그래핀볼(Graphene Ball)은 그래핀을 규소, 산소와 결합하여 팝콘 형태로 만든 배터리 신소재로 삼성전자 종합기술원이 개발했다. 그래핀 볼 소재로 배터리 제작 시 기존 리튬이온전지보다 충전용량은 45% 향상되고, 충전속도는 5배 이상 빨라진다.
기존 배터리는 고속충전 기술을 사용하더라도 완전 충전에 1시간 가까이 걸렸지만, 그래핀볼 소재를 사용한 배터리는 12분이면 완전히 충전할 수 있다. 또한 전기차용 배터리가 요구하는 온도 기준인 60 ℃까지 안정성을 유지할 수 있다.
배경
그래핀은 흑연에서 벗겨낸 얇은 탄소 원자 막으로 물리·화학적 안정도가 높아 배터리, 디스플레이 등의 분야에서 주목 받고 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 그래핀볼을 리튬이온 배터리의 양극 보호막과 음극 소재로 활용한 결과, 충전용량이 늘어나고 충전시간을 단축시키는 결과를 얻게 됐다. 뿐만 아니라 고온 안전성까지 확보하는 결과를 얻었다.
1991년에 최초로 상용화된 리튬이온 배터리가 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.
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.
- 그래핀
흑연에서 벗겨낸 얇은 탄소 원자막. 물리•화학적 안정도가 높아 배터리, 디스플레이 등에서 신소재로 각광 받고 있다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 실리콘보다는 140배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있어 급속 충전용으로 이상적인 소재로 꼽힌다.
참고자료
- 〈삼성전자, 충전 속도 5배 빠른 배터리 원천 기술 확보〉, 《삼성뉴스룸》, 2017-11-27
- 김기성 기자, 〈삼성전자, 그래핀볼 개발 성공…‘꿈의 배터리’ 나올까?〉, 《그린포스트코리아》, 2017-11-27
- 백성요 기자, 〈삼성전자, 리튬이온전지보다 충전용량 45%·충전속도 5배 이상 빠른 배터리 소재 '그래핀볼' 개발〉, 《녹색경제신문》, 2017-11-27
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