[Remake]전기차 충전, 5분 만에 가능해진다고?

전기차 충전, 5분 만에 가능해진다고?

대학생신재생에너지기자단 23기 안윤아

11기 임형규님의 “전기자동차의 망토가 되어줄 'Super'커패시터의 Remake 버전입니다.

기사 작성에 도움을 주시고 배려해주신 임형규님께 감사드립니다.

 

[슈퍼커패시터의 전기차 충전 혁신]

[슈퍼커패시터가 전기차 충전의 혁신을 열 수 있을까?]

출처: AEM

국내 전기차의 보급이 늘어나면서 전기차 충전시간에 대한 관심도 커지고 있다. 실제로 전기차의 가장 큰 약점은 긴 충전 시간이다. 차량마다 차이가 있지만, 일반적으로 가정용 충전기(3.5kW AC 충전)를 사용할 경우 10~20시간이 소요되며, 완속충전기(7kW AC)를 사용하면 5~10시간, 급속충전기(DC 충전, 50kW~100kW)를 사용할 경우 배터리 용량의 20~80% 범 위 충전에 대략 20~40분이 소요된다. 전문가들은 ‘전기차 충전 시간을 단 5분으로 줄일 수 있다면 전기차 시장에 새로운 활력이 찾아올 것’이라고 기대한다. 최근에는 전기차에 리튬이온배터리 대신 대량 축전기의 일종인 슈퍼커패시터를 사용하려는 연구가 진행되고 있다. 이 기술이 상용화가 된다면 현재 수십 시간까지 걸리는 전기 자동차 충전 시간이 몇 분 안에 끝낼 수 있을 것이라고 한다. 따라서 슈퍼커패시터의 정의와 전기 차 적용에 관한 연구를 찾아보려 한다.

 

[슈퍼커패시터란? : 슈퍼커패시터의 정의와 원리]

[슈퍼커패시터 구조]

출처: 네이버블로그

슈퍼커패시터는 축전용량이 상당히 큰 커패시터로, 울트라 커패시터 또는 초 고용량 커패시터로도 불린다. 화학적 반응을 이용하는 배터리와는 달리, 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응을 통해 충전되는데, 이러한 특성으로 인해 급속 충전이 가능하며 높은 충·방전 효율과 장기간의 사이클 수명을 가진다. 이러한 이유로 슈퍼커패시터는 보조배터리나 대용량 배터리로 사용되고 있다. 리튬 이온 배터리와 슈퍼커패시터는 모두 전기화학적인 반응을 기반으로 한 에너지 저장장치다. 그러나 에너지를 저장하는 과정에서 사용되는 전기화학적 메커니즘이 다르기 때문에, 에너지 및 전력 밀도에서 차이가 있다.

[에너지 전력밀도 RAGONE PLOT]

출처: 한국전력공사

기존의 전통적인 커패시터는 RAGONE PLOT이라 불리는 그래프에서 좌측 상단에 위치한다. 이는 전력밀도가 높지만 에너지밀도가 낮아 한 번에 높은 전력을 출력할 수 있지만 충·방전 시간이 매우 짧아 실제 저장되는 에너지 양이 적다는 것을 의미한다. 리튬이온 배터리와 같은 휴대전화나 태블릿과 같은 장치는 Li+ 이온의 산화환원반응을 통해 전기를 생성하는데, 전력밀도는 커패시터보다 낮지만 화학 반응을 포함하기 때문에 상대적으로 많은 에너지를 천천히 긴 시간 동안 충·방전하여 저장할 수 있는 에너지밀도가 높다. 슈퍼커패시터는 전통적인 커패시터와 배터리 사이에 위치하며, 더 많은 양의 에너지를 저장할 수 있으면서도 배터리보다 높은 출력을 제공하는 장점을 갖고 있다.

[슈퍼커패시터의 종류와 구조]

출처: Yoon et al. Nanotechnology, 27, 172001(2016)

슈퍼커패시터는 전해질의 이온이 전극 표면에 흡착하고 탈착되는 과정이나 표면화학반응을 통해 충·방전이 이루어진다. 따라서 슈퍼커패시터는 에너지 저장 메커니즘과 구조에 따라 크게 3가지로 나뉜다. 이온의 흡착과 탈착에 의한 슈퍼커패시터를 전기 이중층 커패시터 (EDLC: Electrical Double Layer Capacitor), 표면화학반응을 수반하는 유사 커패시터(Pseudocapacitor), 또한 이러한 특성을 비대칭 전극을 사용해 적절히 혼합한 하이브리드 슈퍼커패시터(Hybrid Supercapacitor)가 있다.

