시멘트, 카본 블랙, 전해질 및 물로 만든 다목적 신형 슈퍼커패시터를 위한 간단한 레시피

If recent developments involving material science pan out, our world will look like a much different place in only a few years.  Over the past week, there is not only a lengthening list of scientists attempting to recreate and prove the validity of recent claims surrounding a potential room-temperature, ambient-pressure superconductor being called ‘LK-99’, but the Massachusetts Institute of Technology (MIT) also announced an interesting discovery of its own.  This would be a cost-effective supercapacitor made from non-exotic materials.

커패시터란 무엇인가?

Capacitors are devices that store electrical energy by accumulating an internal imbalance of electric charge across two conductive plates separated by an insulator or dielectric.

‘슈퍼’가 되게 하는 요소는?

• 저장 용량: 슈퍼커패시터는 표준 커패시터에 비해 훨씬 더 많은 전하를 저장할 수 있습니다. 이는 전극의 높은 표면적과 전극 사이의 매우 얇은 거리 덕분에 더 많은 전하를 저장할 수 있기 때문입니다.
• 에너지 및 전력 밀도: 일반적인 커패시터는 전력 밀도가 높고(빠르게 에너지를 전달) 에너지 밀도가 낮지만(저장 에너지 적음), 슈퍼커패시터는 높은 전력 밀도와 비교적 높은 에너지 밀도를 모두 갖추어 커패시터와 배터리 사이의 격차를 메웁니다.
• 구조: 슈퍼커패시터는 종종 다른 재료와 제작 방식을 사용합니다. 전극으로는 다공성 탄소 재료를 활용하여 넓은 표면적을 제공하고, 이온 이동을 가능하게 하는 전해질을 사용합니다. 이러한 넓은 표면적과 특수한 구조 덕분에 슈퍼커패시터는 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
• 충전 및 방전 속도: 슈퍼커패시터는 배터리보다 훨씬 빠르게 충·방전될 수 있으며, 배터리보다 훨씬 많은 충·방전 사이클을 견딜 수 있습니다. 표준 커패시터도 빠르게 충·방전되지만, 슈퍼커패시터는 더 큰 저장 용량 덕분에 전하를 더 오래 유지할 수 있습니다.

Simply put, while standard capacitors and supercapacitors operate on the same basic principle of storing energy in an electric field, supercapacitors are distinguished by their much higher storage capacity, different construction materials, and their ability to combine the characteristics of both capacitors and batteries.

슈퍼커패시터는 어디에 사용되는가?

So now that you know what a supercapacitor is, where are they useful?  Supercapacitors are commonly used in applications where quick energy delivery and efficient storage are essential. Here are some of the typical areas where you might find supercapacitors:

• 전기차(EV): 슈퍼커패시터는 가속에 필요한 빠른 전력 급증을 제공하고 재생 제동 시 에너지를 회수하여 차량 전체 효율성을 향상시킵니다.
• 대중교통: 버스와 트램에서는 짧은 정차 중에 에너지를 빠르게 저장하고 가속에 필요한 에너지를 제공함으로써 주 전원에 가해지는 부담을 줄일 수 있습니다.
• 재생 에너지 시스템: 슈퍼커패시터는 태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지에서 전력을 저장하고 필요할 때 방출합니다. 이는 태양과 바람이 부족할 때 에너지 공급의 변동성을 완화하는 데 도움이 됩니다.
• 무정전 전원 공급 장치(UPS): 지속적인 전원이 필요한 시스템에서 슈퍼커패시터는 짧은 정전 시 또는 백업 발전기가 가동될 때까지 임시 전력을 공급할 수 있습니다.
• 소비자 전자제품: 일부 기기에서는 카메라의 플래시 촬영이나 고급 자동차 오디오 설치와 같이 특정 기능에 필요한 빠른 에너지 급증을 제공하기 위해 슈퍼커패시터를 사용할 수 있습니다.
• 의료 기기: 심장 충격기와 같이 신뢰할 수 있고 즉각적인 전력 공급이 필요한 의료 기기에 슈퍼커패시터를 사용할 수 있습니다.
• 산업 장비: 산업 현장에서는 다양한 기계와 도구에 짧은 시간 동안 필요한 높은 전력을 제공하기 위해 슈퍼커패시터를 사용할 수 있습니다.
• 전력망 안정화: 전력망에서 슈퍼커패시터는 수요나 공급 변화에 빠르게 대응하여 전력망을 안정시키고 변동을 방지하는 데 활용될 수 있습니다.
• 무선 통신 장치: 특히 배터리 교체가 어려운 원격 또는 접근이 힘든 지역에서 신호 전송에 필요한 에너지를 제공하기 위해 사용할 수 있습니다.
• 스마트 그리드 및 마이크로그리드 적용: 슈퍼커패시터는 지능형 에너지 관리 시스템의 일부가 되어 부하를 균형 잡고 에너지를 지역적으로 저장함으로써 보다 효율적인 사용을 돕습니다.
• 항공우주 및 방위: 항공우주 분야에서는 높은 신뢰성과 성능이 요구되는 핵심 시스템에 신뢰할 수 있는 전력을 제공하기 위해 슈퍼커패시터를 사용할 수 있습니다.

Overall, the versatility, high power density, and rapid charge/discharge capabilities of supercapacitors make them suitable for a wide range of applications where both energy storage and quick energy release are required. As you can see from the above list, supercapacitors are already in use in a plethora of industries.  As such, the recent discovery made by MIT is particularly intriguing due to its potential to advance so many different implementations.

새로운 레시피

Per MIT, the researchers involved with this discovery developed the method to produce a cement-based material with a high internal surface area by introducing carbon black into a concrete mixture. The resulting material, when soaked in a standard electrolyte like potassium chloride, forms a powerful supercapacitor. Notably, the amount of carbon needed is minimal, which makes the process both inexpensive and easily reproducible.

When creating a supercapacitor, it is important to remember that its performance is largely based on the internal surface area of its conductive plates.  MIT states that,

“이 팀이 개발한 새로운 슈퍼커패시터의 핵심은, 부피 내부에 조밀하고 상호 연결된 전도성 물질 네트워크 덕분에 매우 높은 내부 표면적을 갖는 시멘트 기반 재료를 생산하는 방법에 있습니다.”

What is key to this discovery though, is that it was achieved with such mundane materials, found cheaply around the world – making it an extremely accessible technology.

이 발견이 흥미로운 이유는 에너지 그리드와 수요를 안정화하는 미래 적용 가능성을 생각할 때입니다. 팀은 이 재료로 집의 기초를 만드는 구현 사례를 설명합니다. 이 재료는 일반 시멘트만큼 견고하게 만들 수 있을 뿐만 아니라, 집의 기초가 하루 전체 전력을 공급할 수 있는 용량을 갖게 됩니다. 이는 정전 시, 피크 요금 시간대, 혹은 유사한 상황에서 활용될 수 있습니다.

It is also useful for homes that leverage renewable energy, where supply is not constant.  During periods of excess creation, the energy stored in the foundation could be topped-up, while in periods of energy drought, it could be drawn upon.  Other implementations include wireless charging technology, serving communities and homes disconnected from traditional power grids, and more.

마무리

The importance of a cement-based supercapacitor is huge, given humans’ proclivity for building with the material.  Overall, the team believes that its,

“…다공성 탄소-시멘트 복합재의 소재 설계는 화석 연료에서 재생 에너지로의 긴급한 전환을 지원하기 위한 에너지 저장을 위한 확장 가능한 소재 솔루션을 제공합니다.”

Not only would it be easily accessible, it could see fairly easy implementation in both small and large-scale projects.