슈퍼커패시터란?

현대 사회는 전자기기의 소형화, 전기차의 대중화, 재생에너지 활용의 확대 등으로 인해 고효율의 에너지 저장장치에 대한 수요가 급격히 증가하고 있습니다. 하지만 기존의 리튬이온 배터리는 에너지 밀도는 높지만 충방전 속도, 수명, 안전성 측면에서 여러 한계를 가지고 있습니다.

이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 주목받는 것이 바로 슈퍼커패시터(Supercapacitor) 입니다. 슈퍼커패시터는 축전기의 빠른 충방전 특성과 배터리의 높은 에너지 저장 능력을 결합한 에너지 저장 장치로, 짧은 시간에 많은 전력을 저장하거나 방출할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 

(슈퍼커패시터)

기존 배터리가 화학반응을 통해 에너지를 저장하는 것과 달리, 슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면에서의 이온의 물리적 이동과 표면에서의 산화환원 반응을 통해 전하를 저장합니다. 이러한 원리 덕분에 슈퍼커패시터는 급속 충전이 가능하고, 높은 충방전 효율과 긴 수명을 제공해 보조 전원 및 배터리 대체용으로 활용됩니다.

특히 스마트 그리드와 ESS(에너지 저장장치) 시장의 급성장에 따라 슈퍼커패시터는 신재생에너지의 안정적인 전력 공급원으로 각광받고 있으며, 전기차 분야에서도 리튬이온 배터리를 보완하거나 대체할 수 있는 기술로 주목받고 있기 때문에 국내/외에서 슈퍼커패시터에 대한 활발한 생산 및 연구가 이루어지고있는 추세입니다.

슈퍼커패시터의 기본 구조와 원리

슈퍼커패시터는 기본적으로 양극과 음극의 다공성 탄소 전극, 전해질, 집전체, 그리고 전극 간의 단락을 방지하는 분리막(또는 격리막)으로 구성됩니다. 전극 양단에 전압이 인가되면, 전해질 내 이온들이 전기장의 영향을 받아 전극 표면으로 이동해 흡착되며, 이 과정에서 전하가 저장됩니다.

슈퍼커패시터의 에너지 저장 원리는 크게 두 가지로 나뉘는데, 첫째는 전기이중층(Electric Double Layer Capacitance, EDLC) 원리로, 전극 표면에 전해질 내 이온이 물리적으로 흡착되고 탈착되며 전하를 저장하는 방식이고, 둘째는 유사 캐패시턴스(Pseudocapacitance) 로, 전극 표면에서 화학적인 산화-환원 반응이 발생해 전자가 저장되는 방식입니다.

특히, 슈퍼커패시터는 단위 무게당 넓은 비표면적을 가진 활성탄소를 전극 소재로 사용함으로써 에너지 저장 용량을 비약적으로 향상시켰습니다. 이러한 구조적 특징 덕분에 슈퍼커패시터는 순간적으로 고출력 전류를 공급할 수 있는 에너지 솔루션으로 주목받고 있습니다.

슈퍼커패시터의 핵심 소재 및 특징

슈퍼커패시터의 성능은 사용되는 원재료에 크게 좌우되는데, 구조별 원재료와 기능은 다음과 같습니다.

• 전극: 활성탄소, 탄소섬유, 유리질 탄소 등. 내부저항 최소화가 관건

• 전해질: 수용성, 유기용매계 등. 전압 안정성과 온도 특성에 따라 결정

• 집전체: 알루미늄 호일 등. 전류 전달 경로 역할

• 전극활물질: 탄소계, 전도성 고분자, 금속 산화물 등

• 분리막: PP, PVDF, 셀룰로오스, Nafion 등. 단락 방지 및 이온 흐름 유지

• 바인더: PVDF, PAA, 전도성 고분자 등. 전극 구조 안정화

• 케이스: 습기 차단 및 내약품성 요구. 주로 경량소재 사용

이러한 재료의 선택과 최적화는 슈퍼커패시터의 성능 향상 및 응용 분야 확대에 핵심적인 요소로 작용합니다.

슈퍼커패시터의 응용과 미래 전망

슈퍼커패시터는 초기에는 시계, 메모리 백업, PC 메인보드 등 소규모 전자기기에 국한되어 사용되었으나, 기술 발전과 함께 에너지, 수송, 가전기기 등 다양한 분야로 활용처가 빠르게 확대되고 있습니다.

에너지 분야: 풍력, 태양광 등 신재생 전원의 출력 안정화, 회생제동 시스템, 피크 부하 대응, ESS 등에 사용됩니다.

수송 분야: 전기차의 급가속 보조, 하이브리드 회생제동, 연료전지 하이브리드 시스템에 적용되어 시스템 수명과 효율을 높입니다. 

가전: 스마트기기의 순간 전력 보완, 메모리 백업, IoT 디바이스에 활용됩니다.

그 외에도 고전압 대용량 저장장치, 주파수 변동 보완, 산업용 전원 등 다양한 분야에서의 응용이 확대되고 있으며, 슈퍼커패시터는 에너지 효율 향상과 지속 가능한 시스템 구현의 핵심 요소로 자리매김해 가고 있습니다.

Mordor Intelligence(2020) 에 따르면 슈퍼커패시터 시장 규모가 2020년 약 8억 8,700만 달러에서 연평균 13.5% 성장해 2026년 약 18억 9,600만 달러에 이를 것으로 예측하고 있습니다.
또한, IMARC Group(2024) 에 따르면, 글로벌 슈퍼커패시터 시장은 2033년까지 연평균 19% 이상의 성장률을 예상하고 있습니다.

슈퍼커패시터는 고에너지 밀도화, 하이브리드화, 친환경 소재화 등 기술 발전과 함께 지속 가능한 에너지 미래를 위한 핵심 솔루션으로 자리매김하고 있으며, 비나텍은 이에 발맞춰 다양한 고출력/고용량 제품군과 고객 맞춤형 솔루션을 통해 글로벌 시장을 선도해 나가고 있습니다.

▶  관련 제품 정보 : https://www.vinatech.com/kr/sub/product/supercapacitor/cell/summary.php