슈퍼캐패시터는 리튬이온 배터리를 교체할 준비가 되었는가?

리튬이온 배터리는 휴대용 전자제품 시장에 혁명을 일으켰고 오늘날 사용 중인 충전용 배터리의 지배적인 유형으로 남아 있다. 그러나 제한된 충전량 및 재활용 제한 등을 포함한 이들의 단점은 연구원들이 대안을 찾도록 하고 있다. 이러한 가운데 슈퍼캐패시터(supercapacitor)라 불리는 에너지 저장장치는 미래에 동력을 공급할 큰 가능성을 가지고 있다.

테슬라가 2019년 2월 맥스웰 테크놀로지스라는 소형 초음파 탐지기를 2억1800만 달러에 인수했을 때 이 거래는 일반 언론에서 거의 주목을 받지 못했다. 그러나 이 소식은 테슬라가 전기자동차에 동력을 공급하기 위해 리튬이온(Li-ion) 배터리 이상의 무엇인가를 찾고 있다는 의미라고 이해되어 에너지 저장 업계에서 엄청난 속도로 퍼져나가기 시작했다.  

 

1991년 소니에 의해 상용화 된 후, 리튬이온 배터리는 눈부시게 발전해왔다. 비록 리튬이온의 시장성을 유지하기 위해 많은 연구 노력이 진행되어 왔지만 ("리튬이온을 새로운 수요에 맞게 적응시키기 위한 연구 https://go.3ds.com/8E" 참조) 리튬이온 배터리는 자동차 분야에서는 특히 까다롭고 해결이 어려운 단점들로 인해 고통받고 있다. 그 단점들은 재충전에 몇시간이 걸리며, 재충전 회수에도 제한이 있고, 재활용 비용이 많이 들고, 때로는 불이 나기도 한다는 것이다. 

플래시 또는 에너지 수확기(Energy harvesters) 등과 같은 높은 전력 밀도가 필요한 애플리케이션은 슈퍼캐패시터가 필요할 것입니다."

LIWEI LIN 캘리포니아 UC 버클리 대학 기계공학과 교수

슈퍼캐패시터는 이러한 한계가 없다. 울트라캐패시터(ultracapacitors)와 의사-슈퍼캐패시터(pseudo supercapacitor), 하이브리드 등 이 광범위한 기술은 각기 다른 구조를 가지고 있지만 모두 리튬이온 배터리보다 빠르고 안전하게 에너지를 저장하고 방출해 낼 수 있고, 새로운 현미경 구조와 재질을 포함하여 나노 기술의 발전이 급증함에 따라 더 빠르게 발전하고 있다.  

 

"자동차 충전에 몇 시간이 걸리는 대신, 집이나 충전소로 전기의 양이 충분히 전달 될 수 있다면 몇 분만에 충전이 가능할 것”이라고 미국 캘리포니아 버클리 대학의 Molecular Foundry의 직원이자 과학자인 Adam Schwartzberg는 말했다. 이 기술의 획기적인 발전은 전기자동차의 대중화의 주요 장애물 중 하나인 장시간의 충전시간이라는 장애물을 없앨 수 있을 것이다. 이는 또한 테슬라가 맥스웰 테크놀로지스를 인수한 데 주목하는 이유이기도 하다.

충전 완료

슈퍼캐패시터는 양극과 음극 전하를 절연체에 의해 분리된 다른 칸에 저장한다. 에너지를 화학적 형태로 변환했다가 다시 돌려야 하는 배터리와는 달리, 슈퍼캐패시터는 에너지를 정전기에 저장한다. 전력은 즉각적으로 흡수되거나 방전될 수 있으며, 슈퍼카피터는 거의 무제한의 충전 및 방전 사이클을 견딜 수 있다. 

 

그러나 중요한 단점은 슈퍼캐패시터의 전력 비축량이 리튬이온 배터리보다 더 빨리 소멸된다는 것이다.

Schwartzberg는 "리튬이온 배터리 자동차는 주차한 후, 몇 주 후에 돌아와도 여전히 괜찮지만, 슈퍼캐패시터라면 다시 와서 시동을 거는 데 문제가 생길 수도 있습니다."라고 말한다. 

 

UC 버클리 대학 기계공학과 Liwei Lin 교수는 Schwartzberg와 함께 ' pseudo-supercapacitors'라고 부르는 솔루션을 공동 연구해왔다. 그들은 기판이라 불리는 우표 크기의 금속 조각 위에 탄소 나노 튜브를 수직으로 빽빽하게 쌓아올린다. 원자층 증착이라고 알려진 과정을 이용하여, 그들은 탄소 나노 튜브에 한 번에 하나의 원자층인 질산 티타늄을 입혀 산소 원자의 층과 번갈아 가며 입힌다. 

 

그 과정은 이상적으로 전도성이 있는 물질을 만들어낸다. 또 다른 우표 크기의 금속 조각은 궁극적으로 다른 슈퍼캐패시터 보다 3배 더 많은 전력을 방출할 수 있고 자가 방전될 가능성이 적은 콘덴서의 장전 역할을 한다. 

 

상용화

슈퍼캐패시터들의 잠재력을 탐구하는 자동차 회사는 테슬라만이 아니다. 람보르기니는 매사추세츠 공과대학교(MIT)와 함께 

차량의 4개 휠에 각각 모터를 장착하는 테르조 밀레니오 슈퍼카 프로젝트의 일환으로 슈퍼캐패시터를 연구하고 있다. 