 

[슈퍼커패시터 활용사례]

[상하이에서 운행된 슈퍼커패시터 전기버스]

출처: TOPO Capacitors

슈퍼커패시터는 뛰어난 전력 밀도, 우수한 사이클 수명, 높은 안전성 및 환경 친화성으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 산업, 가전제품, 운송, 국방 및 군사, 항공우주 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 상용차 분야에서는 하이브리드 전기버스와 슈퍼커패시터 전기 시내버스의 에너지 저장 시스템으로 주로 사용된다. 2006년 8월에는 상하이에서 슈퍼커패시터 전기 시내버스가 상업 운행을 시작했으며, 2010년에는 슈퍼커패시터 전기 시내버스가 상하이 엑스포에서 녹색 교통 서비스를 제공했다. 리튬이온배터리 전기버스와는 달리 슈퍼커패시터 전기 시내버스는 1회 운행분의 에너지만 운반하며 전용 충전소가 필요하지 않다. 출발역에 정차하면 몇 분 만에 완충되며, 승객이 버스를 타고 내릴 때마다 정류장에서 충전할 수도 있어 24시간 무중단 운전이 가능하다. 또한, 승용차 분야에서는 슈퍼커패시터가 엔진 시동 정지, 에너지 재생, 전압 안정화 전원 공급, 백업 전원 공급 등에 사용되고 있으며, 고전압 에너지 저장 시스템으로도 활용되고 있다.

 

[슈퍼커패시터의 한계]

전기차는 주로 짧은 충전 시간으로 긴 주행 거리를 이끌어내며, 작고 가벼워야 한다. 즉, 에너지밀도가 높아야 하며, 단위 중량 내에 저장할 수 있는 전기 에너지 양이 많아야한다. 더불어 높은 출력이 가능하여 순간적인 충·방전이 이루어져야 한다. 고출력은 특히 시동이나 가속 시 순간적인 출력을 높이는 데 중요하다. 현재 기술 수준에서는 고밀도와 고출력을 동시에 만족하는 에너지 저장 장치가 부족하며, 이를 해결하기 위해 슈퍼커패시터 기술의 개발이 계속 이루어지고 있다. 현재 승용차에서 사용되는 슈퍼커패시터 제품은 기본적으로 전기이중층커패시터다. 그러나 이중층커패시터는 여러 측면에서 단점이 있다.

1) 낮은 에너지 밀도: 전기이중층커패시터의 낮은 에너지 밀도는 리튬이온 배터리와 비교했을 때 부피와 무게가 늘어나는 경향이 있다.

2) 높은 자가방전율: 높은 자가 방전율은 저장된 에너지를 손실할 뿐만 아니라 일정 시간 차량을 주차한 후에도 구동하기 어렵게 만들 수 있다.

3) 낮은 전압: 낮은 전압은 시스템 전압을 충족하기 위해 더 많은 셀이 필요하며, 이는 시스템의 복잡성과 비용을 높일 수 있다.

4) 높은 비용: 리튬이온 배터리의 가격은 기술의 급속한 발전과 생산 규모의 확대로 인해 급격히 하락했으며, 슈퍼 커패시터의 높은 가격으로 인해 더 많은 응용 분야가 확보되지 못하고 있다.

전기 이중층 커패시터는 다른 화학 에너지 저장 장치와 비교할 수 없는 pulse power를 제공하지만 전기 이중층 커패시터의 큰 크기, 무게 및 높은 비용으로 인해 자동차 견인 배터리로의 적용이 제한된다.

 

[슈퍼커패시터의 문제점을 보완한 하이브리드 커패시터]

이러한 전기이중층 커패시터의 문제를 해결하기 위한 방법으로, 전극 한쪽을 고용량의 나노 소재의 전극 활물질을 적용하여 비대칭화 시킴으로써 에너지 밀도를 향상한 하이브리드 커패시터가 대안으로, 연구가 최근 활발하게 이루어지고 있다.

