삼성 '꿈의 배터리' 개발… "완전 충전 1시간→12분"

손인혁 전문연구원(사진 가운데) 등 삼성전자 종합기술원 연구원들이 그래핀볼을 적용한 리튬이온전지에 성능을 평가하고 있다./사진=삼성전자

삼성전자 종합기술원이 업계에서 최초로 그래핀볼 소재를 활용한 차세대 배터리 기술 개발에 성공했다.

배터리 완전 충전시간을 현재 1시간에서 12분으로 단축할 수 있어 '꿈의 배터리'라고도 불리는데 전기차 시대가 도래할 경우 시장이 더욱 크게 확대될 것으로 보인다. 업계에서는 5년 내 상용화가 가능한 기술이라 보고 있다.


삼성전자는 종합기술원(손인혁·두석광 연구팀)이 기존 리튬이온전지보다 충전용량은 45% 높이고 충전속도를 5배 이상 빠르게 할 수 있는 배터리 소재 '그래핀볼' 개발에 성공했다고 27일 밝혔다. 미국과 한국에 각각 2개의 관련 특허도 출원했다.

그래핀이란 흑연에서 나노미터(nm) 단위로 벗겨낸 얇은 탄소 원자막으로 물리, 화학적 안정도가 높아 배터리, 디스플레이 등에서 신소재로 각광받고 있는 것으로 알려져 있다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 실리콘보다는 140배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있어 급속 충전용으로 이상적인 소재로 꼽힌다. 그래핀볼은 이 그래핀 막을 볼 형태로 만든 것이다.

삼성전자에 따르면 기존 배터리는 고속충전 기술을 사용하더라도 완전충전에 한 시간 가까이 걸리지만 이 그래핀볼을 리튬이온전지의 양극 보호막과 음극 소재로 활용했더니 12분이면 완전 충전이 가능한 것으로 확인됐다. 80% 충전에는 8분이면 족했다. 또 전기차용 배터리가 요구하는 온도 기준인 60도(℃)까지 안정성이 유지된다는 설명이다.


배터리 성능의 획기적 개선 가능성 때문에 전세계 배터리 업계는 이 소재를 활용한 상용화 기술 개발에 매진해온 것으로 알려졌으며 삼성 종합기술원이 업계에서 최초로 개발에 성공했다는 설명이다.

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.

삼성전자 (77,600원 ▼400 -0.51%) 관계자는 "흑연을 얇게 벗기는 작업도 쉽지 않을 뿐더러 대량으로 만들기 힘든 소재"라면서 "얇은 막이다보니 성형도 힘든데 이번에 개발한 기술은 그동안 그래핀이 배터리에 실제 적용되는 데 방해됐던 걸림돌을 대부분 해소했다는데 의의가 있다"고 설명했다.

배터리 충전 시간이 크게 줄어들기 때문에 이 기술이 상용화될 경우 스마트폰이나 태블릿PC 등 모바일 기기 사용자들이 그 혜택을 가장 먼저 체감할 수 있을 것으로 보인다. 무엇보다 전기차 시대가 도래할 경우 시장규모는 급격히 커질 것이란 기대다.

논문 제 1저자인 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 지속 발전시킬 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구성과는 최근 과학저널 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인에 '그래핀 볼을 이용한 고속충전 및 고용량 리튬이온전지 구현'이라는 제목으로 게재됐다. 이번 연구에는 삼성SDI와 서울대학교 화학생물공학부 최장욱 교수팀이 공동 참여했다.

그래핀볼 확대 이미지/사진=삼성전자