나무 껌 혁신, 슈퍼커패시터 수명 향상

배터리는 가장 널리 사용되는 에너지 저장 장치 중 하나입니다. 이러한 전기화학 장치는 손상 없이 여러 번 충전 및 방전될 수 있습니다. 배터리는 에너지 비용 절감, 에너지 자립도 향상, 전력망 안정성 개선, 재생 에너지 통합 지원 등 다양한 이점을 제공합니다.

하지만 배터리보다 훨씬 더 큰 능력을 자랑하는 또 다른 전기화학 에너지 저장 장치가 있습니다. 그 장치는 슈퍼커패시터이며, 울트라커패시터 또는 전기화학 커패시터라고도 불립니다.

고용량 에너지 저장 장치인 슈퍼커패시터는 배터리와 기존 커패시터 사이의 격차를 메워줍니다.

이 장치는 충전식 배터리보다 약 천 배 높은 높은 전력 밀도를 보여줍니다. 또한 커패시터보다 더 많은 전하를 저장하고 배터리보다 빠르게 충·방전합니다.

긴 사이클 안정성 외에도 슈퍼커패시터는 빠른 충·방전 효율을 가지고 있어 순간적인 전력 공급이 필요한 응용 분야에 적합합니다. 오늘날 슈퍼커패시터는 레이저, 휴대용 전원 공급 장치, 카메라 플래시 장비, 펄스 라이트 발생기, 재생 에너지 시스템, 하이브리드 전기차, 산업용 전원 백업 등 다양한 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

현재 슈퍼커패시터는 외부 회로에 연결된 두 개의 전극(전도체)과 전해질(이온 전도체), 그리고 전극이 단락되지 않도록 전기적으로 분리하면서 특정 이온이 통과하도록 하는 멤브레인인 분리막으로 구성됩니다.

높은 전력 밀도와 재활용 가능성 등 친환경성을 갖춘 슈퍼커패시터는 가장 널리 그리고 활발히 연구되는 에너지 저장 시스템 중 하나입니다.

슈퍼커패시터에서는 표면 제어 반응이 주로 정전 용량을 결정합니다. 따라서 전극과 전해질 사이의 안정적인 인터페이스가 고성능을 달성하고 전기화학적 성능을 안정적으로 유지하는 핵심 요소입니다.

계면 특성은 높은 전기화학 성능을 보장하는 데 매우 중요하기 때문에, 연구자들은 이를 개선하고 관련 문제를 극복하기 위한 다양한 방법을 개발해 왔습니다.

하지만 이러한 시도들은 모두 확장성, 비용, 친환경성, 그리고 여러 공정 단계와 같은 상당한 제한에 직면해 있습니다. 따라서 장기 운용이 가능한 고에너지·고전력 밀도 슈퍼커패시터를 구현하면서도 위 기준을 충족하는 지속 가능한 솔루션을 찾는 것이 필수적입니다.

이에 세 기관의 연구팀이 모여 구연산(또는 나트륨 알긴산)으로 구성된 새로운 전해질 첨가제, 즉 결합된 바이오폴리머인 KS(구연 고무)를 소개했습니다. 이 나무 고무는 널리 이용 가능할 뿐만 아니라 재활용이 가능합니다.

구연 고무를 도입함으로써 전극 표면에 보호층이 형성되어 부산물 생성을 방지하면서도 이온·전자의 원활한 이동을 가능하게 했습니다. 특히 이 새로운 첨가제 개념을 슈퍼커패시터 시스템에 적용하면 전기화학적 신뢰성이 크게 향상됩니다.

극히 낮은 KS 농도(예: 5 mg ml⁻¹)에서도 전류 밀도 4.0 mA cm⁻²에서 30,000 사이클 동안 정전 용량 유지율이 무려 35% 향상되어 93%에 달했습니다. 이는 산성 H₂SO₄ 전해질과 탄소 기반 전극을 사용했음에도 불구하고 “놀라운” 결과라 할 수 있습니다.

연구진은 이를 “바이오폴리머 결합 전해질 첨가제를 도입함으로써 슈퍼커패시터의 장기 운용이 크게 개선된 최초 보고”라고 명명했습니다. 이 솔루션은 단순함, 저비용, 친환경성을 바탕으로 상용화 가능성이 있습니다.