[하이브리드 커패시터 구조도]

출처: 헬로디디

KAIST 신소재공학과의 강정구 교수 연구팀이 개발한 하이브리드 에너지 저장장치 기술은 기존 이차전지보다 더 높은 용량을 확보하면서도 슈퍼커패시터에 상응하는 고속 충·방전 성능을 갖추고 있다. 이 기술은 기존 리튬이온 전지와 비교하여 에너지 저장 밀도가 1.5배 수준인 275Wh/kg를 달성했으며, 충전 및 출력 특성은 23kW/kg로 리튬이온 전지의 100배를 초과했다. 이로써 하이브리드 슈퍼커패시터는 슈퍼커패시터의 고속 충방전 성능과 리튬이온배터리의 높은 에너지 저장 용량을 결합하여 전기자동차에 대한 미래 전망을 밝게 하고 있다.

 

[슈퍼커패시터의 미래에 대한 전망]

앞으로 신재생에너지와 회생에너지의 개발은 선택이 아닌 필수다. 슈퍼커패시터는 뛰어난 출력특성과 충/방전 효율로 에너지 저장용으로 활용되는데, 이에 대한 수요는 계속해서 증가할 것으로 예상된다. 최근 기술의 발전으로 커패시터의 응용분야는 전지시장으로까지 확대되고 있다. 그러나 현재 슈퍼커패시터 기술은 주로 일본 등의 선진국에서 개발되어 있어 우리나라는 경쟁에서 밀리고 있는 실정이다. 에너지저장용 슈퍼커패시터는 미래의 에너지 저장장치로 유망한 사업이다. 따라서 정부 차원에서 산학연과의 협력을 통한 체계적인 개발 투자가 이루어져야 하며, 이를 통해 향후 스마트 그리드와 전기자동차가 본격화되는 신재생에너지 시장에서 우리나라가 선도적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

 

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슈퍼커패시터 에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "전기자동차의 망토가 되어줄 'Super' 커패시터", 11기 임형규, https://renewableenergyfollowers.org/2046

전기자동차의 망토가 되어줄 ‘Super’ 커패시터

2. "슈퍼커패시터, 어디까지 성장했나?", 15기 김혜림, 16기 임상현, https://renewableenergyfollowers.org/3225

슈퍼커패시터, 어디까지 성장했나?

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참고문헌

[슈퍼커패시터의 전기차 충전 혁신]

1) 고속현, “전기차 최대 약점을 넘어서라 "5분 만에 충전 가능"”, 중앙일보, 2023.12.15., https://www.joongang.co.kr/article/25214947#home

2) 동아닷컴, “전기차 차주 '충전 불편' 한목소리...충전 인프라 현황과 전망은”, 동아일보, 2022.07.21., https://www.donga.com/news/It/article/all/20220720/114555319/1

[슈퍼커패시터란? : 슈퍼커패시터의 정의와 원리]

1) 꿈틀E, “슈퍼커패시터, 새로운 전기차 충전의 시대 열까?”, 네이버블로그, 2023.10.10., https://blog.naver.com/energium/223229082249

2) 양기보, “슈퍼커패시터”, 한국기업데이터(주), 2021.09.02., 3-16

3) 웹진NOW, “슈퍼커패시터, 배터리를 능가할 수 있을까?”, 네이버 블로그, 2021.05.10., https://m.blog.naver.com/nnpcnnpc4001/222344936618

[슈퍼커패시터 활용사례]

1) Lingcong Guo, “Development of supercapacitor hybrid electric vehicle”, ScienceDirect, 2023, 1-8

[슈퍼커패시터의 문제점을 보완한 하이브리드슈퍼커패시터]

1)  백승민, “'100배' 빠른 충전 속도···KAIST '하이브리드 배터리'”, 헬로디디, 2016.10.11., https://www.hellodd.com/news/articleView.html?idxno=59446

[슈퍼커패시터의 미래에 대한 전망]

1) 이경민 외 1인, “신재재생 에너지 대응을 위한 차세대 고출력/고용량 슈퍼커패시터의 요소 기술 및 현황”, 2013, 1-10