 

유럽의 최대 주문 전력 시스템 제조업체 중 하나인 스웨덴의 파워박스(Powerbox)의 마케팅 및 커뮤니케이션 책임자인 Patrick Le Fèvre는 "자동차 브레이크를 밟을 때 에너지 저장량을 늘리기 위해 슈퍼캐패시터를 사용합니다"고 말한다. 

 

이 차량은 주 동력원으로 리튬이온 배터리를 사용하지만, 초기 프로토타입을 보면 배터리가 슈퍼캐패시터와 고도로 통합되어 있다는 것을 알 수 있다. 이 차량은 다량의 탄소 섬유로 제작되기 때문에 매우 가볍다. 그리고 서로 다른 바퀴 위에 엔진을 점화시키는 슈퍼캐패시터를 가지고 있기 때문에 엄청나게 빠르다. 

 

Lin은 슈퍼캐패시터의 다양한 상용화 사례들이 만들어질 수 있다고 확신한다. “슈퍼캐패시터는 배터리 수명을 연장하고 전체 시스템의 성능 균형을 맞추기 위해 여러 종류의 전자 장치에서 배터리 시스템의 일부로 수년간 사용되어 왔다"고 말했다. "플래시 또는 에너지 수확기(Energy harvesters) 등과 같은 높은 전력 밀도가 필요한 애플리케이션은 슈퍼캐패시터가 필요할 것입니다." 

 

에너지 수확기(Energy harvesters)는 브레이크가 작동될 때 하이브리드 차량 또는 100% 전기 차량(특정 비운송 부문)에서 에너지를 회수하여 전체 시스템을 훨씬 더 에너지 효율적으로 만드는 메커니즘이다. 

 

Lin 교수는 "차량이 정지되면 플라이 휠(flywheel)에 의해 잔여 기계 전력이 전기로 전환될 수 있습니다. 배터리의 전력 밀도가 너무 낮기 때문에 그들은 그렇게 많은 양의 에너지를 짧은 시간 안에 흡수할 수 없기 때문에 그것을 저장하기 위해서는 슈퍼캐패시터가 필요할 것이다."라고 설명한다. 

 

또 다른 활용 사례들 

슈퍼캐패시터의 상업적 잠재력은 자동차를 훨씬 능가한다. 

 

Le Fèvre는 특히 아마존을 비롯한 인터넷 배송 대기업들이 자사의 창고에서 사용되는 수 마일의 컨베이어들을 관리하기 위해 슈퍼캐패시터를 실험하고 있다고 언급했다. 컨베이어를 구동하는 엔진은 소형 리튬이온 배터리와 슈퍼캐패시터가 포함된 시스템에 연결된다. 

 

Le Fèvre는 "컨베이어를 멈추면 슈퍼캐패시터가 에너지를 모읍니다"고 말했다. 그것은 에너지를 절약하고 비용을 절감한다. 

 

그는 슈퍼캐패시터가 사용될 수 있는 가장 큰 활용 사례는 스마트 에너지 그리드에 있을 것이라고 믿는다. 이러한 그리드들은 타이밍과 강도를 예측할 수 없는 태양열과 풍력 발전을 관리해야 한다. 

 

그는 "그리드를 안정시켜야 합니다"고 말했다. "그리드에 연결된 바람과 태양열은 엄청나게 진동합니다. 거기서 발생하는 에너지를 흡수하고 그리드에 왜곡 발생여부를 확인할 수 있어야 합니다. 점점 더 이러한 경우를 위해서, 슈퍼캐패시터를 사용하게 될 것입니다.” 

 

슈퍼캐패시터가 리튬이온 배터리를 완전히 대체하게 될까? 특히 전력 손실 문제를 해결하기 위해서는 훨씬 더 많은 연구가 필요할 것이다. 슈퍼캐패시터 연구는 아직 배아 단계에 있기 때문에 시장 분석가들은 잠재적 시장의 규모 예측치에 대해 동의조차 할 수 없다. 

 

그러나 슈퍼캐패시터 연구에 참여한 사람들은 나노 기술의 빠른 발전이 시간이 지남에 따라 슈퍼캐패시터를 더욱 발전하게 만들 것이라고 믿는다. 

 

Le Fèvre는 "슈퍼캐패시터 연구 수준은 정말 인상적이며 (리튬 이온과의) 격차가 점점 좁혀지고 있습니다. 얼마나 빨리 일어날지 알 수 없지만, 제출된 논문과 업계 관심도를 고려하면, 오래 걸리지 않을 것입니다."라고 말했다.

슈퍼캐패시터란 무엇인가? 

캐패시터는 에너지를 저장하기 위해 화학보다는 정전기를 사용한다. 이 금속판은 중간에 절연재(전기)가 있는 전도성 금속판을 2개 이상 포함하고 있어 플레이트가 닿지 않도록 방지한다. 전류가 콘덴서에 들어가면 유전자가 흐름을 멈추고 전하가 형성된다. 전하는 플레이트 사이의 전기장에 저장되며 외부 회로에 연결되면 방전된다. 초능력자는 판 사이에 유전자가 없으며, 대신 전해질과 판지나 종이와 같은 얇은 절연체를 가지고 있다. 전류가 유입되면 이온은 이중 전하층을 생성한다. 과충전기는 높은 전압이 전해질을 분해하지만 매우 큰 용량을 제공하기 때문에 낮은 전압으로 제한된다.

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저술 윌리암 J. 홀스테인

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