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그래핀 배터리
그래핀 배터리(graphene battery, graphene cell, 石墨烯电池)는 꿈의 물질로 불리는 그래핀(graphene)을 2차전지 소재로 사용한 배터리이다. 그래핀 배터리에 사용되는 소재인 그래핀은 2004년 영국 맨체스터 대학교 연구팀이 발견했다. 흑연에서 벗겨낸 얇은 탄소 원자막인 그래핀은 강도가 강철보다 200배 강하고 전도성이 구리보다 100배 이상 뛰어나 배터리 충전 속도를 높이고 동력 배터리 기술을 발전시키는 중요한 기술로 꼽힌다.
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개요[편집]
2021년 1월 15일, 중국 광저우자동차그룹(GAC MOTOR)이 전고체 배터리와 함께 차세대 배터리로 꼽히는 그래핀 배터리(graphene battery) 양산 테스트에 돌입한다고 발표해 업계의 주목을 받고 있다. GAC 모터 산하 전기차 브랜드 광치아이안(AION, 埃安)은 그래핀 배터리 양산 테스트에 들어갔다고 발표했다. 아이안은 그래핀 소재의 슈퍼 배터리 탑재한 차량이 8분 만에 배터리 용량 80%를 충전할 수 있으며 1회 충전 시 주행거리가 NEDC(New European Driving Cycle) 기준 1천km에 달한다고 밝혔다.[1]
미국의 전기자동차 업체인 피스커(Fisker)도 부드럽게 휘어지는 그래핀 배터리를 장착해 한번 충전에 최대 640km 이상을 달릴 수 있는 전기자동차 피스커 이모션을 출시하겠다고 발표했다. 시속 260km의 최고 속도를 자랑하는 피스커 이모션이 예정대로 출시된다면 세계 최초로 그래핀 배터리를 탑재한 상용차로 기록될 것이다. 피스커 이모션에 들어갈 그래핀 배터리는 미국의 스타트업 기업인 나노테크에너지 회사의 제품으로, 레이저로 그래핀을 가공해 부드럽게 휘어지도록 만든 슈퍼커패시터가 핵심이다. 슈퍼커패시터는 전기에너지를 빠르게 대량으로 저장해, 높은 전류를 신속하고 안정적으로 공급하는 장치다. 그래핀 슈퍼커패시터가 전기자동차의 주행거리와 가속능력을 어디까지 끌어올릴지 관심을 모으고 있다. [2] 현재는 LG화학의 리튬이온 배터리를 사용하고 있다.
발견[편집]
그래핀은 1947년부터 이론상으로는 제작이 가능할 것으로 알려져 있었다. 그러나 2004년 러시아 출신 물리학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 연필심에 스카치 테이프를 붙여 떼어낸 뒤, 테이프에 달라붙은 흑연 가루를 반복해서 유리 테이프로 떼어내는 방식으로 그래핀을 처음으로 분리하였다. 2010년 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프는 흑연에서 그래핀 만을 분리해낸 공로로 노벨물리학상을 수상하였으며 그래핀을 다양한 영역에서 활용할 수 있게 하여 신소재 분야에 큰 업적을 남겼다.
그래핀의 물리적 화학적 기능은 현존하는 어떤 물질보다 뛰어나며, 활용 범위도 넓어 얇고 가벼우면서 내구성 강한 물체를 만들어 비행기나 자동차, 건축자재 등에 사용한다. 그래핀의 강도로 섬유를 만든다면 가장 가볍고 안전한 전투복과 방탄복을 만들 수 있다는 점에서 그래핀 시장에서는 그래핀을 이용한 탄소섬유가 주목받고 있기도 하다. 게다가 빠른 전기전도도는 전기저항을 줄여 의료산업 분야에서의 발전도 예상되고 있다.
하지만 그래핀을 상용화시키기 위해서는 안정적인 그래핀 생산 체계를 구축하는 것이 먼저인데, 그래핀을 안정적으로 생산해 내는 기술은 아직 개발되지 않은 상태로 머물러 있다.[3]
그래핀 소재[편집]
나노 소재[편집]
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 원자홀 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 전기전도성을 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 기기에 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 그래파이트(Graphite, 흑연, 그래핀은 흑연의 여러 탄소층 중 한 층을 나타낸다)는 많은 배터리 내 소재로 사용되고 있으며, 이 그래파이트 전극을 사용하는 시스템 또한 개발되어 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.[4]
특성[편집]
그래핀은 연필심 소재인 흑연을 가공해 만든 물질이다. 그래핀은 과거 2004년 영국 맨체스터 대학교 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% 정도 빨라진다고 한다.
