방전된 스마트폰 배터리 하나를 10분 남짓이면 충전할 수 있는 기술이 개발됐다. 삼성전자 종합기술원은 손인혁·두석광 연구팀이 기존의 리튬이온 전지보다 충전 용량은 45% 더 크고 충전 속도는 5배 이상 빨라질 수 있는 배터리 소재 ‘그래핀 볼’을 개발했다고 27일 발표했다.
삼성전자, 그래핀볼 활용한 신기술
이 그래핀볼 소재를 사용한 배터리는 12분이면 완전 충전이 가능하다. 기존 배터리는 고속 충전 기술을 사용하더라도 완전히 충전하려면 1시간 가까이 걸렸다. 고온에 안정성을 유지하는 것도 특징이다. 연구팀은 “전기차용 배터리가 요구하는 온도 기준이니 섭씨 60도까지 안정성을 유지할 수 있다”고 설명했다. 연구팀은 이같은 성과를 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인에 ‘그래핀볼을 이용한 고속충전 및 고용량 리튬이온전지 구현’이라는 제목으로 게재했다.
획기적 성능의 배터리가 개발된 건 새로운 매커니즘의 규명 덕분이다. 강도와 전도도가 높은 그래핀을 배터리에 적용하는 방법을 찾다가 저렴한 실리카(SiO2)를 이용해 그래핀을 대량 합성하는 방법을 찾은 것이다. 이렇게 대량 합성된 그래핀이 마치 팝콘처럼 3차원 입체 형태를 띄게 돼 ‘그래핀볼’이라고 부른다는 것이다.
연구팀은 “이 그래핀볼을 리튬이온전지의 양극 보호막과 음극 소재로 활용했더니 충전 용량이 늘어나고, 충전 시간을 단축하는 것은 물론 고온 안정성까지 모두 만족하게 하는 결과가 나왔다”고 설명했다.
신소재의 발견은 리튬이온 배터리 업계의 최우선 과제였다. 리튬이온 배터리는 1991년 처음 상용화된 이후 스마트폰과 전기차 등으로 사용처가 확대됐다. 하지만 최근 더 이상 용량을 키우는 것도, 충전 시간을 줄이는 것도 한계에 부딪혔다는 평가를 받았다.
그래핀은 차세대 소재 중에서도 대표적인 소재로 꼽혀왔다. 흑연에서 벗겨낸 얇은 탄소 원자막인 그래핀은 물리적 화학적 안정도가 높다는 게 특징이다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하며 실리콘보다는 140배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 그래핀볼을 활용한 배터리가 기존의 고속 충전보다 5배 빠른 충전을 구현할 수 있는 이유다.
배터리 업계는 그래핀볼을 활용한 리튬이온 배터리가 5년 쯤 뒤엔 상용화될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
임미진 기자 mijin@joongang.co.kr
