슈퍼커패시터/ 리튬이온 배터리

슈퍼커패시터-신재생에너지 대응을 위한 차세대 고효율, 고용량 에너지 저장 장치

 

두 번째 이야기를 시작하겠습니다. 

 

□ 리튬이온 베터리의 정의 및 구조

커페시터는 전압에 비레하여 전하를 모아 필요한 곳에 공급할 수 있지만 저장 가늘한 전기 에너지의 양은 매우 적어 충전하는 장치나 회로에 사용되고 있으며, 다양한 사업 분야에서 보이고 있는 전기적 자장이  화학적 저장 형태로 저장되는 리튬이온 배터리가 산업분야에 중점적인 에너지 저장 장치로 사용되고 있습니다. 

 

리튬이온 베터리는 이차전지의 일종으로 방저 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이며, 충전 시에는 리튬이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 됩니다. 

 

충전 및 재상이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬이온 폴리머 전지와도 다릅니다. 

 

리튬이온 베터리는 에너지 밀도가 뉴고 기억 효가 없으며, 사용 하지 않을 때에도 자기 방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있습니다. 

 

이외에도 에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여 방위산업이나 자동화 시스템, 그리고 항공 산업분야에서도 사용하고 있습니다. 

 

리튬이온베터리구조

리튬이오베터리구조이미지*출처 : 한국전력공사

그러나 일반적인 리튬 이온 배터리는 잘못 사용 하게 되면 폭발할 염려가 있으므로 주의해야 하며, 리튬 이온 배터리는 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눌 수 있는데, 다양한 종류의 물질들이 이요될 수 있습니다. 

 

상업적으로 가자 많이 이용되는 음극 재질은 흑연으로, 양극에는 층상의 리튬 코발트 산화물과 같은 산화물, 인산철리튬과 간은 풀리음 이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등이 쓰이고 있습니다. 

 

□슈퍼커패시터와 리튬 이온 배터리와의 차이

리튬이온 배터리와 슈퍼커패시터 모두 전기화학적인 반응을 이용한 에너지 저장장치이나, 에너지를 저장할 때 사용되는 전기화학적 메커니즘이 달라서 에너지, 전력 밀도에 차이가 있습니다. 

 

기존의 일반적인 커패시터는 FAGOME PLOT이라 부르는 위쪽 그래프에서 좌측 상단에 위치해 있습니다. 

전력 밀도는 높은 반면 에너지 밀도는 상당히 낮습니다. 이는 한 번에 노은 전력을 출력할 수 있지만 커패시터의 특성상 충, 방전 시간이 너무 빨라 실 제로 저장하는 에너지는 작다는 뜻입니다. 

 

휴대폰이나 태블릿 등 우리가 가장 흔하게 사용하는 배터리인 리튬이온 배터리는 Li+ 이온의 산화환원 반응을 통해서 전기가 생성되는 방식을 가지고 있습니다. 

배터리는 전력 밀도 자체는 커 패시 터보다 낮지만 화학적인 반응을 수반하기 때문에 천천히, 긴 시간 동안 전력을 충방전 하여 저장할 수 있는 에너지가 상대적으로 많아 에너지 밀도가 높습니다. 

 

슈퍼커패시터는 기존의 커패시터와 배터리의 중간 지점에 위치해 있습니다. 즉 평범한 커패시터에 비해 많은 양의 에너지를 저장할 수 있으면서 동시에 배터리보다 훨씬 높은 출력을 낼 수 있는 장점이 있습니다. 

 

에너지, 전력 밀도 RAGONE PLOT

에너지, 전력밀도 RAGONE PLOT    *출처 : 한국전력공사

□고효율 및 고출력 에너지 저장 장치의 필요성 대두 

 

최근 에너지 사용의 증가는 온실 가스 배출 증가의 결정적인 원인으로 작요하고 있으며, 온실가스 감축 및 국제환경 규제 대응이 필수입니다. 화석에너지 고갈, 국제환경 규제 강화로 인해 향후 신재생에너지는 주요 에너지원으로 부상될 석으로 전 암되며 온실가스 감추의무를 준수하고 지속 가능한 경제 발전을 위해 신재생 에너지는 주요 에너지원으로 부상될 것으로 전망되며, 온실가스 감축의무를 준사후고 지속가능한 경제발전을 위해 신재생에너지 개발 보급 목표를 정하여 중점적으로 투자가 진행되고 있습니다. 우리나라는 에너지 대외 의존도가 높고 유가 변동에 의한 영향의 폭이 커서, 안정적 에너지 수급이 중요한 고제로 대두되고 있습니다. 

 

또한 환경 규제 및 에너지 정책에 의하여 친환경 EV(전기자동차) 스마트 그리드가 주목 받으면서 에너지 저장장치의 개발 필요성이 대두되고 있는 시점이며, 급성장을 보이고 있습니다. 

가장 많이 적용되고 있는 에너지 저장장치로 니켈수소 이차전지와 리튬 이차전지가 사용되고 있으나,

이차전지의 경우 고출력 방전 시 전압 강하 및 반복 사용 수명이 짧아지므로 2-3년 주기로 교체가 필요한 단점이 존재하고 있으며 태양광, 풍력 등은 기상 상황과 시간대에 따른 출력 예측이 어렵고 , 품질의 확보가 지장을 초래하고 있는 상황입니다. 

다양한 분야에서 많은 에너지를 안전하게 저장할 수 있는 에너지 저장 시스템에 대하나 요구가 급증하고 있으며 , 

차세대 저장 치는 전력회사의 전력공급에서 재생 에너지원에 의한 전력 공급으로 전환할 때 발생하는 순간 부하에 대한 신뢰성 확보할 수 있어야 하며 기상조건 또는 시간대 등에 따라 변화하는 재생 발전원에 의한 불안정한 출력변동 보상에 의한 절력 품질 확보할 있어야 허며 일정한 출력의 발전기에 대해 부하가 적을 경우 에너지 너력 저장 치이에 저장, 부하가 클 경우 에너지 저장 장치로부터 보조 또는 심야 전력으로 공급합으로써 에너지를 효율적으로 이용이 가능해야 합니다. 

이에 적합한 저장장치를 필요로 함에 따라, 고효율 및 고출력 특성을 특징으로 하는 슈 커커 패 시터(SUPERCAPACITOR)는 신재생 에너지 분야에 새로운 에너지 저장장치로 주목받고 있습니다. 

 

슈퍼커패시터-신재생에너지 대응을 위한 차세대 고효율, 고용량 에너지 저장 장치

슈퍼커패시터-신재생에너지 대응을 위한 차세대 고효율, 고용량 에너지 저장 장치