그래핀 배터리 시대는 얼마나 남았나요?

얼마 전 화웨이 프랑스 지사는 트위터에 내년 상반기 출시되는 화웨이 P40 시리즈 휴대폰에 그래핀 배터리가 사용될 것이라는 메시지를 올렸다.

이 소식이 나오자마자 인터넷 전체에는 그래핀 열풍이 불었다. 그래핀 배터리를 적용한 휴대폰의 배터리 수명이 얼마나 될지 다들 논의하던 중, 그래핀 컨셉주도 호황을 누리고 있었다. 닭피의 등장으로 전자업계 전체가 타격을 입을 듯했다. 그래핀 시대의 도래를 모두가 기대하고 있다.

그러나 몇 시간 뒤 화웨이 관계자들은 열광적인 소비자와 투자자들에게 '화웨이의 프랑스 공식 트위터 공개가 잘못됐고, P40에는 그래핀 배터리가 탑재되지 않았다'며 냉수를 쏟아부었다. 가짜 뉴스로 확인됐지만 그래핀 배터리는 날조된 개념 용어가 아닌 대부분의 배터리 에너지 기업이 지향하는 방향이다.

1884년 최초의 실용화 전기자동차 이후 사람들은 배터리 용량을 개선하기 위해 끊임없이 노력해 왔습니다. 그러나 기술 트리 타임라인으로 보면 배터리 기술은 항상 다른 기술보다 느리게 발전해 왔습니다. 스마트폰이 등장한 이후, 부족한 배터리 수명이 휴대폰 사용에 미치는 영향은 점점 더 명백해졌습니다. 보조 배터리는 모든 휴대폰 사용자에게 부담이 되었습니다.

일반적인 사용자 경험을 보장하기 위해 배터리 제조업체는 리튬 배터리의 제조 공정을 개선해 왔지만 배터리 소재 개선 속도는 다른 구성 요소의 전력 소비 증가보다 훨씬 느립니다. 휴대폰 두께/성능/배터리 수명, 둘 중 하나를 얻으려면 하나를 포기해야 하는 문제가 되었습니다.

리튬 배터리의 에너지 밀도를 향상시키는 강력한 도구

다행히도 2004년 영국 맨체스터 대학교의 물리학자 Andre Heim과 Constantine Heim이 등장했습니다. , 실험에서 테이프를 사용하여 흑연에서 그래핀을 성공적으로 분리하여 이 다재다능한 물질의 존재를 확인했습니다. 두 사람은 2010년 노벨 물리학상도 수상해 그래핀의 중요성을 전 세계에 알렸다.

협의의 그래핀은 탄소 원자가 sp2 하이브리드 오비탈로 벌집 모양으로 배열된 단층 2차원 결정체다. 넓은 의미에서는 10층 이하의 흑연 구조가 가능하다. 그래핀이라고도 불린다. 이 소재는 단일층 두께가 0.34nm에 불과해 현재 세계에서 가장 얇습니다.

세계에서 가장 단단한 물질일 뿐만 아니라 열전도도가 가장 높은 물질일 뿐만 아니라, 세계에서 가장 작은 저항을 갖는 물질이기도 하며, 상온에서 전자 이동도가 15,000 cm2/V·s를 초과하여 이상적인 배터리 소재입니다.

현재 그래핀 배터리 기술은 크게 두 가지 방향을 갖고 있다. 하나는 리튬이온을 양극으로 삽입하는 것이고, 다른 하나는 도전제로 존재하는 것이다. 전극 소재로서 기존 리튬 배터리의 개량 버전이라고 볼 수 있습니다. 전통적인 리튬 배터리는 항상 다층 흑연을 모자이크 구조로 사용해 왔습니다. 흑연을 단층구조(그래핀)로 분리하면 그래핀을 양극으로 사용하는 리튬전지의 이론적 용량은 기존 리튬전지 용량(>744mAh·g-1)의 2배 이상이다.

휴대폰 배터리에 이런 배터리는 거의 꿈에 가깝다. 휴대폰을 3일마다 충전할 수 있다면 휴대폰의 기능이 어떻게 바뀔지 상상해 보세요.

배터리 급속 충전 기술의 궁극적인 솔루션

리튬 배터리에 있어서 그래핀의 중요성은 그것뿐만이 아니다. 현재 그래핀은 열전도율이 가장 높은 소재이기 때문에 그래핀을 사용하면 to 리튬 배터리는 열을 방출하므로 리튬 배터리의 빠른 충전 속도를 한 단계 더 향상시킬 수 있습니다. 앞서 화웨이는 2015년 제56회 일본 배터리 컨퍼런스에서 그래핀을 사용해 리튬 배터리의 열을 방출하는 기술을 제시해 5분 만에 3000mAh 배터리의 48%를 충전할 수 있는 고속 충전 기술을 시연했다.

그래핀 방열과 배터리 양극 기술인 그래핀을 결합하면 리튬 배터리의 용량과 충전 속도가 동시에 향상된다.

2017년 삼성은 그래핀 기술을 활용한 배터리를 개발했다고 발표했다. 삼성의 시연에서 그래핀 기술을 적용한 이 휴대폰의 배터리 용량은 45% 증가했으며, 12분 만에 완충이 가능해 강력한 배터리 성능으로 인해 사람들은 전자 제품에서 그래핀 배터리의 잠재력을 실감하게 되었습니다.

