슈퍼 카페 시터 - syupeo kape siteo

슈퍼콘덴서(Super Condenser)는 슈퍼커패시터(Super Capacitor) 또는 슈퍼캐피시터라고도

불리우며 기존의 콘덴서에 비해 용량이 대단히 큰 축전기입니다.

기존의 콘덴서의 특성과 동일하지만 전기용량을 중점적으로 강화한 것으로,

'전력을 모아 필요에 따라 방출한다'라는 점을 이용, 전지의 목적으로 주로

사용됩니다.

슈퍼콘덴서의 구조는 아래사진과 같습니다.

두 개의 전극(도체) 사이에 전해질이 있으며, 전극에는 이온의 흡탈착을 위한

활성전극이 결합되어 있습니다.

두 전극 사이에 전압을 걸면 양이온은 음극으로 음이온은 양극으로 끌려가

전극에 달라 붙습니다. 즉 에너지가 저장된 것입니다.

전극의 면적을 크게 하면 할수록 이온이 달라붙는 양이 많아지므로 원한다면

용량을 늘릴수 있으나, 사용처에 따라 크기에 제한이 있을수 밖에 없습니다.

또한 밀도가 낮아 배터리에 비해서는 용량이 적은 단점이 있습니다.

그러나 전압만 걸면 전하들이 빠른 속도로 달라붙어 충전시간이 매우 빠르며,

반대로 순간적으로 방출할 수 있어 순간 출력이 매우 높습니다.

실제로 약 30초 이내에 완충이 가능하며, 출력은 10kw/kg에 달해 리튬이온전지의

1~3kw/kg의 수배에 달합니다.

또한 화학적 반응을 이용하는 것이 아니므로 충'방전을 50만회 이상 반복해도

성능에 문제가 없습니다.

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슈퍼콘덴서는 위에 설명한 특성들로 인해 이차전지가 수용하지 못하는 영역을

채울 수 있는 소자로 주목받고 있습니다.

최근 슈퍼콘덴서는 휴대폰 또는 AV, 카메라와 같은 가전제품의 백업용 전원 및

고출력 보조전원으로 활용되고 있으며, 향후 무정전 전원장치(UPS), HEV,

FCEV 분야등의 수송기계 및 스마트 그리드의 고출력 보조전원 등이 활용분야가

될 것으로 예상됩니다.

또한 자동차의 수명과 비슷한 Cycle LIfe와 고출력 특성으로 인하여 자동차의

가속, 시동용 전원, 전기자동차의 리튬배터리의 대체용으로써의 연구도 활발히

진행되고 있습니다.

슈퍼커패시터(Super capacitor) 

슈퍼커패시터는 축전용량이 대단히 큰 커패시터로 울트라 커패시터(Ultra-Capacitor) 또는 우리말로 초고용량 축전지라고 한다. 기존의 커패시터의 특성중 특히 전기용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로써, ‘전력을 모아서 필요에 따라 방출한다’라는 점을 이용, 전지의 목적으로 사용하기위해 연구되고 있는 소자이다. 전기적 기능으로는 오늘날 2차전지 충ㆍ방전 기능과 유사하다.

하지만 슈퍼커패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 이에 따라 급속 충전이 가능하고 높은 충ㆍ방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 기존의 콘덴서와 이차 전지가 수용하지 못하는 성능 특성 영역을 채울 수 있는 소자로 주목받고 있다.

오늘날 슈퍼 커패시터는 휴대폰 또는 AV, 카메라와 같은 가전제품의 백업용 전원 및 고출력 보조전원으로 활용하고 있으나, 향후 무정전전원장치 (UPS), HEV/FCEV 분야 등의 수송·기계 및 스마트 그리드의 고출력 보조전원 등이 주된 활용분야가 될 것으로 예상된다. 특히, 자동차 수명과 같은 cycle life와 고출력 특성으로 인하여 자동차의 가속, 시동용 전원으로서의 연구가 일본을 중심으로 많은 연구가 수행되고 있다.

그림은 다양한 에너지 저장장치의 포지션을 에너지밀도와 전력밀도를 통해 나타내는 Ragone-plot이다. Y축은 전력밀도로 무게 당 와트, 즉 단위 무게 당 얼마만큼의 전력을 낼 수있나를 보여주며 X축은 에너지밀도로 무게 당 와트시, 즉 단위 무게 당 얼마만큼의 에너지를 저장, 방출 할 수있나를 나타낸다.

기존의 일반적인 커패시터는 Ragone-plot에서 좌측 상단 회색으로 옅게 표시된 부분이다. 비 전력이 비에너지에 비해 훨씬 높은 편인데, 이는 한번에 높은 전력량을 뿜어낼 수 있지만 커패시터의 특성상 충ㆍ방전 시간이 너무나 빠르기 때문에 실제로 저장하는 에너지는 적은 것을 나타낸다. 이에 비해 배터리의 포지션은 우측 하단으로 비 전력자체는 커패시터보다 낮지만 화학적인 반응을 수반하기 때문에 천천히, 오랫동안 전력을 저장, 방출하여 총 저장할 수 있는 에너지양이 상당하다. 이는 곧 현재 배터리가 에너지 저장소자장치로 널리 쓰이는 이유가 되고 있다.

