그래핀 배터리
그래핀 배터리(graphene battery, Graphene cell, 石墨烯电池)는 꿈의 물질로 불리는 그래핀을 2차전지 소재로 사용한 배터리다. 흑연에서 벗겨낸 얇은 탄소막 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 강철보다 200배 이상 강도가 높다. 그래핀 배터리를 전기차에 응용하면 충전 시간을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐 아니라 배터리 크기는 줄이고 수명은 늘릴 수 있다.
중국 광저우자동차그룹(GAC MOTOR)이 전고체 배터리와 함께 차세대 배터리로 꼽히는 그래핀 배터리(graphene battery) 양산 테스트에 돌입해 업계의 주목을 받고 있다.
나노텍 인스트루먼트(Nanotek Instruments, Inc.)과 오하이오주 데이톤에 위치한 자회사 앙스트론 재료(Angstron Materials, Inc.)의 연구원들이 대량 그래핀(graphene) 표면들을 가진 전극들 사이에서 수많은 리튬(lithium) 이온들을 빠르게 실어 나를 에너지 저장 소자를 디자인 하기 위한 새로운 파라다임(paradigm)을 개발했다. 이 에너지 저장 소자는 수 시간에서 수 분 내로 충전 시간을 줄일 수 있어 전기 자동차에 유용할 것으로 보인다. 다른 응용들은 재생 에너지 저장 (예를 들어, 태양 및 풍력 에너지 저장)과 스마트 그리드(smart grid)가 될 것이다.
발견
이 물질이 처음 소개된 것은 2004년이다. 영국 맨체스터대의 안드레 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 연구원이 투명한 스카치테이프를 이용해 흑연에서 그래핀을 떼어내는 데 성공했다. 두 연구자는 그래핀을 발견한 공로로 2010년 노벨물리학상을 받았다.[1]
그래핀 소재
나노 소재
업계는 벌크(Bulk)소재 대신 나노 소재를 찾고 있다. 무엇보다 나노 소재를 이용하면, 적은 양으로도 많은 이익을 볼 수 있다. 모든 나노 소재가 배터리에 적합한 것은 아니다. 가장 적합한 소재는 전도성을 띠면서 고체 상태이고, 매우 얇아야 할 것이다. 또한 다행히도, 전극에 나노 소재를 적용하는 것은 배터리의 구동 시스템을 변경하지 않아도, 효율성을 높일 수 있다. 물론 입자의 크기나 원자 홀 등 여러 이유로 이온이 전극으로 이동하는 메커니즘에 약간 차이가 있을 수 있다. 그러나 배터리의 일반적인 작동 메커니즘은 동일하게 유지된다. 이는 새롭게 배터리를 개발하는 것보다 안전하며, 효율성 또한 향상될 수 있음을 의미한다. 때로는 현 상태를 개선하는 것이 완전히 새로운 것을 개발하는 것보다 더 효율적이다.
적절한 조건을 갖춘 나노 소재는 벌크 소재보다 높은 전기 전도성을 가지며, 전하운반성도 높다. 이는 벌크 소재보다 나노 소재의 표면적이 더 넓기 때문에 일어나는 현상이다. 또한, 나노 소재는 벌크 소재에 비해 매우 얇기 때문에, 유연성도 갖는다. 즉, 흔히 볼 수 있는 무기소재에 비해 유연하기에 웨어러블 기술에 사용되는 배터리에 적용할 수 있다. 뿐만 아니라, 작은 크기에도 불구하고 나노재료들은 안정적이며, 높은 온도에서 잘 견딘다. 또한, 강력한 화학 성질을 띠며, 물리적 스트레스도 높다. 모든 나노 소재가 그런 것은 아니지만, 대부분의 나노 소재가 이와 같은 특성으로 배터리 전극에 사용될 수 있다.
물론, 나노 소재에도 제조과정이 복잡해 가격이 비싸다는 단점이 있다. 하지만 나노 소재는 더 적은 양으로도 벌크 소재와 같은 효과를 낼 수 있기 때문에, 대중적으로 알려진 것처럼 많은 비용이 들지는 않을 것이다. 더불어 폐기물도 적게 생산되고, 더 가볍다는 장점도 가지고 있어, 배터리에 유용하게 사용될 수 있다.