전기차 배터리 수명의 구원자

그래핀 배터리는 휴대폰 제조사뿐만 아니라, 사용해도 배터리 수명에 고민하는 신에너지 자동차 업체들까지 삼원리튬 배터리 Tesla는 연료 자동차에 필적하는 사용자 경험을 달성할 수 없지만 그래핀은 이러한 난처한 상황을 바꿀 수 있습니다.

2014년 스페인 그래페나노(Graphenano)라는 스타트업이 코르바도 대학과 협력해 이 배터리로 구동되는 전기 자동차는 최대 1,000km까지 주행할 수 있으며 충전 시간도 100%에 달한다. 8분도 안 되는 시간인데, 그래핀이 얼마나 배터리 용량과 충전 속도를 향상시킬 수 있는지를 보여준다.

미래의 모든 전기차에 10분 만에 완전 충전이 가능한 그래핀 배터리가 사용된다면 전기차 주행거리 문제는 더 이상 존재하지 않고, 급속 충전소가 주유소를 대체하게 될 것이다. 자동차 소유자가 차에서 내려 화장실에 가서 완전히 충전할 수 있다면 전기 자동차는 연료 자동차만큼 편리해질 것입니다.

아직 산업화의 길에 있는 기술

어떤 측면에서 보아도 그래핀은 리튬 배터리 혁신의 핵심이다. 하지만 신소재인 그래핀은 아직 초기 단계다. 인간은 새로운 물질을 발견할 때마다 항상 원리 연구 - 실험실 생산 - 대규모 생산 - 제품의 과정을 따릅니다.

재료과학은 원리부터 제품까지 긴 실험 주기가 있다는 점에서 다른 학문과 다릅니다. 현재 그래핀 제조 및 응용 수준으로 볼 때, 그래핀은 아직 초기 단계에 있습니다. 2018년 전 세계 그래핀 시장 규모는 2억 7,300만 달러에 이르렀고, 연평균 성장률은 40%에 이르렀지만, 대부분의 그래핀 생산 기업은 그래핀을 대규모로 대량 생산하는 기술을 익히지 못했고, 그들이 생산하는 고순도 그래핀 소재는 그램당 1000위안 이상에 팔린다.

이런 고가의 재료는 기껏해야 실험실 연구에서만 나올 수 있다. 상용화를 하려 한다면 기술이나 생산량이 충분하든 그 누구도 그 대가를 혼자 감당하지 못할까 봐 걱정된다. 아직 산업화 초기 단계에 있는 기술인 그래핀은 앞으로 3~5년 정도 전자제품에 등장하지 않을 수도 있다.

현재 그래핀이 세상을 즉시 바꿀 것이라는 주장을 믿는 사람은 거의 없습니다.

첫째, 현재의 기술과 둘째, 연구 개발 비용으로 인해 그래핀 배터리가 성숙하게 사용되기 어렵다는 점입니다.

1 그래핀의 특성은 기존 리튬이온 배터리 산업 시스템의 많은 요구 사항과 호환되지 않습니다. 이는 최근 몇 년 동안 문제가 되었습니다.

2 그래핀 소재의 본질적인 특성은 전기화학적 특성의 근본적인 변화, 저장 메커니즘의 혁신 등을 가져오지 못했습니다. 즉, 전기화학의 기본원리에 기초하면 전복적이지 않다는 것이다. 그래핀이 양자역학과 같은 뉴턴 역학의 세계를 전복시킬 수 있다고 한다면 이 사람은 약간의 의구심을 표현할 수밖에 없습니다.

3 배터리에는 리튬-황, 전고체, 나트륨 기반 등 앞으로 개발될 신기술이 없지 않습니다. 시간이 지날수록 그 중 일부는 더 일찍 우리 삶에 들어오게 될 것입니다. 안타깝게도 그래핀은 메커니즘 측면에서 보면 배터리의 핵심 구성요소는 아니며 단지 보조적인 역할을 할 뿐입니다. 수십 년 후에는 먼저 리튬-황 전고체 상태에 주목하라고 하셨습니다. 그래서 저는 앞으로 나아가거나 환상을 거부하는 것이 아니라 말도 안 되는 소리와 과대 광고가 산업의 건전한 발전에 완전히 해롭다는 것은 분명합니다. 그래핀에 대해 실용적인 사람들도 이것을 이해한다고 믿습니다.

4 엔지니어링을 해본 사람이라면 경제성과 적시성을 염두에 두어야 합니다. 이 기술이 20~30년 후에 미래를 갖는다면 지금 극복해야 할 문제가 많습니다. 그렇다면 문제는 수십 년 후에 미래가 있을 기술을 위해 지금 생산 능력을 늘리는 것이 적절한가 하는 것입니다. 이것은 사람들의 돈과 돈을 낭비하는 것입니까? 그리고 이것의 전제는 수십 년 안에 미래가 있을 것이라는 것입니다. 미래가 없다면 어떨까요? 물론 이는 배터리를 의미하는 것이지 그래핀의 다른 방향을 의미하는 것은 아닙니다.

5년 이내

영원히 [표지]