Tree Gum’s Role in Next-Gen Supercapacitors

연구진은 스코틀랜드, 한국, 그리고¹ 인도에 있는 대학들에서 이번 연구를 수행했으며, 해당 연구는 이번 달 《Energy Storage Materials》에 게재되었습니다.

여기에는 글래스고 대학교, 중앙대학교, 아주대학교, 아므리타 대학교, 명지 대학교가 포함되며, 이들은 생체 적합성과 뛰어난 전기화학적 신뢰성을 제공하는 고안정성 슈퍼커패시터를 위한 결합 KS 복합 구조를 설계했습니다.

사용된 폐 고무는 인도 산림에서 생산된 것입니다. 나무 고무는 식품, 화장품, 제약 등 다양한 산업에서 광범위하게 활용됩니다. 그러나 이 특정 고무는 실용적인 용도가 많지 않았습니다.

사실, 이 고무는 “인도 정부가 처리하기에 ‘약간 골칫거리’”라고 연구 책임자인 글래스고 대학교 제임스 와트 공학부의 정준영 박사가 언급했습니다. 그는 다음과 같이 덧붙였습니다.

“이번 연구를 통해 우리는 이 고무로부터 실질적인 영향을 미칠 수 있는 무언가를 만들었으며, 생분해 가능하고 재활용 가능한 바이오폴리머를 개발해 놀라운 성능을 구현하고 슈퍼커패시터의 사용 수명을 크게 연장할 수 있게 되었습니다.”

산성 전해질을 사용하면 슈퍼커패시터의 장기 성능에 영향을 미칩니다. 금속 전극과의 원치 않는 부반응을 일으켜 시간이 지남에 따라 완전 충전 능력이 감소합니다.

또한 슈퍼커패시터의 수명이 다했을 때 교체·재활용·폐기 문제가 있습니다. 이는 전자 폐기물 문제를 가속화시켜 환경 및 건강에 심각한 위험을 초래합니다.

따라서 연구팀은 코클로스퍼뮴 고시피움(또는 콩다고구) 나무의 껍질에서 추출한 다당류인 고무 콘다고구(KO)를 사용했습니다. 연구진은 이를 나트륨 알긴산과 결합해 ‘KS’라는 스펀지 형태의 바이오폴리머를 만들었습니다.

이 바이오폴리머를 산성 전해질에 첨가하면 탄소 전극 표면에 보호층이 형성되어 전극의 물리적 손상을 방지합니다. 이 보호는 이온 이동 과정을 방해하지 않아 슈퍼커패시터가 충·방전할 수 있게 합니다.

개선된 전해질은 슈퍼커패시터의 성능을 크게 향상시켰습니다.

“실험실에서는 30,000 사이클 동안 뛰어난 성능을 확인했습니다. 만약 하루에 한 사이클씩 운용한다면, 이 슈퍼커패시터는 이론적으로 80년 이상 성능 저하 없이 사용할 수 있어, 장치 교체 없이 훨씬 오래 사용할 수 있다는 의미입니다.”

– 정 박사

이 연구는 실제로 정 박사의 바이오 폐기물을 배터리에 활용하는 연구와 연계되어 있습니다. 그의 연구는 물에 용해되는 고무 바인더가 리튬 이온 배터리의 흑연 양극에 적용될 때 효과적임을 보여주었습니다.

‘물에 용해되는 바이오 폐기물 고무 바인더를 이용한 천연 흑연 양극용 리튬이온 배터리’ 연구가 발표되었으며² 이 연구는 기존의 환경 유해 N-메틸-2-피롤리돈을 사용하는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 물에 용해되는 바인더로 대체하는 방안을 제시했습니다.

연구에서는 코클로스퍼뮴 고시피움 나무 고무에서 추출한 물에 용해되는 바이오폐기물(W‑SB) 바인더와 PVdF를 각각 10 wt% 비율로 사용해 천연 흑연 기반 양극을 제작했습니다.

NG‑W‑SB 전극은 우수한 기계적 특성을 보였으며 사이클 후에도 구조적 무결성을 유지해 전극의 전하 전달 저항을 낮추었습니다. 또한 첫 사이클에서 높은 전류 피크를 나타내어 전기화학적 성능이 향상된 반면, NG‑PVdF 전극은 약간 낮은 피크와 200 사이클 이후 용량 저하를 보였습니다. NG‑W‑SB는 360 사이클까지 높은 안정 용량 유지율을 보였습니다.