응용[편집]
'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 이유이다. 산업계에서 그래핀은 '게임 체인저'로 통한다. 기존에는 구현이 불가능했던 신기술들을 적용할 수 있기 때문이다. 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.[5]
영국 맨체스터 대학교의 안드레 가임 교수는 그래핀을 수소 연료전지의 분리막에 쓸 수 있음을 처음으로 입증했다. 가임 교수는 2010년 그래핀 연구로 노벨물리학상을 공동 수상한 인물이다. 안드레 가임 교수는 실험에서 한 층으로 된 그래핀 구조에 온도를 높이자 마치 수소이온을 육각형 구멍으로 쥐어짜듯이 통과시키는 사실을 발견했다. 다른 물질은 이 구멍을 통과하지 못했다. 즉, 그래핀이 연료전지용 수소이온 분리막 역할을 할 수 있다는 뜻이다. 현재는 연료전지의 분리막에는 고분자 물질인 나피온이 주로 쓰인다. 하지만 나피온은 두께가 수십 마이크로미터(1마이크로미터는 100만분의 1m)로 두꺼운 편이어서 수소이온 전달 효율이 낮다. 수소 연료가 새기도 한다. 두께가 얇으면서도 수소이온만 골라내는 그래핀은 이 문제를 해결할 수 있다.[6]
그래핀은 가전제품뿐만 아니라 전기자동차, 그리고 태양광 및 풍력과 연계된 에너지저장장치(ESS)에도 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 만약 그래핀을 활용한 슈퍼커패시터가 개발되면 고성능 전기 슈퍼카가 나올 수 있고, 가볍기 때문에 자동차나 항공기 무게를 줄일 수 있다.
관련업체[편집]
- 삼성전자 : 2017년 11월 삼성전자와 삼성종합기술원(SAIT), 삼성SDI, 서울대 화학생물공학부가 저렴한 실리카(SiO2)를 활용해 그래핀볼 형태로 개발에 성공하면서 2차 배터리 소재로 떠올랐다. 국내에서는 삼성이 그래핀 배터리 기술에 가장 앞서 있다는 평가가 나온다. 일각에서는 삼성전자가 2020년 또는 2021년에 그래핀 배터리를 탑재한 스마트폰 모델을 최소 한 개 이상 출시할 것이라는 예상을 내놓는다.[7][8]
- 그래핀볼은 그래핀의 전자를 빠르게 이동시키는 성질을 이용하여 급속충전을 구현한다. 기존 고속충전 기술을 사용한 배터리는 완충까지 1시간 정도 걸렸지만, 그래핀볼 소재의 배터리는 12분 만에 완충할 수 있다. 그래핀볼 배터리는 저렴한 실리카(SiO2)를 이용해 그래핀을 팝콘과 같이 3차원 입체 형태로 대량 합성하여 그래핀볼을 만든 후, 리튬이온 전지의 양극 보호막과 음극 소재로 그래핀볼을 활용한다. 전자가 기존의 5배나 빠르게 이동하면 그만큼 배터리의 온도가 올라가 폭발의 위험이 있지는 않을지 의문점이 들 수도 있다. 그러나 그래핀볼 배터리는 전기차용 배터리가 요구하는 온도기준(60℃)까지 안정성이 유지되어 안전하며 충전시간 단축은 물론 충전 용량도 늘어났다.[9]
- 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 슈퍼커패시터(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.[10]
- 리얼그래핀(Real Graphene) : 2020년 1월 17일, 미국에 본사를 둔 리얼그래핀은 그래핀 배터리셀의 개발이 거의 끝났다고 발표했다. 일반 배터리는 3000mAh를 충전하는데 90분이 걸리지만, 그래핀은 20분만에 끝난다고 한다. 충전 출력은 60W이다. 또 일반적인 배터리의 충전 사이클은 300~500번이나, 리얼그래핀의 배터리는 1,500번에 달한다고 한다. 배터리셀의 발열도 낮아 안전하다고 한다. 아마존에도 등록된 상태이다.[11]
- 나노그라프(NanoGraf) : 2012년에 설립된 나노그라프(이전 SiNode Systems)는 차세대 리튬이온 배터리용 실리콘 그래핀 소재를 개발하는 미국의 첨단 소재 회사이다.
