[그린포스트코리아 김기성 기자] 리튬이온전지의 최대 단점으로 지적되고 있는 충전시간 문제 해결에 '그래핀 볼'이 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

'그래핀 볼'은 삼성전자 종합기술원에서 개발한 배터리 관련 신소재다. 삼성전자는 "그래핀 볼 소재로 배터리 제작 시 기존 리튬이온전지보다 충전용량은 45% 향상되고, 충전속도는 5배 이상 빨라질 것"이라고 발표했다.

고속충전 기술로도 완전충전하는 데 1시간 걸리던 기존 배터리와 달리 그래핀 볼 소재 배터리는 12분이면 완충이 가능하다는 것. 특히, 삼성전자는 그래핀 볼이 전기차용 배터리로 사용하기 위한 기준인 60도까지 안정성을 유지할 수 있어 다방면에서 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

삼성SDI와 서울대학교 화공생물공학부 최장욱 교수팀이 공동으로 참여한 이번 연구는 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 온라인에 ‘그래핀 볼을 이용한 고속충전 및 고용량 리튬이온전지 구현’이라는 제목으로 게재됐다.

그래핀은 흑연에서 벗겨낸 얇은 탄소 원자 막으로 물리·화학적 안정도가 높아 배터리, 디스플레이 등의 분야에서 주목받고 있는 신소재다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 실리콘보다는 140배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있어 배터리로 활용 시 급속 충전이 가능한 이상적 소재로 꼽힌다.

기술원은 이와 같은 그래핀의 장점을 배터리 분야에 활용하고자 연구하던 중 저렴한 실리카(SiO2, 이산화규소)를 이용해 그래핀을 팝콘과 같은 3차원 입체 형태로 대량 합성하는 원리를 밝혀냈다.

이와 같은 과정을 통해 발견한 그래핀 볼을 리튬이온전지의 양극 보호막과 음극 소재로 활용한 결과, 충전용량이 늘어나고 충전시간을 단축시키는 결과를 얻게 됐다. 뿐만 아니라 고온 안전성까지 확보하는 결과를 얻었다.

1991년에 최초로 상용화된 리튬이온전지가 모바일 기기와 전기차 등으로 용도가 확대되며 성장해 왔지만, 용량과 충전시간 등에 대한 성능 개선이 한계에 이르며, 이에 대한 대안이 요구돼 왔다.

삼성전자 역시 이를 개선하고자 노력하던 중 그래핀 볼 개발이라는 성과를 거둬 배터리 분야의 차세대 신소재로 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

논문 제1저자인 삼성전자 종합기술원 손인혁 전문연구원은 “이번 연구는 그래핀 소재를 값싸게 대량으로 합성하는 원리를 밝혀낸 동시에 리튬이온전지의 여러 특성을 크게 향상했다”라며, “급격히 성장하는 모바일 기기와 전기자동차 시장에 발맞춰 2차 전지 기술을 계속 발전시켜 나갈 것”이라고 말했다.

손 연구원의 언급을 통해 그래핀 볼의 상용화가 멀지 않았으며, 다방면에서 큰 가치를 가진 소재로 개발해 나갈 의지를 엿볼 수 있다. 삼성전자 종합기술원은 이미 한국과 미국에서 그래핀 볼과 관련된 2개의 특허를 출원한 상태다.

그래핀 볼이 고성능 배터리 개발의 새로운 장을 열 수 있을지 귀추가 주목된다.

gskim@eco-tv.co.kr