여러 나노 소재들 중 가장 유력한 후보로 지목된 소재는 그래핀(Graphene)으로, 이는 주로 프로토타입 단계에서 볼 수 있다. 다양한 산업군의 기업들이 상업적으로 그래핀 배터리를 제조하고 있다. 특히, 그래핀은 이미 휴대폰 내 쿨링시스템에 사용되고 있다.
그래핀은 나노 소재가 가지고 있는 장점의 총집약체다. 그래핀 하나로 여러 물질들의 이점을 충족시킬 수 있는 것이다. 실제 그라파이트(Graphite, 흑연으로 그래핀은 흑연의 여러 탄소층 중 한 층을 나타낸다)는 많은 배터리 내 소재로 사용되고 있으며, 이 그라파이트 전극을 사용하는 시스템 또한 개발돼 있다.
그래핀은 지금까지 알려진 소재들 중 가장 전기 전도성과 전하이동성이 높다. 인장강도와 유연성도 높으며, 고온과 강한 화학 물질에서도 안정적이다. 이는 대부분의 나노 소재, 벌크 소재보다 높다. 이처럼 그래핀은 환경의 영향을 받지 않고 같은 성능을 유지할 수 있는데, 이와 같은 물성은 배터리가 열의 영향을 받지 않는다는 의미이기에, 매우 중요하다. 또한, 단일 층의 그래핀은 광학적으로 투명한데, 이는 투명 전극이나 투명 전도성 필름 등에 사용될 수 있다.[2]
특성
그래핀은 연필심 소재인 흑연을 가공해 만든 물질이다. 그래핀은 과거 2004년 영국 맨체스터대 연구팀이 흑연의 한 층에서 떼어낸 벌집 모양 2차원 물질로, 전기·화학적 특성이 우수하다. 육각형 벌집이 층층이 쌓인 구조의 흑연에서 원자 1개의 두께인 0.2㎚(나노미터) 수준의 얇은 한 겹으로 이뤄진 그래핀은 뛰어난 전도성과 강도, 그리고 열전도율을 자랑한다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 반도체의 원료인 실리콘보다 전자의 이동속도가 140배 이상 빠르며 강철보다 200배 이상 강한 강도를 자랑한다. 가벼운 무게와 신축성은 덤이다. 빛을 대부분 통과시키는 투명한 소재라는 점도 이 물질의 특징으로 꼽힌다. 현재 보편적으로 쓰이는 리튬이온 배터리와 같은 크기라면 45% 많은 에너지를 저장하면서도 충전 속도는 80% 빨라진다고 한다.
응용
'마법의 신소재'로 불리는 그래핀(graphene)을 활용한 제품들이 하나둘씩 모습을 드러내고 있다. 스마트폰 배터리 외에도 비거리를 늘린 캘러웨이의 골프공, 음질이 또렷해진 TFZ의 이어폰 등 기업들은 다양한 분야에서 그래핀을 마케팅 포인트로 내세우고 있다. 신소재 그래핀의 쓰임새는 무궁무진하다. 투명하면서도 전기가 잘 통하기 때문에 접었다 폈다 할 수 있는 웨어러블 기기와 궁합이 잘 맞는다. 배터리와 태양전지 분야에서도 요긴하게 쓸 수 있다. 군인이나 경찰들이 착용하는 방탄조끼를 티셔츠의 무게로 제작하는 것도 가능하다. 그래핀을 마법의 신소재라고 부르는 이유다. 산업계에서 그래핀은 ‘게임 체인저’로 통한다. 기존에는 구현이 불가능했던 신기술들을 적용할 수 있어서다. 캘러웨이가 올해 초 선보인 '크롬 소프트' 골프공도 그래핀의 새로운 활용법을 제시한 사례로 꼽힌다. 골프공은 딱딱한 외부 코어와 말랑말랑하고 탄성을 갖춘 내부 코어로 나뉜다. 캘러웨이는 골프공 외부 코어에 그래핀을 섞어 넣었다. 초경량 물질인 그래핀을 쓰면서 공의 무게를 줄이고 그만큼 내부 코어의 크기를 키웠다. 탄성을 갖춘 내부 코어의 크기가 커졌기 때문에 비거리 측면에서 유리하다는 게 회사 측 설명이다.[1]
관련업체
- 삼성전자 : 2017년 11월 삼성전자와 삼성종합기술원(SAIT), 삼성SDI, 서울대화학생물공학부가 저렴한 실리카(SiO2)를 활용해 그래핀볼 형태로 개발에 성공하면서 2차배터리 소재로 떠올랐다. 국내에서는 삼성이 그래핀 배터리 기술에 가장 앞서 있다는 평가가 나온다. 일각에서는 삼성전자가 내년 또는 2021년에 그래핀 배터리를 탑재한 스마트폰 모델을 최소 한 개 이상 출시할 것이라는 예상을 내놓는다.[3][4]
강도와 전도도가 높은 그래핀을 배터리에 적용하는 방법을 찾던 삼성종합기술원 연구팀은 저렴한 실리카(SiO2)를 이용해 팝콘의 모습을 한 3차원 입체 형태의 그래핀을 대량으로 합성하는 데 성공했다. 이렇게 만들어진 그래핀 볼을 리튬이온전자 양극 보호막과 음극 소재로 활용했더니 충전 용량이 45%가량 늘어났다. 충전 속도도 빨라졌다. 고속 충전기를 활용하면 12분 만에 스마트폰 배터리의 충전이 끝난다.