“전반적으로, W‑SB 바인더는 사이클 유지 특성이 크게 향상되고, 비율 특성 및 전극 저항 감소가 뛰어나며, 이는 바이오 폐기물(고무)을 LIB 응용 분야의 기능성 물에 용해되는 바인더로 채택할 새로운 길을 열어줍니다.”라고 연구는 언급했습니다.

정 박사의 또 다른 연구³는 ‘친환경 뽕잎 종이 슈퍼커패시터용 유기물 유래 활성탄’에 관한 것으로, 오렌지 껍질(OP)이라는 일반 폐기물을 이용해 활성탄(AC)을 제조하고 이를 뽕잎 종이(MP)에 코팅했습니다. 뽕잎 종이는 친수성, 높은 전전구성 함량, 활성 물질과의 강한 결합을 보여줍니다. 여기서는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS)를 추가 코팅해 이중 코팅 MP를 슈퍼커패시터에 적용했습니다.

Other Developments in the Supercapacitors Space

슈퍼커패시터가 다양한 응용 분야에서 차지하는 중요성이 커짐에 따라 전 세계 연구자들은 성능 향상을 위한 방안을 활발히 탐구하고 있습니다.

Plasma Treatment to Improve the Capacitance

올해 초, 러시아 스콜코프 과학기술연구소(Skoltech)의 과학자들은 슈퍼커패시터의 용량을 두 배로 늘릴 수 있는 플라즈마 처리 기술을 공개했습니다.

연구팀은 연구 책임자인 스탠리슬라프 에블라신 조교수에 따르면 “탄소 기반 전극 소재를 조작함으로써 슈퍼커패시터 성능을 향상시키는 방법”을 모색하고 있다고 밝혔습니다.

에블라신은 다음과 같이 설명했습니다.

“전극의 유효 표면적을 정교한 표면 설계로 확대하거나, 탄소 전극 소재에 외부 원자를 도입하는 두 가지 방법이 있습니다.”

그들의 연구는 플라즈마 처리를 통해 탄소 전극 소재에 외부 원자를 도입하는 효과에 초점을 맞췄습니다.

연구팀은 6가지 화학 조성의 플라즈마를 시험했으며, 그 중 질소와 아르곤 혼합 플라즈마만이 실질적인 개선을 보였습니다.

“먼저 탄소 나노월 구조 성장 후 남는 비정질 탄소가 제거됩니다. 이어 새로운 결함이 형성되고 이종 원자가 탄소 구조에 도입됩니다. 비정질 탄소와 질소 이종 원자는 가상 정전 용량(pseudocapacitance) 발생에 기여합니다.”

– 에블라신

Advancing Performance Through Electrode & Material Engineering

이번 주에 캘리포니아 대학교 연구진은 전기결정화 방향성 및 표면 활성화⁴를 설계하고, 광범위 온도 범위에서 작동하는 아연 이온 슈퍼커패시터(ZHSC)를 구현했습니다.

연구에 따르면 양극과 음극의 용량을 일치시키는 것이 전기화학 셀 성능을 극대화하는 데 필요합니다. 따라서 연구팀은 ZHSC에서 전극 활용도를 균등하게 맞추는 두 가지 접근법을 제시했습니다.

첫 번째는 구리 나노입자를 이용해 양극 전류 수집체를 개질해 수지상(덴드라이트) 형성을 최소화함으로써 사이클 수명을 늘리는 것이고, 두 번째는 전해질 반응을 통해 활성탄 음극의 용량을 증대시키는 전략입니다.

전체 셀은 2 V까지 50,000 완전 충·방전 사이클 후에도 용량의 84%를 유지했으며, 누적 용량은 19.8 Ah cm⁻²에 달해 ZHSC를 뛰어넘는 성능을 보였습니다. 이는 “고내구성 응용 분야, 예를 들어 무정전 전원 공급 장치와 빈번한 사이클링이 요구되는 에너지 수확 시스템에 유망한 설계”라고 평가되었습니다.

지난달 발표된 연구에서는 리튬 코발트 산화물의 음이온 구조를 변형⁵하여 슈퍼커패시터의 에너지 밀도와 전하 저장 능력을 향상시키는 방안을 제시했습니다.

