발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 커패시터는 반영구적 수명과 높은 출력 특성을 가지지만, 전지에 비해 에너지 밀도가 낮은 단점이 있습니다.

• 에너지 밀도를 높이기 위해 작동 전압을 높이면 전해액이 전기화학적으로 분해되어 커패시터의 성능이 저하되는 문제가 발생합니다.

• 기존의 양이온 교환 방식은 3.2V 이상의 고전압에서 수명이 현저히 감소하는 한계가 있습니다.

• 현재 음이온으로 사용되는 테트라플루오로보레이트 또는 헥사플루오로포스페이트는 산화 안정성이 낮아 고전압에서 분해되며 열과 가스를 발생시켜 제품 성능을 저하시킵니다.

기술의 필요성

• 고전압에서도 안정적으로 작동하고 높은 에너지 밀도를 구현하기 위한 새로운 전해액 개발이 시급합니다.

• 기존 음이온의 낮은 산화 안정성 문제를 해결할 수 있는, 전기화학적으로 안정한 대체 음이온 물질이 필요합니다.

• 이를 통해 고전압에서도 장시간 안정적으로 사용할 수 있는 고성능 전기이중층 커패시터의 개발이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 전기화학적으로 매우 안정한 비스(옥살레이트)보레이트(BOB)를 음이온으로 사용하는 새로운 전해질 염을 핵심으로 합니다.

• 이 새로운 음이온은 기존의 테트라플루오로보레이트나 헥사플루오로포스페이트 음이온과 비교하여 뛰어난 전기화학적 안정성을 가집니다.

• 높은 전압에서도 전해액의 분해를 효과적으로 억제하여 커패시터의 안정성과 수명을 향상시킵니다.

구체적인 구현 방법

1. 비스(옥살레이트)보레이트를 음이온으로 갖는 전해질 염을 제조합니다.

2. 제조된 전해질 염을 고순도로 정제합니다.

3. 정제된 전해질 염을 적절한 용매(예: 아세토나이트릴)에 용해시켜 전해액 조성물을 제조합니다. 이때 전해질 염의 농도는 0.8~2.5M 범위가 바람직합니다.

4. 제조된 전해액 조성물을 사용하여 전기이중층 커패시터(예: 코인 셀)를 제조합니다.

기술의 장점

• 전해액의 산화 안정성 향상: 고전압에서의 전기화학적 분해를 억제하여 커패시터의 내구성과 신뢰성을 높입니다.

• 에너지 밀도 향상: 안정적인 고전압 구동을 가능하게 하여 높은 에너지 밀도를 갖는 전기이중층 커패시터를 제공할 수 있습니다.

• 우수한 효율 유지: 실험 결과, 비교예 대비 고전압 영역에서도 효율이 급격히 감소하지 않고 뛰어난 충방전 효율을 유지함을 확인했습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험의 목적은 전해액 조성물에 포함된 음이온의 종류에 따라 전기이중층 커패시터의 용량 및 효율이 어떻게 달라지는지 확인하고, 본 발명에 따른 비스(옥살레이트)보레이트 음이온의 우수성을 입증하는 것입니다.

실험 방법 및 과정

1. 실시예(비스(옥살레이트)보레이트 음이온)와 비교예(기존 BF4, FSI, TFSI 등 음이온)에 따라 각각 코인형 전기이중층 커패시터를 제조합니다.

2. 커패시터 내 부반응을 가속하기 위해 55℃ 항온 챔버에서 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry) 실험을 실시합니다.

3. 먼저 0V에서 3.0V까지 4mV/s의 주사 속도로 5회 충방전을 진행하여 전극에 안정적인 피막을 형성합니다.

4. 이후 상한 전압을 2.2V에서 3.3V까지 0.1V씩 증가시키며, 각 전압 당 20회의 실험을 수행합니다.

5. 마지막 5회의 충방전 데이터를 이용하여 해당 전압의 방전 용량 및 충방전 효율을 결정합니다.

