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전기2중층 capacitor의 개발과 공업화의 현상(Development and industrialization of electric double-layer capacitors)

전문가 제언: □ 전기2중층 커패시터(EDLC, Electric Double Layer Capacitor)는 활성탄과 같이 넓은 전도성 표면과 전해액과의 경계면에 생성되는 전기2중층에 양이온과 음이온이 대전되는 물리적 현상을 이용하여 전하를 축적하고 방전하는 에너지 저장장치이다. 2차 전지는 에너지밀도는 크지만 출력밀도가 작고 충･방전 시간이 오래 걸리는 등 몇 가지 특성이 부족하여 순간적으로 큰 에너지를 사용하는 영역의 디바이스로 다소 부족한 면이 있었다. 반면 EDLC는 물질의 산화환원 반응을 이용하지 않기 때문에 2차전지에 비해서 매우 빠른 충･방전이 가능하며 높은 출력밀도를 나타낼 수 있다.

□ 커패시터의 용량은 유전체의 유전율, 전극의 표면적이 커질수록 전극간의 거리가 작을수록 커진다. 특히 EDLC는 2000㎡/g 정도의 표면적을 갖는 활성탄을 전극재료로 사용함으로써 전극의 표면적을 최대화하고 유전율이 높은 전해액과 체적이 작은 전해질이온을 사용함으로써 더욱 많은 이온이 사용될 수 있도록 하였다. 따라서 기존의 커패시터에 비해 획기적으로 용량을 향상시킨 디바이스라고 할 수 있다.

□ 2차전지에 비하여 부족한 정격용량을 향상시키기 위해서는 내전압의 향상, 에너지 밀도의 향상, 내부 저항의 감소가 필요하며 EDLC의 성능을 향상시키기 위해서는 다음과 같은 전해액의 특성이 요구된다. ① 높은 전압에서도 분해 되지 않을 것, ② 전기화학적으로 전기전도도가 좋고 안정할 것, ③ 축적된 이온의 양이 많을 것, ④ 유전상수가 크며, 점도가 낮고 비등점이 높으며 융점이 낮을 것이 요구된다. 전해액은 용매와 용질로 구성되며 용매는 전해액의 분해 전위를, 용질은 전기전도도와 정전용량을 결정한다. 우수한 특성의 용매는 프로필렌카보네이트(PC)로서 전기화학적으로 안정하고 전기전도성이 좋으며 저온성능이 뛰어난 특성을 가지고 있다. 현재 가장 우수한 전해질은 Et3MeNBF4로 가수분해에 대한 안정성, 전기전도도, 용매 용해도 등이 뛰어나기 때문에 EDLC에서 주로 이 두 가지의 조합이 채택되어 적용되고 있다. 향후 현재보다 분해전위가 높아 고용량을 부여하며 독성이 낮은 전해액의 개발이 요구되고 있다.

□ EDLC의 성능과 관련하여 중요한 또 다른 한 가지는 우수한 성능의 전극재료 개발이다. 현재 가장 많이 사용되는 재료는 고순도 활성탄이다. 활성탄은 넓은 표면적과 높은 전기전도도 그리고 성형하기 쉬운 장점을 가지고 있다. 하지만 표면적을 제공하는 유효기공의 양을 최대화 하여 활성탄 이용효율을 최적화하는 것이 중요하다. 이것을 위해 너무 작아 효과적으로 사용하지 못하는 초미세기공을 줄이고 유효한 기공을 넓히는 일이 진행되고 있다. 또한 EDLC는 항상 전위가 걸리는 디바이스로써 전극표면에서는 전기화학반응이 일어나기 쉬운 상태로 되어있기 때문에 이러한 부품이 장기적으로 안정하려면 전극표면의 작용기의 제거와 고순도화가 매우 중요하다. 이러한 특성을 부여할 수 있는 재료로써 카본나노튜브(CNT) 외에 몇 가지 재료가 연구되고 있다. 특히 CNT는 균일한 기공과 제어된 표면을 갖기 때문에 CNT의 외경, 길이, 구조 등의 최적화를 통해 전극 재료로써 뛰어난 성능을 가질 가능성이 있는 것으로 판단되고 있다.

□ EDLC는 커패시터와 2차전지의 장단점을 모두 내포하고 있다. 하지만 에너지 밀도에서 아직 2차전지를 극복하지 못하는 것이 사실이다. 출력전압과 전류의 변동이 심한 풍력, 태양력, 조력발전 등의 발전원과 조합하여 충전효율을 높일 수 있는 분야 혹은 전기자동차 등의 에너지 회생/가속어시스트 전원으로써의 사용용도, 기기의 디지털화와 유비쿼터스(ubiquitous) 시대의 통신기능 강화로 인한 순간적 고출력펄스의 사용 등 새로운 분야에서부터 개발이 진행되어지고 있다.

□ EDLC는 전지에 비하여 매우 우수한 싸이클 특성, 높은 출력 밀도 등 많은 장점을 갖지만 에너지밀도가 낮다는 치명적 약점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 재료, 구성, 모듈 등의 개발과 개선이 진행 중이고 이런 일련의 노력을 통하여 전지의 대체 또는 전지와의 조합으로 종래의 전지로는 충분히 실용되지 않았던 고율 성능을 향상시키고 있다. 2차전지와 EDLC의 특성을 모두 갖는 유사 커패시터(Pseudo Capacitor), CNT전극의 최적화 개발 등을 통해 EDLC의 고용량화가 진행되고 있으며 결국 신뢰성이 거의 연축전지 수준으로 확보된다면 그 응용성은 유비쿼터스 시대를 앞당길 수 있을 정도로 파급효과가 클 것으로 예상된다.

저자: Takeshi Morimoto
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