휴대폰 충전을 수십 초에 할수 있다면 - 슈퍼커패시터

현대인들은 매일 휴대폰 배터리를 충전하거나 전기차를 타는 사람은 전기 자동차를 충전해야 합니다. 배터리로 작동하는 전자기기는 충전하는 데 시간이 오래 걸리기 때문에 사용하지 않을 때 충전하는 것이 필수적입니다. 따라서 몇 초에서 수십 초 만에 완전히 충전할 수 있는 저장 장치가 개발된다면 큰 영향을 미칠 것입니다.

 

 

슈퍼커패시터(Supercapacitors, 슈퍼콘덴서)

전기를 빠르게 저장했다가 필요할 때 빠르게 사용할 수 있는 전기저장장치.

 

휴대폰 충전을 수십 초에 할 수 있다면 수시로 배터리를 확인하고 충전해야 하는 번거로움이 없어져 모든 기기의 사용성이 크게 향상될 것입니다.

 

사회 변화의 속도가 날로 빨라짐에 따라 이러한 고속 충전 기능은 점점 더 중요해지고 있습니다.

콘덴서 또는 축전지라고 불리는 기존 커패시터는 밀리초(ms, 1000분의 1초) 단위로 완전히 충전할 수 있다는 고유한 장점이 있습니다. 이 때문에 다양한 전자 기기에 활용되어 왔지만 에너지 저장 용량이 너무 적어 전기(전하)를 저장하는 데 한계가 있었습니다.

 

슈퍼콘덴서는 이러한 한계를 극복했습니다. 슈퍼콘덴서는 전하를 띤 물질의 표면에 반대 극성의 이온을 물리적으로 흡착 및 탈착하여 에너지를 저장합니다. 저장 용량을 늘리려면 전극 재료의 표면적을 늘려 더 많은 이온을 흡착할 수 있도록 해야 합니다.

 

콘덴서와 달리 일반 배터리는 양극과 음극에서 산화 및 환원이라는 화학 반응을 통해 에너지를 저장합니다. 이러한 화학반응이 일어나려면 일정량의 에너지와 시간이 필요하며, 급속 충전을 하면 화학반응으로 인한 열과 부피 변화로 인해 내부 물질이 저하됩니다. 또한 저장 용량이 감소하기 때문에 급속 충전에는 대략적인 한계가 있습니다.

 

반면 슈퍼콘덴서의 전하 축적 반응인 이온 흡착은 매우 빠릅니다.

간편한 필기 기능으로 인기를 얻고 있는 삼성 갤럭시 노트는 전자펜을 본체에 보관하여 충전합니다. 슈퍼콘덴서는 매우 빠르게 충전되기 때문에 전자펜을 수 초만 충전해도 오래 사용할 수 있습니다.

 

 

고출력 반영구적 재생가능에너지

슈퍼콘덴서는 빠른 충전과 빠른 출력으로 순간적으로 많은 양의 에너지를 공급할 수 있어 단시간에 많은 양의 에너지가 필요한 버스, 기차, 크레인 등 대형 장비에 이상적입니다.

예를 들어 버스가 시동을 거는 데 많은 양의 에너지가 필요한 경우 슈퍼콘덴서에 저장된 에너지를 사용하여 시동을 걸 수 있습니다. 또한 회생 제동 기술을 구현하여 브레이크를 밟거나 바퀴가 회전할 때 운동 에너지를 슈퍼콘덴서에 전기로 다시 저장하여 연비를 개선할 수 있습니다.

 

슈퍼콘덴서는 높은 출력과 긴 수명으로 인해 재생 에너지 발전을 위한 에너지 저장 장치로 특히 인기가 높습니다. 재생 에너지의 한계 중 하나는 낮에만 에너지를 생산할 수 있는 태양 에너지처럼 발전량이 일정하지 않다는 점입니다.

슈퍼콘덴서는 낮 동안 태양광 발전의 잉여 전력을 저장했다가 수요가 늘어나는 밤에 저장된 전력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 소비자의 필요에 따라 유연하게 에너지를 공급하는 스마트 그리드(smart grid) 시스템을 구축하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

 

 

낮은 저장 용량

슈퍼콘덴서의 에너지 밀도는 크게 향상되었지만 여전히 가장 성공적인 에너지 저장 장치로 간주되는 배터리의 10분의 1에 불과합니다. 따라서 많은 전자 기기에서 슈퍼콘덴서는 단독으로 사용되지 않고 에너지 출력 용량이 낮은 배터리를 보완하는 장치로 사용됩니다.

 

슈퍼콘덴서는 높은 전력 밀도, 긴 사이클 수명, 빠른 충전과 빠른 출력 능력의 독특한 조합을 제공하며, 이러한 특성이 중요한 특정 응용 분야에 가치를 제공합니다. 그러나 배터리에 비해 에너지 밀도가 낮기 때문에 장기간 지속적인 에너지 저장이 필요한 시나리오에 적용하기에는 한계가 있습니다.

 

결론

슈퍼콘덴서의 상대적으로 낮은 저장 용량을 극복하기 위해 연구자들은 배터리처럼 화학적으로 반응하여 에너지를 저장하는 새로운 전극 소재나 배터리와 슈퍼콘덴서의 전극 소재를 결합한 하이브리드 슈퍼콘덴서 등 새로운 구조의 슈퍼콘덴서 개발을 활발히 추진하고 있습니다.

 

현재 진행 중인 연구 개발은 이러한 한계를 극복하고 슈퍼콘덴서의 잠재적 용도를 확대하는 것을 목표로 하고 있습니다.