실험 결과

실험 결과, 본 발명의 비스(옥살레이트)보레이트를 음이온으로 함유하는 커패시터는 비교예의 커패시터보다 모든 전압 구간에서 효율이 뛰어났습니다. 특히 고전압으로 갈수록 비교예의 효율은 급격히 감소하는 반면, 본 발명의 커패시터는 높은 효율을 안정적으로 유지하여 고전압에서의 사용이 매우 유리함을 확인했습니다.

전해질 음이온에 따른 커패시터 성능 비교

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 고전압, 고에너지 밀도가 요구되는 차세대 전기이중층 커패시터 제조

• 전기자동차(EV) 및 하이브리드 자동차(HEV)의 보조 전원 및 회생 제동 시스템

• 태양광, 풍력 등 신재생에너지 저장 시스템(ESS)의 출력 안정화 및 효율 향상

• 데이터센터, 통신 장비 등의 무정전 전원 공급 장치(UPS) 및 메모리 백업

기대효과

• 기술적 측면: 고전압 환경에서의 커패시터 수명 및 안정성을 획기적으로 개선하여, 고성능 에너지 저장 장치 개발의 기술적 한계를 극복합니다.

• 경제적 측면: 수입 의존도가 높은 고성능 전해액 소재의 국산화를 통해 가격 경쟁력을 확보하고, 급성장하는 슈퍼커패시터 시장에서 국내 기업의 경쟁력을 강화할 수 있습니다.

• 산업적 측면: 전기차, 신재생에너지 등 미래 핵심 산업의 성장을 촉진하고, 관련 산업 생태계 전반에 긍정적인 파급 효과를 가져올 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

글로벌 슈퍼커패시터(울트라커패시터) 시장은 빠르게 성장하고 있습니다. 한 보고서에 따르면, 시장 규모는 2024년 약 10억 달러에서 연평균 6.27% 성장하여 2030년에는 14.7억 달러에 이를 것으로 전망됩니다.(출처: QYRESEARCH KOREA) 특히 전기이중층 커패시터(EDLC) 시장은 더욱 가파른 성장이 예상됩니다.

• 전기이중층 커패시터(EDLC) 시장은 2025년 8.8억 달러에서 2030년 16.4억 달러 규모로 성장할 것으로 예측됩니다.

• 해당 기간 동안의 연평균 성장률(CAGR)은 13.19%에 달할 것으로 전망됩니다.(출처: GIIKOREA)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

글로벌 슈퍼커패시터 시장은 다수의 기업들이 경쟁하고 있으며, 기술 우위 확보를 위해 제휴, 합병, 제품 혁신 등 다양한 전략을 채택하고 있습니다. 주요 기업으로는 Maxwell Technologies, Panasonic, VINATech 등이 있으며, 특히 국내 기업인 LS Materials와 VINATech은 글로벌 TOP 10에 포함될 만큼 높은 기술력을 인정받고 있습니다.(출처: QYRESEARCH KOREA)

글로벌 슈퍼커패시터 시장 주요 기업

산업 동인 및 기회 요인

1. 전기차 시장 확대: 전기 및 하이브리드 차량의 급속 충방전 요구가 증가하면서 고출력 슈퍼커패시터의 중요성이 부각되고 있습니다. 특히 48V 마일드 하이브리드 자동차 부문이 빠르게 성장하고 있습니다.(출처: Mordor Intelligence)

2. 신재생에너지 확산: 태양광, 풍력 발전 등 재생에너지 시스템의 효율 및 품질 향상을 위해 슈퍼커패시터가 핵심적인 역할을 수행하며 수요가 증가하고 있습니다.

3. 정부 규제 및 친환경 정책: 전 세계적으로 이산화탄소 배출량 감소에 대한 정부 규제가 강화되면서 에너지 효율이 높은 슈퍼커패시터 채택이 가속화되고 있습니다.(출처: GIIKOREA)

4. 첨단 소재 기술 발전: 그래핀 및 탄소나노튜브(CNT) 등 신소재 개발은 슈퍼커패시터의 에너지 밀도와 성능을 한 단계 끌어올릴 기회 요인으로 작용합니다.