슈퍼커패시터의 포지션은 기존의 커패시터와 배터리를 이어주는 중간지점에 있다. 즉 기존의 커패시터에 비해 많은 양의 에너지를 저장할 수 있으면서 동시에 배터리보다 훨씬 높은 출력을 한번에 뿜어내고 받을 수 있어 차세대 저장장치의 핵심요소로 기대되는데 그 분야는 간단하게 다음과 같다. 

오늘날 친 환경 기술의 일환으로 주목받고 있는 하이브리드카는 기존에 엔진으로만 차량이 구동되었던 것과 달리 엔진과 전기모터 두 가지 동력원에 의해 차체가 구동되며 주행 중 감속, 제동을 하게 되면 발전기에 의해 운동에너지를 전기에너지로 변환, 저장하게 되며 이를 충전기에 저장, 연비를 크게 향상시킬 수 있다는 게 특징이다. 하지만 감속이라는 운동의 특성상 전기에너지가 지속적으로 일정량이 발생되는 것이 아니라 특정제동시점을 기준으로 짧은 시간 동안 피크전력으로 발생되기 때문에 짧은 시간 안에 많은 양의 에너지입력을 견딜 저장장치가 요구된다.

현재 사용되고 있는 이차전지의 경우 충전, 방전속도가 제한적이며 한 번에 받아들이는 전력의 크기도 높지 않아 이와 같은 피크전력을 모두 받아들이는데 어려움이 크다. 반면 슈퍼커패시터는 충전하는데 단지 수초밖에 걸리지 않고 한 번에 받아들이는 전력의 크기도 상대적으로 높기 때문에 순식간에 변환되는 이 에너지를 저장하기에 적합하다. 또한 이 커패시터의 도움으로, 시동을 걸때 모터에 요구되는 피크전력을 분산시켜주는 역할도 할 수 있다. 가장 일반적으로 알려져 있는 ‘도요타 프리우스’ 모델에도 현재 슈퍼커패시터 소자가 탑재되어있다.

현재까지는 일부 하이브리드카에 적용되는 수준이지만 미래에 하이브리드가 아닌 순수 전기에만 의존하는 일렉트로닉카의 경우엔, 슈퍼커패시터가 필수적으로 탑재될 것으로 전망되고 있다. 

커패시터가 주목받고 있는 또 다른 분야는 신재생에너지 저장장치 분야로 알려져있다. 오늘날 국가적으로 저탄소 녹색성장이라는 슬로건을 내세울 만큼, 현재 신재생 에너지 사업에 많은 투자를 하고 있는데 이처럼 신재생에너지가 향후 지속적인 성장을 보였을 때, 기존의 전력시스템은 문제가 될 수 있다.

위 그래프는 풍력을 이용한 발전의 전기출력을 나타내고있다. 이 복잡한 그래프에서 알 수 있듯 신재생에너지를 통한 전기생산은 굉장히 불규칙하고 실시간으로 조절하기가 어렵다. 실제로도 갑자기 바람의 방향이 바뀌거나, 맑은 날씨임에도 설치된 태양광 패널 위로 구름이 지나가는 일이 빈번한데 이처럼 불규칙한 전력공급은 전력망에 연결된 기기에 큰 손상을 줄 수 있다. 

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이로 인해 실시간으로 전력의 수요와 공급의 정보를 양방향으로 교환하는 스마트그리드가 미래의 주목해야할 기술로 떠오르고 있다.  

실제로 스마트그리드 기술구현의 주요 난관중 하나는 급변하는 신재생 에너지 전력생산량에 대처하여 전력의 질을 손상시키지 않으면서 실시간으로 에너지공급원을 변환하느냐는 것인데 슈퍼커패시터가 대안으로 떠오르고 있다. 

즉 기존의 이차전지나 저장장치를 통해 전력을 저장, 공급 하다가 불과 수분, 수초 내에 일어나는 돌발 상황으로 인해 신재생 에너지를 통한 전력수급이 여의치 않을 때 기존의 원자력이나 화력발전과 같은 다른 발전기로 대체할 수 있을 때까지 에너지저장 시스템에 연결된 슈퍼커패시터가 시간을 벌어주는 역할을 할 것으로 기대된다. 

슈퍼커패시터는 그 원리와 전극종류에 따라 크게 세가지의 그룹으로 나눌 수 있다. 탄소전극과 전기이중층 현상을 이용하여 커패시턴스를 증폭시킨 전기 이중층 커패시터(EDLC), 산화금속 또는 전도폴리머의 전기화학반응을 이용한 유사커패시터(Pseudo capacitor), 그리고 이 둘의 중간성질을 모두 가지는 Hybrid capacitor가 있다.