배터리는 에너지밀도가 높지만 출력 특성이 제한적이고, 슈퍼커패시터는 출력 특성이 월등하지만 에너지밀도가 낮다. 리튬이온커패시터(LIC)는 이 둘의 중간 지점을 노리는 하이브리드 소자로, 국내에서도 관련 특허가 꾸준히 등록되고 있다.
기본 원리
리튬이온커패시터는 배터리처럼 리튬 이온이 산화·환원 반응으로 저장되는 전극과, 슈퍼커패시터처럼 이온이 표면에 물리적으로 흡착되는 전극을 한 셀 안에 결합한 구조다. 이 조합 덕분에 슈퍼커패시터보다 에너지밀도가 높으면서도, 일반 배터리보다 훨씬 빠른 충방전과 긴 수명을 낼 수 있다. 다만 셀 제조 과정에서 음극에 미리 리튬을 채워 넣는 “프리도핑” 공정이 까다롭다는 게 실용화의 걸림돌로 꼽힌다.
특허 관점
KR102164921B1(리튬이온커패시터)의 청구항 핵심은 프리도핑 공정을 단순화하는 데 있다. 음극재로 흑연을 팽창시킨 팽창흑연을 쓰고, 바인더로는 수계 폴리아크릴레이트의 관능기를 리튬 소스로 치환해 사용하는 구성이다. 별도의 리튬 금속박을 셀 안에 따로 넣어 도핑시키는 기존 방식 대신, 바인더 자체에 리튬을 실어 나르게 함으로써 도핑 단계를 단순화하고 균일하게 만든 것이 핵심이다. 명세서는 이 방식으로 “고출력, 장수명 및 고에너지밀도”를 동시에 달성할 수 있다고 밝힌다.
국내에는 이보다 앞서 등록된 관련 특허군도 있다. 탄소나노튜브 표면에 리튬금속산화물을 분산시킨 복합재 양극 특허, 흑연 표면에 하드카본을 코팅한 음극재 특허, 리튬복합금속산화물을 양극에 첨가하는 특허 등이 이어지며, 양극·음극·바인더 각 구성요소별로 세분화된 특허 포트폴리오가 쌓여 있는 모습이다.
한계와 전망
리튬이온커패시터는 여전히 일반 리튬이온배터리보다 에너지밀도가 낮아, 전기차의 메인 동력원이 되기보다는 회생제동 에너지 회수나 순간 고출력이 필요한 산업 장비 쪽에서 먼저 자리 잡고 있다. 프리도핑 공정을 얼마나 단순하고 저렴하게 만드느냐가 이 소자의 대중화 여부를 가를 다음 관문으로 꼽힌다.