충전 속도 5배 가량 빨라
"3년 이내 상용화 목표"
[ 노경목 기자 ]
삼성전자 종합기술원은 27일 기존 리튬이온전지보다 충전 용량이 45% 크고, 충전 속도는 다섯 배가량 빠른 배터리를 제작할 수 있는 소재 ‘그래핀 볼’(사진)을 개발했다고 발표했다. 나노 신소재인 그래핀을 배터리에 적용하는 기술을 개발한 건 이번이 처음이다. 그래핀은 실리콘보다 140배 정도 전자를 빨리 이동시킨다. 배터리 충전 속도가 빨라지고, 충전용량이 늘어나는 이유다.과거에는 고속충전 기술을 사용해도 완전히 충전하는 데 한 시간 가까이 걸렸다. 하지만 그래핀 볼 소재를 활용한 배터리는 12분이면 충전할 수 있다. 전기자동차용 배터리가 요구하는 온도 기준인 60도까지 안정성도 유지된다.
그래핀을 리튬이온 배터리 음극 소재로 사용할 수 있는 형태로 합성한 것이 이번 연구의 핵심 성과다. 리튬이온 배터리의 주소재인 리튬은 음극으로 사용하면 충전과 방전 과정에서 원래 형태가 훼손돼 오래 사용하지 못하는 단점이 있었다. 실리콘·흑연 복합물 등을 대신 사용하기도 하지만 전자 이동 속도가 느려 충전 속도가 떨어진다.
종합기술원 연구원들은 그래핀의 적용 방법을 연구하다가 그래핀을 팝콘 같은 3차원 입체 형태로 합성하는 기술을 개발했다. 그래핀을 리튬이온 배터리의 음극 형태로 가공할 수 있게 된 것이다. 삼성전자 관계자는 “산소와 규소를 화학적으로 결합한 실리카를 통해 저렴한 비용으로 그래핀을 가공할 수 있게 됐다”며 “전기차는 물론 스마트폰 등에도 적용할 수 있을 것”이라고 설명했다.
그래핀은 흑연에서 벗겨낸 얇은 탄소 원자막이다. 물리 및 화학적 안정도가 우수해 배터리와 디스플레이 등에서 활용도가 높은 나노 신물질로 각광받고 있다. 종합기술원은 그래핀 볼 관련 기술에 대해 미국과 한국에 2개의 특허를 출원했다. 관련 성과는 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판에 ‘그래핀 볼을 이용한 고속충전 및 고용량 리튬이온전지 구현’이라는 제목으로 게재됐다. 이번 연구에 참여한 손인혁 연구원은 “다기능 고결정의 그래핀 복합소재를 값싸게 대량으로 합성해 상용화의 길을 열었다는 것이 이번 연구의 가장 큰 의의”라고 말했다.
노경목 기자 autonomy@hankyung.com
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