이를 위해 리튬 코발트 산화물을 LiCoO₁.₆(F₀.₈Cl₀.₂)₀.₄로 변형했으며, 이 물질은 512 F g⁻¹의 정전 용량과 2 A g⁻¹ 전류 밀도에서 4000 사이클 후 92% 이상의 전류 효율을 보였습니다. 변형된 물질은 높은 전류 속도에서도 전기화학적 안정성이 뛰어나고 등가 직렬 저항이 낮아 “향후 슈퍼커패시터 기술 발전을 위한 중요한 후보”로 평가되었습니다.

Plastic Supercapacitors for More Energy Storage

연구자들은 플라스틱을 활용해 슈퍼커패시터를 개선하고 있습니다. UCLA 화학자들은 텍스처가 있는 털 같은 PEDOT 나노섬유를 개발했으며, 이는 더 큰 표면적과 우수한 전기 전도성을 제공합니다.

PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))는 투명하고 유연한 필름으로 전자 부품 및 사진 필름 표면에 정전기로부터 보호하기 위해 적용됩니다. 그러나 기존 PEDOT 소재는 전기 전도성 및 표면적이 충분히 높지 않아 에너지 저장 용량이 제한적입니다.

하지만 혁신적인 방법을 통해 화학자들은 PEDOT의 형태를 정밀하게 제어해 나노섬유를 정확히 성장시켰습니다. 기상 성장 공정을 이용해 수직으로 뻗은 PEDOT 나노섬유를 만들었으며, 이는 마치 빽빽한 풀처럼 위로 자라납니다.

“이 소재의 독특한 수직 성장 덕분에 기존 PEDOT보다 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 PEDOT 전극을 만들 수 있었습니다.”

– UCLA 재료 과학자 마허 엘‑카디 (Corresponding Author)

연구팀은 이러한 PEDOT 구조를 이용해 슈퍼커패시터를 제작했으며, 이는 기존 PEDOT 대비 거의 10배 이상의 전하를 저장하고 약 100,000 회 충전 사이클을 견뎌냈습니다.

관련 저자이자 화학 및 재료 과학 교수인 리차드 카너는 다음과 같이 설명했습니다.

“우리 전극의 뛰어난 성능과 내구성은 그래핀‑PEDOT이 슈퍼커패시터에 적용될 경우 우리 사회의 에너지 수요를 충족시키는 데 큰 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다.”

자체 충전 슈퍼커패시터에 대한 모든 정보를 보려면 클릭하세요.

Adding Supercapacitors to Batteries to Boost Charging Speed

이러한 연구가 진행되는 가운데, 독일 자동차 제조업체 BMW는 슈퍼커패시터 특허를 출원했으며, 이 특허는 하이브리드 레이스카를 1분 안에 충전할 수 있도록 설계되었습니다.

BMW는 모터스포츠 전용 슈퍼커패시터를 배터리에 추가해 충전 시간을 크게 단축하는 방안을 모색하고 있습니다. 신청서에 따르면, 20 kWh 이상의 용량을 가진 하이브리드 슈퍼카와 기존 배터리 시스템을 결합하면 두 시스템의 주요 단점을 극복할 수 있다고 합니다.

BMW는 “트랙에서 차량을 운전하려는 고객에게는 짧은 중단으로 물리적 한계까지 지속적으로 주행할 수 있는 기회를 제공할 수 있다”고 추정했습니다.

그 경쟁사인 폭스바겐 그룹은 이미 람보르기니 시안에 슈퍼커패시터를 사용하고 있습니다. 이 슈퍼커패시터는 전기를 저장해 전기 모터에 공급하며, 기어박스에 내장된 25 kW 모터가 577 kW, 6.5 리터 V12 엔진에 전자 부스트를 제공하거나 저속 조작 시 전기만으로 구동할 수 있게 합니다.

Innovative Companies in the Field

전 세계 슈퍼커패시터 시장 규모는 수십억 달러에 달하며, 지속 가능하고 에너지 효율적인 저장 솔루션에 대한 수요가 증가함에 따라 파나소닉, 스켈레톤 테크놀로지스와 같은 기업들이 기술 개선에 매진하고 있습니다.

이 분야의 대표적인 기업으로는 AVX 코퍼레이션이 있습니다. AVX는 2020년에 일본 전자 제조업체 교세라 코퍼레이션에 인수되어 NYSE에서 거래를 중단했으며, 현재 교세라 주식은 OTC 시장(KYOCF:OTCPK)에서 $10.70에 거래되고 시가총액은 $15.85 억이며, 배당 수익률은 3.12%입니다.

