1. 개요
용량이 큰 커패시터로, 실험실 등에서는 일반적으로 커패시터의 커패시턴스 단위로 nF(나노패럿, 10-9 패럿, 10억분의 1 패럿) 내지 μF(마이크로패럿, 10-6 패럿, 100만분의 1 패럿)을 쓰는 데 비해 슈퍼커패시터는 무려 F(패럿) 단위를 사용한다.학계에서는 울트라커패시터(UC: Ultra Capacitor), 전기이중층 커패시터(EDLC: Electric Double Layer Capacitor)로 부르며, 다른 이름으로 슈퍼커패시터(SC: Supercapacitor)/슈퍼콘덴서(SC: Super Condensor)라고도 부른다.
EDLC(전기이중층 커패시터)와 Pseudocapacitor 두 가지가 있으며, EDLC는 단셀(Cell) 기준으로 최대 3600 F 등 다양하게 있고 Pseudocapacitor는 10 kF 이상도 존재한다. Pseudocapacitor는 EDLC와 달리 극성에 리튬과 같은 재료를 첨가하여 배터리와 같이 화학적 변화에 따른 충방전을 하여 에너지 밀도를 높인 것으로, 쉽게 말해 EDLC와 배터리의 중간 정도의 특성을 가진다. 쇼트가 발생하거나 파손되어도 폭발 위험성은 없으나, 리튬이온전지와 같이 일정 전압 이하로 방전되면 소자가 손상된다는 단점을 가진다. 리튬은 자원이 희소하다는 단점이 있으므로 값싼 나트륨을 대신 사용하는 슈퍼커패시터도 개발중에 있다.
요약하자면, 에너지 밀도(W/kg)는 리튬이온(폴리머) > 슈퍼커패시터 > ELDC 순으로 크다. 그리고 순식간에 몇 (k)Wh를 내는지를 의미하는 순간 방전율은 슈퍼커패시터(커패시터, ELDC) > 리튬이온(폴리머) 순으로 크다.
이러한 슈퍼커패시터는 일반적인 커패시터처럼 사용되기도 하지만, 한편으로는 배터리(2차 전지)와 비슷한 동력원으로서 사용하고자 하는 시도도 계속되고 있다. 이는 용량이 매우 작은 일반적인 커패시터와는 달리 용량이 비교적 커서 배터리와 비슷한 용도에도 사용할 수 있으면서도, 한편으로는 커패시터로서의 특성을 살려 충방전 횟수가 많고 고속충전과 고속방전이 가능하다는 특유의 이점을 살리기 위한 것이다.
휴대폰에서는 삼성전자의 갤럭시 노트9의 S펜에 블루투스 탑재를 위해 슈퍼커패시터가 배터리 용도로 사용되었다. 기기에 수납하면 충전이 되고, 40초 충전에 대기시간 30분, 클릭 200번 가능.
2. 장점
- 전력 밀도(순간 출력, Max Current)가 크다. 리튬 이온 배터리의 전력밀도는 0.5~1.5 W/kg 정도지만, 울트라커패시터는 1~10 kW/kg 정도다.
- 충방전 횟수가 많아 수명이 길다. 리튬 이온 배터리를 1000번 충방전 하면 용량이 급하락하여 폐기처분 하지만, 울트라커패시터는 50만 번 내지 100만 번 충방전이 가능하다. 사용 환경에 따라 다르지만 일반적으로 10년 이상의 수명을 보이기도 한다.
- 고속 충전이 가능하다. 수십~수천 A의 전류만 공급할 수 있다면 분 단위 완충도 가능하다. 참고로 마이크로패럿 수준의 초소형 커패시터는 초단위다.
- 고속 방전이 가능하다. 일반 배터리(내부저항 100 mΩ)로 100 A의 전류를 뽑아내려고 하면 폭발하지만, 울트라커패시터는 내부저항이 0.23 mΩ 이하의 것도 있어서 가능하다.
