망이다. 신재생 에너지의 발전량이 확대 보급되면 전력품질 저하 문제를 일으킬 수 있어 전력 저장시스템이 필요하며 슈퍼커패시터의 응용이 가능하다.
표 2에 적합한 에너지 저장시스템으로서 필요한 주요 기능과 관련된 핵심 요구 사항을 요약하여 나타내었다.
자동차 부문 응용수송 분야에서 슈퍼커패시터의 응용은 소형자동차에서부터 트럭, 버스와 같은 중형 수송 분야 응용에 이르기까지 다양하게 제안되고 있다. 제안되고 있는 분야는 낮은 에너지가 필요한 곳부터 엔진시동과 같이 고출력이 필요한 부문까지 다양하고, 기존의 내연기관 또는 연료전지 등과의 하이브리드 시스템 구성도 제안되고 있다. 이때 사용하는 슈퍼커패시터는 단독으로 또는 전지와의 조합으로 사용이 가능하다. 슈퍼커패시터를 적용하면 차량의 출력 및 동력계통의 효율 향상이 가능하고 전지의 수명을 연장할 수 있다. 이러한 긍정적인 효과는 공공 프로그램과 기업에 자극을 주었고, 수송 분야의 요구사항을 선정하는 등 개발 필요성을 선도하게 되었다.
표 3에 미국 FreedomCarProgram에서 제안된 슈퍼커패시터의 기술적, 경제적인 요구사항을 요약하여 나타내었다.
엔진 시동
영하 40℃ 가량의 추운 온도에서 디젤 엔진의 시동은 문제가 생길 수 있다. 문제는 주로 저온에서 윤활유의 점도와 높은 크랭크 토크가 필요하게 되어 발생한다. 현재 자동차에는 납축전지가 주로 채택되어 엔진 시동에 사용되지만, 저온에서는 출력 성능이 저하되어 문제가 생길 수 있으며 차가운 엔진을 구동하기 위해 고전류 방전이 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전지와 함께 슈퍼커패시터의 사용이 제안되고 있다.
전기자동차 및 하이브리드카전기자동차 및 하이브리드카에서 슈퍼커패시터는 많은 기능을 수행하면서 유용하게 적용될 수 있다. (i) 감속과 제동 시 에너지의 회수, (ii) 전지에서 감당하는 피크 수요의 분산, (iii) 연료 전지와 같은 전기 발전기의 비용 절감이 가능하다. 슈퍼커패시터를 사용할 경우의 장점은 (i) 전지의 수명 향상, (ii) 자동차의 에너지 효율 향상, (iii) 유지비용 감소 등이 있다.
표 3에서 이미 언급한 바와 같이 슈퍼커패시터의 자동차분야 응용을 위한 기술적 경제적 요구사항은 이미 명시되어 있다.
자동차 분야에 응용하기 위한 슈퍼캐패터의 용량은 크기와 전지 채택 유무와 관련이 되어 있으며 50~2000wh의 용량이 필요할 것으로 간주된다.
연료전지 하이브리드카지난 2000년 혼다는 고압 수소 탱크와 슈퍼커패시터를 이용한 프로토 타입의 연료전지 자동차 FCXV3를 선보였다. FCX에서 슈퍼커패시터는 가속과 감속 시 에너지의 회수에 사용되었고, 그 레이아웃을 그림 5에 나타내었다. 연료전지 자동차를 이용한 반복 부하 시험에 의해 슈퍼커패시터의 성능에 대한 요구사항이 결정되었고 수학적인 모델링 등의 연구도 진행되었다.
