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

재료과학의 발전은 에너지 기술을 크게 바꿀 수 있습니다. 2023년 8월 초에는 연구자들이 LK-99가 상온·상압에서 초전도성을 보인다는 주장을 재현하려고 시도하고 있었으며, 당시 그 주장은 아직 확인되지 않았습니다. 같은 시기 매사추세츠공과대학교(MIT)도 자체적인 흥미로운 연구 성과를 발표했습니다. 흔하고 저렴한 재료로 만든 슈퍼커패시터입니다.

커패시터란 무엇인가?

커패시터는 두 전도성 전극에 서로 반대되는 전하를 분리해 전기 에너지를 저장합니다. 일반적인 커패시터에서는 두 전극 사이에 절연체인 유전체가 있으며, 에너지는 전기장에 저장됩니다.

슈퍼커패시터는 무엇이 다른가?

슈퍼커패시터는 울트라커패시터라고도 하며 정전용량이 매우 큽니다. 전기이중층 커패시터는 슈퍼커패시터의 한 종류입니다. 일반 커패시터와의 주요 차이는 다음과 같습니다.

• 저장 용량: 슈퍼커패시터는 일반 커패시터보다 훨씬 많은 전하를 저장할 수 있습니다. 전기이중층 커패시터에서는 전극의 넓은 내부 표면적과 전극 표면·전해질 이온층 사이의 매우 짧은 거리가 큰 정전용량을 가능하게 합니다.
• 에너지 및 전력 밀도: 커패시터는 보통 에너지를 빠르게 전달하지만 배터리보다 저장 에너지가 적습니다. 슈퍼커패시터는 그 중간에 위치합니다. 에너지 밀도는 일반 커패시터보다 높지만 대체로 배터리보다 낮으며, 전력 밀도는 높습니다.
• 구조: 전극에는 내부 표면적이 넓은 다공성 탄소 재료가 자주 사용되며, 전해질은 이온이 이동하도록 합니다. 이러한 구조가 정전용량과 저장 에너지를 늘립니다.
• 충전 및 방전 속도: 슈퍼커패시터는 일반적으로 배터리보다 빠르게 충전·방전할 수 있고 많은 충·방전 횟수를 견딥니다. 다만 정전용량이 크다고 전하가 반드시 오래 유지되는 것은 아닙니다. 자기방전과 누설전류도 유지 시간에 영향을 줍니다.

일반 커패시터와 전기이중층 슈퍼커패시터는 전하를 분리해 에너지를 저장합니다. 슈퍼커패시터는 큰 정전용량, 전극 재료의 차이, 빠른 전력 공급과 일반 커패시터보다 큰 에너지 저장량의 조합이 특징입니다.

슈퍼커패시터는 어디에 사용되는가?

슈퍼커패시터는 빠른 전력 공급과 반복 충전이 필요한 상황에 특히 적합합니다. 다음은 현재 사용되거나 설계에 따라 적용할 수 있는 사례입니다.

• 전기차(EV): 가속에 필요한 짧은 전력 펄스를 공급하고 회생제동 에너지를 회수해 차량의 에너지 효율을 높일 수 있습니다.
• 대중교통: 버스와 트램에서는 짧은 정차 중 에너지를 저장한 뒤 가속에 사용해 주전원에 걸리는 순간 부하를 줄일 수 있습니다.
• 재생 에너지 시스템: 태양광·풍력 발전량의 빠른 변화를 완화할 수 있습니다. 일반적인 슈퍼커패시터는 특히 단시간 출력 조정에 적합하며, 장시간 에너지 저장에는 충분한 저장 용량이 필요합니다.
• 무정전 전원 공급 장치(UPS): 짧은 정전 중이나 예비 발전기가 가동되기 전까지 일시적으로 전원을 유지할 수 있습니다.
• 소비자 전자제품: 전자기기의 짧은 전력 펄스와 자동차 오디오의 순간 부하를 지원할 수 있습니다. 카메라 플래시의 에너지 펄스 저장에는 일반 고전압 커패시터도 사용됩니다.
• 의료 기기: 의료기기의 전원 공급을 보조할 수 있습니다. 제세동기의 고전압 충격 펄스를 저장하는 데는 보통 필름 커패시터와 같은 전용 펄스 커패시터가 쓰입니다.
• 산업 장비: 산업 현장에서는 다양한 기계와 도구에 짧은 시간 동안 필요한 높은 전력을 제공하기 위해 슈퍼커패시터를 사용할 수 있습니다.
• 전력망 안정화: 수요나 발전량 변화에 빠르게 대응해 전력망의 변동을 완화하고 안정성을 높일 수 있습니다.
• 무선 통신 장치: 원격 센서나 접근하기 어려운 설비에서 신호 전송에 필요한 짧은 전력 펄스를 공급할 수 있습니다.
• 스마트그리드와 마이크로그리드: 지역 에너지 관리 시스템에 포함돼 부하를 조정하고 에너지를 저장해 효율적인 사용을 지원할 수 있습니다.
• 항공우주 및 방위: 적합한 항공우주·방위 시스템에서 핵심 장비의 전원 공급과 순간적인 전력 수요를 지원할 수 있습니다.