- 광저우자동차그룹(GAC MOTOR) : 2014년부터 그래핀 기술 개발을 시작했으며 현재 독자적인 지식재산권을 보유한 3DG(3차원 구조 그래핀) 소재의 제조와 응용 기술을 확보했다.
- 나노테크에너지(Nanotech Energy) : 미국에 기반을 둔 그래핀 및 산화그래핀 재료 및 잉크 공급 업체이며 스마트폰 및 생체 의료기기 용 그래핀 강화 배터리 및 미세 슈퍼커패시터를 개발하고 있다. 당초 미국 피스커사의 전기자동차 피스커 이모션에 그래핀 배터리를 공급할 예정이었으나 개발을 완료할 수 없던 것으로 알려지면서 지연된 상태이다. 이에 대해 피스커 관계자는 "조만간 1회 충전에 640㎞를 달릴 수 있고, 최고 시속 257km의 속도를 낼 수 있으면서도 9분 내에 완전 충전이 가능한 그래핀 배터리 장착 전기자동차를 선보이겠다"라고 밝혔다.
여론[편집]
관련 업계에서는 그래핀 배터리에 대해 다소 부정적인 태도다.
왕쯔둥(王子冬) 중국 자동차동력배터리산업혁신연맹(中国汽车动力电池产业创新联盟) 부비서장은 "이론상으로는 그래핀이 배터리 충전 수용 능력을 높이는 데 도움이 되지만 다른 성능 향상에는 도임이 되지 않는다"면서 "신기술이 아닌 그래핀 배터리는 여러 해 동안 실험실에서 검증되어 왔지만 양산 차에 탑재하기에는 아직 철저한 검증이 필요하다"고 밝혔다.
중국 전기차 100인회(中国电动汽车百人会) 부이상장 어우양밍가오(欧阳明高) 중국과학원 원사는 "1회 충전으로 1천km를 주행하고 몇 분 만에 완전 충전이 가능하며, 안전하고 비용도 낮다는 것은 현재 기술로는 불가능하다"고 지적했다.
업계 내 분석가는 "현재 배터리 업계에서 그래핀을 전도성 첨가제나 배터리 음극 소재로 사용하려는 움직임이 있다"며 "그래핀을 동력 배터리 음극 소재로 사용하면 전기차 제조 원가가 매우 높을 것이지만 전도성 첨가제로 사용한다면 업계에 그 원가를 감당할 수 있을 것"이라고 표시했다.[1]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 소여옥 기자, 〈中 GAC 모터, ‘그래핀 배터리’ 양산 테스트 돌입〉, 《비아이뉴스》, 2021-01-17
- ↑ 장익준 과학칼럼니스트, 〈(나노과학) 전기자동차의 힘, 그래핀 배터리가 책임진다〉, 《브레이크뉴스》, 2017-03-20
- ↑ 〈그래핀〉, 《위키백과》
- ↑ 배유미 기자, 〈차세대 배터리의 핵심이 될 그래핀 배터리〉, 《테크월드》, 2020-03-11
- ↑ 송형석 기자, 〈마법의 신소재 그래핀…폰 배터리 충전 12분이면 끝 골프공은 비거리 쭉〉, 《한굮경제》, 2018-11-09
- ↑ 이영완 기자, 〈(사이언스) 꿈의 신소재 그래핀, 방탄복·연료전지 속으로〉, 《조선비즈》, 2014-12-01
- ↑ 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
- ↑ 이예닮, 〈5G를 맞이하는 배터리시장〉, 《대학생신재생에너지기자단》, 2018-03-16
- ↑ 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[편집]
- 〈그래핀〉, 《위키백과》
- 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
- 이예닮, 〈5G를 맞이하는 배터리시장〉, 《대학생신재생에너지기자단》, 2018-03-16
- 소여옥 기자, 〈中 GAC 모터, ‘그래핀 배터리’ 양산 테스트 돌입〉, 《비아이뉴스》, 2021-01-17
- 장익준 과학칼럼니스트, 〈(나노과학) 전기자동차의 힘, 그래핀 배터리가 책임진다〉, 《브레이크뉴스》, 2017-03-20
같이 보기[편집]