Italy의 Micro-vett에서는 연료전지와 전지를 탑재한 NEO라는 밴으로 시스템을 구성하였다. 슈퍼커패시터를 적용한 경우, 피크 파워와 최대전류의 분산 및 전지수명 연장 등에 대한 연구를 진행하였다. 슈퍼커패시터를 사용하는 경우 서로 다른 반복 부하시험에서 수소의 사용량을 절감할 수 있었으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
중대형 수송 분야
슈퍼커패시터는 버스, 전차 및 열차와 같은 중대형 수송 분야에도 적용이 가능하다. ISE에서는 360V 슈퍼커패시터와 225kW급 모터 및 발전기를 이용하여 하이브리드 버스를 생산하였다. 슈퍼커패시터는 가속 시 주로 사용되었는데, 100대 이상의 버스가 생산되어 현재에도 미국에서 운행 중에 있다. 슈퍼커패시터는 에너지효율의 향상 및 안전을 위해 트롤리 버스 또는 전차에의 적용이 제안되고 있다.
독일의 Vossloh Kiepe에서는 슈퍼커패시터를 탑재한 트롤리 버스를 그림 6과 같이 개발했으며, 슈퍼커패시터는 가속과 제동 시 에너지를 회수하는 용도로 사용되었다. 슈퍼커패시터는 288개의 셀로 구성되어 2,600F의 용량과 648Wh의 총에너지를 나타내었으며, 에너지 절감효과는 23~ 34% 정도를 나타내었다.
시장 전망오늘날 상용 슈퍼커패시터는 호주, 프랑스, 일본, 러시아, 한국 등의 국가에서 생산하고 있다. 향후 시장 전망에 대해 흥미로운 점은 슈퍼커패시터의 높은 가격으로 인해 제품 적용 확산이 지연되고 있어, 신규 시장의 개발이 그리 밝지 않다는 점이다. 그럼에도 불구하고 기술의 진보와 관련 업계의 노력으로 비용은 감소하게 되어 많은 응용분야가 생길 것으로 예측된다.
슈퍼커패시터의 단위 정전용량당 비용을 표 5에 나타내었는데 15년만에 1/150로 감소함을 알 수 있다. 슈퍼커패시터 시장은 지난 20년 간 가파르게 성장해 왔으나, 전체 커패시터 시장에서 점유율은 아직 미미한 상태이다. 최근의 전망에 의하면 현재는 커패시터 시장의 95% 이상을 소형 커패시터가 점유하고 있으나 향후 5년 간 슈퍼커패시터의 수요 급등이 예상되고 있다. 향후 2014년경 세계 커패시터 시장은 8억 7,700만 불 규모에 이를 것으로 예상되며, 이 중 상당부분을 대용량 슈퍼커패시터가 점유할 것으로 예상하고 있다.
결론슈퍼커패시터의 개발 역사와 최근의 연구동향에 대하여 분류체계를 정리하면서 살펴보았다. 재료과학 및 전기화학의 발달에 힘입어 슈퍼커패시터는 기술적, 경제적으로 유망한 에너지 저장장치로서 지속적으로 그 시장을 넓혀 나갈 것으로 예상된다. 또한 다양한 설계 기술을 통해 기존 커패시터와 전지 사이의 모든 영역에 대응이 가능하게 되었다. 슈퍼커패시터는 이미 산업용, 전력품질용 및 수송용 분야에서 핵심부품으로 성장했으며 그 파급 효과는 막대하리라 예상된다.
우리나라는 슈퍼커패시터 생산국이지만 일본 등 주요 선진국 대비 원천기술, 부품소재 및 제조기술이 열악한 상황이다. 지금은 유망한 미래 에너지 저장시스템인 슈퍼커패시터의 개발체계를 확립하여 경쟁력을 확보할 시기이며, 유관 산학연뿐만 아니라 정부에서도 중요성에 대한 인식확산과 적극적인 투자가 필요한 때라고 판단된다.
참고 문헌1. M. Conte, Supercapacitors Technical Rwquirements for New Application, Fuel Cells, 10(5), 2010.2. J. R. Miller, Encyclopedia Electrochemical Power Sources, Vol. 1, Elsevier, Amsterdam, p. 587, 2009.
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