삼성, 배터리 밀도 2배 늘리는 신기술 개발

삼성전자 종합기술원이 현재 상용 리튬이온전지 대비 에너지 밀도를 2배 가까이 높일 수 있는 고결정 그래핀 코팅 실리콘 음극소재 기술 개발에 성공했다. 앞으로 이 기술을 보완해 나가면 배터리 사용 시간을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 보인다.

이 같은 내용을 담은 논문은 25일 과학 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인에 ‘SiC-free 그래핀 직성장 실리콘 음극 소재를 이용한 고용량 리튬이온전지 구현’이라는 제목으로 게재됐다.

리튬이온전지는 1991년 처음 상용화된 이후 음극이나 양극 소재 자체가 가진 한계 때문에 전지 내부 구조 최적화를 통한 용량 개선 연구개발이 이어져 왔다. 그런 이유로 용량 발전이 상용화 이후 2배 수준에 그쳤다. 모바일 기기나 전기자동차, 에너지저장장치(ESS) 등 전지 활용이 늘어나는 시장 상황과 달리 고용량, 고밀도 전지 개발상대적으로 늦은 셈이다.

최근 들어 이를 타개하기 위해 기존 음극 소재인 흑연 대비 10배 이상 용량을 높일 수 있는 실리콘 소재에 대한 연구가 활발히 진행 중이지만, 전지에 충전과 방전이 반복되면서 수명이 급격히 저하되는 문제가 있어 어려움을 겪어왔다.

‘SiC-free(Silicon carbide-free) 그래핀 직성장 실리콘 음극 소재를 이용한 고용량 고내구성 리튬이온전지 구현’ 연구 관련 그래픽 [자료=삼성전자]

이번에 삼성전자 종합기술원이 개발한 기술은 이 같은 문제를 해결할 수 있는 고용량, 고내구성 음극소재를 개발한 것이다. 연구진은 물리적 강도와 전도도가 높은 그래핀 소재를 세계 최초로 실리콘 표면에 씌워(성장시켜) 충.방전이 반복될 때 표면 부피가 팽창하면서 생기는 구조 붕괴를 막는데 성공했다. 그래핀 보호층이 슬라이딩 처리돼 내구성을 향상시키는 메커니즘을 규명해낸 것.

삼성 연구진이 개발한 이 소재는 흑연 대비 4배 가량의 용량을 구현할 수 있으며, 실제 전지에 적용 시 현재 대비 2배 가까이 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 관련 기술은 현재 한국과 미국, 유럽, 중국 등에 총 5건에 걸쳐 출원한 상태다.

논문 제1저자인 손인혁 삼성전자 종합기술원 전문연구원은 “이번 연구는 고결정 그래핀의 신규 합성법을 고용량 실리콘 음극에 적용해 리튬이온전지 소재 성능을 크게 향상한 결과”라며, “모바일 기기와 전기자동차 시장의 확대에 맞춰 2차전지 기술을 지속적으로 혁신해 나갈 것" 이라고 말했다.

삼성전자 종합기술원은 또 나노미터 규모에서 그래핀 내의 포논(phonon) 특성을 제어할 수 있는 기술을 개발했다. 이는 25일 네이처 커뮤니케이션즈 온라인에 ‘나노미터 규모에서의 그래핀 포논 제어’라는 제목으로 게재됐다.