KEMET 코퍼레이션은 고성능 슈퍼커패시터를 제공하며, DC 회로에서 보조 배터리로 활용될 수 있습니다. 공식 웹사이트에 따르면 이 장치는 저전압 DC 유지 보조 응용 분야에 가장 적합합니다. 원래 1990년 NYSE에 상장된 미국 기업이었으며, 2020년에 대만 기업 야게오 코퍼레이션에 인수되었습니다.

맥스웰 테크놀로지는 또 다른 주요 울트라커패시터 제조업체입니다. 테슬라가 2019년에 인수했으며 2021년에 UCAP Power에 매각했습니다. 매각 후에도 테슬라는 자체 건식 전극 제조 공정을 유지하고 있으며, 이는 커패시터 기술에 기반합니다. 현재 TSLA 주가는 연초 대비 37% 이상 하락했으며 $248.80에 거래되고 있습니다.

또한 호주 기반의 CAP‑XX는 소비자 휴대 기기, 상업·산업 전자제품, 청정 에너지 응용 분야에 사용되는 얇은 프리즘형 슈퍼커패시터를 제조하며 런던 증권거래소 AIM 시장에 상장되어 있습니다.

CAP‑XX의 슈퍼커패시터는 높은 에너지 밀도, 높은 셀 전압, 극히 낮은 누설 전류를 자랑합니다. 이 슈퍼커패시터를 활용하면 제조업체는 배터리 크기·무게·비용을 줄이고, 부품 수와 비용 및 환경 영향을 감소시킬 수 있습니다. (TSLA )

Conclusion

배터리가 한때 주목을 받았지만, 슈퍼커패시터는 전 세계 에너지 생태계에서 가장 중요한 구성 요소 중 하나로 부상하고 있습니다. 슈퍼커패시터는 높은 효율성, 긴 사이클 수명, 즉각적인 전력 전달을 제공할 수 있기 때문입니다.

현재 슈퍼커패시터는 소비자 전자제품, 재생 에너지 평활, 하이브리드 전기차, 백업 전원 등 빠른 충·방전 사이클과 긴 운용 수명이 요구되는 에너지 저장 분야에서 보완적인 역할을 수행하고 있습니다.

그러나 슈퍼커패시터의 보다 폭넓은 채택은 여전히 비용, 소재, 환경 문제에 의해 제한되고 있습니다. 하지만 나무 고무 기반 바이오폴리머와 같은 접근법이 이러한 과제를 직접 해결하고 있어 슈퍼커패시터의 밝은 미래를 기대하게 합니다. 상용화까지는 시간이 걸리겠지만, 규모가 확대되면 슈퍼커패시터는 주류 시장에 진입해 지속 가능한 에너지 시스템의 핵심 역할을 수행할 수 있을 것입니다.

배터리 상위 10개 종목 목록을 보려면 클릭하세요.

참고 연구:

1. ​Lee, S., Park, J. Y., Yoon, H., Park, J., Lee, J., Hwang, B., Padil, V. V. T., Cheong, J. Y., & Yun, T. G. (2025). 장기 안정 전극‑전해질 인터페이스를 가능하게 하는 바이오폴리머 결합 전해질 첨가제로 구현한 장수명 슈퍼커패시터. Energy Storage Materials, 67, 104195. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104195

2. Chang, J. H., Pin, M. W., Msalilwa, L. R., Shin, S. H., Han, C., Yu, H., Chandio, Z. A., Padil, V. V. T., Kim, Y., & Cheong, J. Y. (2024). 천연 흑연 양극용 물에 용해되는 바이오폐기물 고무 바인더. Journal of Electroanalytical Chemistry, 967, 118467. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2024.118467

3. Han, Y., Yoon, H., Cheong, J. Y., & Hwang, B. (2025). 친환경 뽕잎 종이 슈퍼커패시터를 위한 유기물 유래 활성탄. International Journal of Energy Research, 2025, 8791702. https://doi.org/10.1155/er/8791702

4. Yao, L., Koripally, N., Shin, C., et al. (2025). 광범위 온도 아연 이온 슈퍼커패시터에서 전기결정화 방향성 및 표면 활성화 설계. Nature Communications, 16, 3597. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58857-5

5. Hashemzadeh, S. M., Khorshidi, A., & Arvand, M. (2025). 고성능 슈퍼커패시터 적용을 위한 리튬 코발트 산화물의 음이온 엔지니어링. Scientific Reports, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7