충전용량 45% 향상시키고 60 ℃ 고온에서도 안정성 유지 가능
모바일·전기차용 2차 전지 시장 확대에 맞춰 기술 혁신
삼성전자 종합기술원(손인혁·두석광 연구팀)이 기존 리튬이온전지보다 충전용량은 45% 향상시키면서 충전속도를 5배 이상 빠르게 만들 수 있는 배터리 소재 ‘그래핀 볼’ 개발에 성공했다.
기존 배터리는 고속충전 기술을 사용하더라도 완전충전에 1시간 가까이 걸렸다. 하지만 ‘그래핀 볼’ 소재를 사용한 배터리는 12분이면 완전히 충전할 수 있다. 또한 전기차용 배터리가 요구하는 온도 기준인 60 ℃까지 안정성을 유지할 수 있다.
그래핀은 흑연에서 벗겨낸 얇은 탄소 원자막이다. 물리·화학적 안정도가 높아 배터리, 디스플레이 등에서 신소재이자 '꿈의 소재'라고도 불린다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 실리콘보다는 140배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 급속 충전용으로 이상적인 소재로 꼽힌다.
이와 관련한 연구성과는 27일 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 온라인에 <그래핀 볼을 이용한 고속충전 및 고용량 리튬이온전지 구현>이라는 제목으로 게재됐다.연구에는 삼성SDI와 서울대학교 화공생물공학부 최장욱 교수팀이 공동으로 참여 했다.
논문 제 1저자인 삼성전자 종합기술원 손인혁 전문연구원은 “이번 연구는 다기능 고결정 그래핀 복합 소재를 값싸게 대량으로 합성할 수 있게 하는 동시에 리튬이온전지의 여러 특성을 크게 향상시켰다”며 “최근 급격히 성장하는 모바일 기기와 전기자동차 시장 확대에 맞춰 2차전지 기술을 지속적으로 발전시키겠다"고 말했다.
삼성전자 종합기술원은 강도와 전도도가 높은 그래핀을 배터리에 적용하는 방법을 찾다가, 저렴한 실리카(SiO2)를 이용해 그래핀을 마치 팝콘 같은 3차원 입체 형태로 대량 합성하는 매커니즘을 규명했다.
이 ‘그래핀 볼’을 리튬이온전지의 양극 보호막과 음극 소재로 활용했더니 충전용량이 늘어았다. 충전시간을 단축하는 것은 물론 고온 안전성까지 모두 만족시키는 결과가 나왔다. 삼성전자 종합기술원은‘그래핀 볼’ 관련 기술에 대해 미국과 한국에 2개의 특허를 출원했다.
리튬이온전지는 1991년에 최초로 상용화된 이후 모바일 기기와 전기차 등으로 적용이 확대되며 시장이 성장하고 있다. 그러나 성능 개선의 한계와 용량 증가의 한계가 지적됐다. 충전 시간은 여전히 1시간 이상이 걸린다. 이 중 그래핀이 차세대 소재 중 대표적으로 주목받고 있다.
김하나 한경닷컴 기자 hana@hankyung.com
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