- 스켈레톤 테크놀로지(Skeleton Technologies) : 에스토니아의 전기차량용 EV 배터리 스타트업이다. 스켈레톤은 독일 카를스루에 공대(KIT : Karlsruhe Institute of Technology)와 협약을 맺고 전기차량용 EV 배터리를 공동 개발하기로 했다. 놀랍게도 이들은 단 15초만에 충전이 완료되는 '그래핀' 소재의 슈퍼배터리(SuperBattery)를 개발한다고 밝혔다. 스켈레톤은 빠르게 충전하고 빠르게 에너지를 방출하는 울트라커패시터(자체 제품)와 장기간 에너지를 저장할 수 있는 배터리의 특성을 결합한 그래핀 기반의 슈퍼배터리를 개발해 기존 배터리의 문제를 해결하고자 한다. 최근 스켈레톤은 시리즈 D 단계의 4,130만 유로(약 553억원)의 투자금을 유치한 바 있으며, 약 45명의 신규 직원을 고용해 슈퍼배터리 개발에 박차를 가할 전망이다.[5]
- 리얼 그래핀(Real Graphene) : 2020년 1월 17일, 미국에 본사를 둔 리얼 그래핀은 그래핀 배터리 셀의 개발이 거의 끝났다고 발표했다. 일반 배터리는 3000mAh를 충전하는데 90분이 걸리지만, 그래핀은 20분만에 끝난다고 한다. 충전 출력은 60W이다. 또 일반적인 배터리의 충전 사이클은 300~500번이나, 리얼 그래핀의 배터리는 1500번에 달한다고 한다. 셀의 발열도 낮아 안전하다고 한다. 아마존에도 등록된 상태다.[6]
- 나노 그라프(NanoGraf) : 2012년에 설립된 나노 그라프(이전 SiNode Systems)는 차세대 리튬 이온 배터리용 실리콘 그래핀 소재를 개발하는 첨단 소재 회사이다.
각주
- ↑ 1.0 1.1 송형석 기자, 〈마법의 신소재 그래핀…폰 배터리 충전 12분이면 끝 골프공은 비거리 쭉〉, 《한굮경제》, 2018-11-09
- ↑ 배유미 기자, 〈차세대 배터리의 핵심이 될 그래핀 배터리〉, 《테크월드》, 2020-03-11
- ↑ 박효정 기자, 〈해프닝으로 끝난 中 화웨이 '그래핀 배터리 탑재'〉, 《서울경제》, 2019-12-30
- ↑ 박흥순 기자, 〈전고체 vs 그래핀, ‘꿈의 배터리’ 승자는?〉, 《머니S》, 2019-10-10
- ↑ MoonYoung, 〈15초만에 급속 충전이 가능한 '그래핀 배터리' 〉, BIZION, 2020-12-18
- ↑ Jeet, "Graphene battery that recharges blazingly fast is already in the market", Gizmochina, 2020-01-17
참고자료
- 배유미 기자, 〈차세대 배터리의 핵심이 될 그래핀 배터리〉, 《테크월드》, 2020-03-11
- 박효정 기자, 〈해프닝으로 끝난 中 화웨이 '그래핀 배터리 탑재'〉, 《서울경제》, 2019-12-30
- MoonYoung, 〈15초만에 급속 충전이 가능한 '그래핀 배터리' 〉, BIZION, 2020-12-18
- Jeet, "Graphene battery that recharges blazingly fast is already in the market", Gizmochina, 2020-01-17
같이 보기
