이에 따라 스마트폰 등 모바일 분야는 물론 새로운 성장동력으로 각광을 받고 있는 전기차 배터리 분야에서도 시장 주도권을 강화할 수 있는 토대를 마련했다.
삼성전자 종합기술원은 상용 리튬이온전지의 에너지밀도를 2배 향상시킬 수 있는 고결정 그래핀 코팅 실리콘 음극소재 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
이와 관련 ‘SiC-free(Silicon carbide-free) 그래핀 직성장 실리콘 음극 소재를 이용한 고용량 리튬이온전지 구현’이라는 제목의 논문이 이날 세계 유수의 과학저널인 네이처 커뮤니케이션즈 온라인판에 실린다.
이번 기술은 리튬이온전지의 용량 한계를 극복할 수 있는 해법을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.
최근에는 기존에 리튬이온전지 음극소재로 사용돼 왔던 흑연 대신 용량을 10배 이상 높일 수 있는 실리콘을 활용하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 실리콘 소재는 전지의 충·방전이 거듭될수록 수명이 급격히 저하되는 문제점을 안고 있다.
종합기술원이 개발한 기술은 그래핀을 세계 최초로 실리콘 표면에 적용해 충·방전 시 부피 팽창으로 인한 구조 붕괴를 막아 실리콘 기반 음극소재의 내구성을 획기적으로 높일 수 있다.
또 이 기술을 상용 리튬이온전지에 적용하면 2배에 가까운 에너지밀도를 구현할 수 있다. 전지 용량을 높이면서 제품은 안정성을 유지할 수 있는 기술인 셈이다.
관련 기술은 미국, 유럽, 중국, 한국 등에서 총 5건이 특허 출원됐다.
삼성전자는 이 기술을 활용해 스마트폰 등 모바일 기기의 배터리 용량 경쟁에서 우위를 확보할 계획이다. 특히 신수종 사업으로 각광을 받고 있는 전기차 배터리 분야에도 적극 적용할 방침이다.
논문의 제1 저자인 손인혁 전문연구원은 “이번 연구는 고결정 그래핀의 신규 합성법을 고용량 실리콘 음극에 적용해 리튬이온전지 소재 성능을 향상시키기 위한 목적으로 진행됐다”며 “모바일 기기와 전기차 시장 확대에 맞춰 2차전지 기술을 지속적으로 혁신해 나갈 것”이라고 강조했다.
이에 대해 삼성전자 관계자는 “향후 수년 내에 상용화가 가능한 기술”이라며 “다만 리튬이온전지 사업을 맡고 있는 삼성SDI(006400)와 어떤 식으로 시너지를 낼 것인지는 추가적인 논의가 필요할 것”이라고 말했다.
한편 종합기술원은 이날 ‘나노미터 규모에서의 그래핀 포논 제어’라는 제목의 논문도 네이처에 함께 게재했다. 이 연구는 그래핀을 활용한 고집적 반도체 소자 설계 및 분석에 도움이 될 전망이다.
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