- 저온에서도 성능 저하가 낮다. 리튬 이온 배터리는 온도가 낮으면 용량이 급감하지만, 울트라커패시터는 영하 40도에서도 작동 가능하다. 이는 사용하는 전해액의 어는 점이 약 영하 49도로 매우 낮기 때문이다.
- 항공운송이 가능하다. 일반적으로 리튬 이온 배터리는 폭발 위험성에 의해 항공운송이 제한되지만 슈퍼커패시터는 예외조항으로 항공운송이 인정된다.
- 리튬이온 커패시터를 제외하면 0V 방전이 가능하다. 나트륨 이온 배터리를 제외한 대부분의 이차 전지들은 0V로 완전 방전하면 손상된다.
- 비사업자도 DIY 목적으로 구매가 가능하다. 보호 회로 및 안전인증이 없는 리튬 이온 배터리는 법적으로 구매 자격이 제한된다.
3. 단점
- 에너지 밀도가 배터리에 비해 떨어진다. 리튬 이온 배터리는 에너지 저장밀도가 150~300 Wh/kg이고, 에너지 밀도가 떨어지는 납 축전지조차 30~40 Wh/kg이지만, 울트라커패시터는 최대 약 10 Wh/kg이다. 그나마 미래에 그래핀 소재의 슈퍼커패시터가 나오면 최대 100 Wh/kg이 될 수 있으나, 비슷한 시기 리튬 이온 배터리도 에너지 밀도가 오를 것이므로 단점을 타개하기 어렵다.
- 가용 에너지량 대비 가격이 비싸다. 에너지량으로 보면 일반 배터리보다 수 배~수십 배 비싸다.
- 다른 전기/전자제품에 비해 내구성이 떨어지는 경향이 있으며, 특히 전해액이 들어있는 커패시터 중에는 시간이 흐르며 저절로 부식하는 종류가 있다. 주로 알루미늄+전해액 방식의 커패시터에서 자주 발생하는 문제인데, 특히 대만에서 1999년~2003년에 만들어진 커패시터 중에 이런 문제가 있는 제품이 많다. 이런 제품은 대부분 2002년~2005년경에 문제를 일으켜 파괴(내부에 가스가 발생해 파열하거나 심지어 폭발한다.)되었으니 현재는 걱정하지 않아도 된다.
4. 적용 분야
- 산업용: 미세공정산업(반도체/디스플레이/차량도색 등) UPS, 순간정전보상장치, ESS(에너지 저장 체계) FR(Frequency Regulator), AMR, SSD, 태양광 가로등, 발광블록, 연료전지 보조, 발전기 시동 전원, pulse power, 스폿 용접기
- 풍력발전기: pitch control system 비상 전원, FR(Frequency Regulator)
- 태양열: 태양열 발전 mirror-tracking
- 자동차: 하이브리드버스, ISG 시스템, 전압안정기, 점프스타터, 블랙박스, hybrid battery
- 운송: 회생제동(regenerative braking), 노면전차
- 중장비: energy harvesting
- 해양: 파력발전, leveling system
- 소비재: 전동공구, 손전등, 완구
높은 가용 에너지량을 원할 때는 배터리, 장수명에 고출력을 원할 때는 울트라커패시터를 검토하는 것이 맞다. 지하철의 경우는 짧은 거리를 자주 이용하므로, 가선 없이 울트라커패시터를 20kWh 정도 장만하면 된다. 중전철은 가선이 싸고 영향이 적지만, 경전철은 제3궤조의 특성을 가지기 때문에 선로에 비가 들어오면 운전을 못하기 때문이다.
요새는 이를 보완하기 위해 배터리와 울트라커패시터를 같이 사용하는 경우도 많다. 예시로는 하이브리드 자동차가 있다.
요새는 이를 보완하기 위해 배터리와 울트라커패시터를 같이 사용하는 경우도 많다. 예시로는 하이브리드 자동차가 있다.