리튬이온전지 등과 결합, ‘고도의 성능 발휘’
초고속 충전과 방전, “어떤 악조건에도 안정적 작동”
전기차, 각종 IT장비 등의 성능, 획기적으로 높여
[애플경제 김향자 기자] 전기차 뿐 아니라, 수많은 IT장비를 위한 배터리의 성능이 강조되고 있는 가운데, 새삼 그래핀 전지가 주목받고 있다. 이는 리튬이온 전지 등 다양한 전지와 통합할 수 있고, 화학적으로 처리하면 양극과 음극 모두에 적합한 다양한 형태로 만들 수 있는 차세대 전지다.
이에 관한 별도의 보고서를 펴내기도 한 IRS글로벌에 따르면 그래핀은 이차원 격자로 구성되어있는 탄소 원자 시트의 형태다. 열과 전기 도체로서 성능이 뛰어나며, 유연성이 매우 좋고 가볍고, 투명하며, 같은 두께의 철보다 100배가 강도가 높은 것으로 알려져있다. 더욱이 친환경적이기까지 해서 그 유망성을 인정받고 있다.
IRS글로벌은 일본 닛케이, 한화케미컬 등의 자료를 분석, 그래핀 전지 기술의 우수성을 강조하고 있다. 이에 따르면 그래핀 전지는 리튬이온 전지와 유사한데, 2개의 고체 전극과 전해질 용액으로 이온이 흐르게 된다. 일부 그래핀 전지는 고체 전해질을 갖고 있기도 하다.
다만 리튬이온과 다른 점은 한쪽 또는 양쪽 전극의 구성 형태다. 즉 “기존 전지들은 캐소드(양극)가 모두 고체 재료로 만들어져 있지만 그래핀 전지는 양극이 그래핀과 고체 금속 재료로 이루어진 하이브리드 컨포넌트로 구성되어 있다.”는 설명이다.
이때 전극에 사용되는 그래핀의 양은 고체 재료의 효율과 성능 요건에 따라 다르다. 경우에 따라선 무한에 가까운 효율과 성능을 지닐 수도 있다. 이에 “그래핀은 현재의 기술로는 불가능할 만큼 뛰어난 기능을 가진 신세대 에너지저장장치를 확립할 가능성이 있다.”는 기대도 나오고 있다.
그 중 수직으로 배열된 그래핀 시트를 바탕으로 하는 전기 이중층 캐퍼시터(용량)는 매우 빠르게(1밀리초 미만) 충전 내지 방전을 할 수 있다. 그 때문에 AC 라인 필터링을 위해 산화 그래핀, 그래핀 CNT(카본 나노 튜브) 카페트, 그래핀 양자 도트를 포함하는 수십 개의 재료가 실험 중인 것으로 전해졌다. 이러한 초고속 슈퍼 캐퍼시터는 현재 전자기기에서 사용되는 대형 전해 콘덴서를 대체함으로써 전자기기를 더욱 경량화 내지 소형화할 수 있다.
기존의 배터리와 슈퍼 캐퍼시터에는 경직성 혹은 ‘강성(剛性)’이 있다. 구부리게 되면 전해액이 누출되거나 전지가 손상을 입을 수 있다. 하지만 그래핀은 원자 1개 두께의 이차원 시트 구조를 가지기 때문에 손상을 입지 않고 수직 방향으로 구부릴 수 있다는 것이다. “이러한 고유의 기계적 유연성에 더해, 경이로운 전기적 특성과 표면적 크기로 인해, 그래핀은 유연한 전지의 유망한 재료가 되었다.”는 것이다.
이같은 특징으로 인해 신축 가능한 에너지저장장치를 만들 수 있다. 즉, 마이크로 허니컴 그래핀 CNT(카본 나노 튜브)나, 활성 물질 복합 전극과 물리적으로 연결된 젤 전해질의 구조적 신축성을 이용하여 만들 수 있게 된다.
또한 서로 얽힌 카본 나노 튜브와 그래핀 시트를 사이에 두고 상호 연결된 활성 물질은 기계적으로 안정된 다공질 네트워크 프레임워크를 제공한다. 또 허니컴(벌집) 구조의 안쪽에 튀어나온 프레임워크는 변형 중에 구조적으로 늘어날 수 있게 한다. 그래서 “전극 내의 이온과 전자의 이동 속도를 높이기 때문에, 그래핀을 탑재한 리튬이온 전지는 훨씬 짧은 시간 안에 충전과 방전을 할 수 있다”는 설명이다.
IRS글로벌은 나노 스케일의 ‘LiFePO4 캐소드’와 ‘Li4Ti5O12 애노드’ 재료를 예로 들어 이같은 특성을 강조하고 있다. 즉, 유연한 그래핀 폼에 이들 재료를 탑재한 리튬이온전지는 불과 18초 만에 완전히 충전할 수 있다. 순수한 그래핀을 애노드로 사용하여 용량이나 충전 내지 방전 속도를 높일 수도 있다. 특히 “최근에는 동축전극과 ‘Core sheath’ 전극이 발전함에 따라, 전극 재료와 집전체를 하나의 실로 조합할 수 있게 되었다. 이 실은 천에 직접 짜 넣거나 엮을 수 있다.”고 소개했다.
이에 따르면 그래핀은 다기능 마이크로 화이버에 조합하거나 천에 짜 넣을 수도 있다. ‘그래핀 코어 시스 마이크로 화이버’는 기존의 제직(製織) 방법을 이용하여 천과 조합할 수 있다. 이에 유연하고 신축성이 있는, 면적 대비 높은 용량을 갖춘 슈퍼 캐퍼시터를 위해 사용되고 있다.
기존의 배터리는 전극과 외부 회로 간의 전자의 흐름을 촉진하기 위해 두께가 20~80µm인 금속박 집전 장치(구리, 알루미늄, 니켈 등)를 사용한다. 그러나 이러한 금속은 전하를 축적하지 않기 때문에, 배터리의 전체적인 에너지 밀도를 낮춘다. 더욱이 부식되어 셀의 내부 저항과 수명에 악영향을 미친다.
이에 비해 그래핀은 더욱 뛰어난 대체 집전 장치다. 즉 “전도성이 높고 밀도가 낮으며 가혹한 동작 조건 아래에서도 안정적으로 작동한다”고 강조한 IRS글로벌은 “그래핀은 표면에 파문이나 주름이 있는 막으로 쉽게 변환되기 때문에 활성 물질과의 전기적 접촉이 향상되어 셀 저항이 더욱 감소된다”고 특장점을 강조했다.