다양한 용도, 높은 전력 밀도, 빠른 충전·방전 덕분에 슈퍼커패시터는 여러 분야에서 활용됩니다. 위 목록에는 실제 사용 사례와 설계에 따라 가능한 용도가 포함됩니다. MIT 연구는 익숙한 재료로 대규모 에너지 저장장치를 만들 가능성을 제시한다는 점에서 주목할 만합니다.

새로운 제조법

MIT 연구진은 미세한 탄소 분말인 카본블랙을 첨가해 내부 표면적이 넓은 시멘트 기반 전극 재료를 만들었습니다. 이 재료에 염화칼륨 용액과 같은 전해질을 충분히 스며들게 하고, 분리막을 사이에 둔 두 전극으로 장치를 구성하면 슈퍼커패시터가 됩니다. 탄소 함량은 비교적 적을 수 있으며 원료는 저렴하고 널리 구할 수 있습니다.

정전용량은 전도성 전극 재료의 내부 표면적에 크게 좌우됩니다. MIT는 핵심을 다음과 같이 설명했습니다.

“연구팀의 슈퍼커패시터는 시멘트 기반 재료 내부에 조밀하고 서로 연결된 전도성 물질의 네트워크를 형성해 매우 넓은 내부 표면적을 만드는 방법을 핵심으로 합니다.”

흔하고 저렴한 재료를 세계 여러 지역에서 구할 수 있다는 점은 이 기술의 장점입니다. 이를 통해 접근성과 확장성이 높은 에너지 저장장치를 만들 가능성이 있습니다.

연구진이 구상한 용도 중 하나는 주택 기초에 에너지 저장장치를 통합해 발전과 소비의 차이를 조정하는 것입니다. 연구팀은 약 45세제곱미터의 재료가 약 10킬로와트시를 저장할 것으로 추산했고, 이를 가정의 하루 전력 소비량 예시로 사용했습니다. 이는 실험실 결과를 확대한 추정치이며 실제로 완성된 주택 기초는 아니었습니다. 저장 성능과 강도 사이에는 절충이 있으므로 배합을 구조적 요구에 맞춰야 합니다. 저장한 에너지는 정전이나 사용량이 많은 시간대에 활용할 수 있습니다.

이러한 저장장치는 태양광·풍력을 사용하는 주택에도 도움이 될 수 있습니다. 발전량이 소비량을 넘을 때 충전하고 발전량이 줄면 저장 에너지를 사용합니다. 연구진은 전기차 무선충전과 결합한 도로, 기존 전력망 밖의 주택과 지역을 위한 에너지 저장도 가능한 용도로 제시했습니다.

마무리

시멘트는 건설에 널리 쓰이므로 시멘트 기반 슈퍼커패시터는 중요한 의미를 가질 수 있습니다. 연구팀은 목표를 다음과 같이 설명했습니다.

“…다공성 탄소·시멘트 복합재 설계는 에너지 저장을 위한 확장 가능한 재료 해법을 제공해 화석연료에서 재생에너지로의 시급한 전환을 지원합니다.”

원료를 쉽게 구하고 저장장치의 크기를 확대할 수 있다는 점은 소규모와 대규모 사업 모두에 매력적입니다. 실제 설비에서는 목표 규모에서 에너지 저장 기능과 구조적 성능이 함께 작동하는지 입증해야 합니다.