[테크월드=배유미 기자]
첨단기기와 다양한 전자기기의 등장과 함께, 배터리 기술도 현대사회에서 중요한 기술 중 하나로 자리잡게 됐다. 연구원, 제조업체와 최종사용자를 대상으로 하는 회사들은 매번 새로운 기술에 걸맞게 배터리도 발전시키고 있다. 배터리 기술은 소비자들의 수요에 맞춰 작고 가벼우면서도 높은 효율성을 가지는 방향으로 개발되고 있다. 이에 따라 업계와 연구진들은 최근 몇 년간 기존의 전기화학 기술을 넘어 나노 소재 전극에 관심을 갖고 있다.
현 배터리 기술은 리튬이온 배터리로 2019년 노벨화학상을 수상했을 정도로, 문제가 있는 것은 아니다. 하지만 지난 10년 간 기술적인 변혁이 있었던 것처럼, 항상 변화하려는 시도를 하지 않으면, 전자산업에서 기술적 발전을 기대하기는 어려울 것이다.
리튬이온 배터리는 좋은 에너지 밀도를 가지고 있으며, 안전하다는 특징을 가지고 있다. 또한 어디에서나 쉽게 발견할 수 있다. 하지만 더 많은 발전 가능성을 가지고 있기에, 업계에서는 나노 소재를 적용한 리튬이온 배터리 개발에 팔을 걷고 나섰다.
벌크 소재에서 나노 소재로 이동하는 이유
업계가 벌크(Bulk)소재 대신 나노 소재를 찾게 되는 이유는 다양하다. 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 원자 홀 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 전기 전도성을 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 기술에 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.
가장 주목받는 나노 소재는 그래핀
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. 또한 익명의 소식통에 따르면, 한 대형 휴대폰 제조업체는 이후 출시할 휴대폰에 그래핀 배터리를 곧 사용할 예정이다.
그래핀은 나노 소재가 가지고 있는 장점의 총집약체다. 그래핀 하나로 여러 물질들의 이점을 충족시킬 수 있는 것이다. 실제 그라파이트(Graphite, 흑연으로 그래핀은 흑연의 여러 탄소층 중 한 층을 나타낸다)는 많은 배터리 내 소재로 사용되고 있으며, 이 그라파이트 전극을 사용하는 시스템 또한 개발돼 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.
이외에도 그래핀은 다양한 곳에 이용될 수 있으며, 그 특성과 잠재력은 많은 사람들에게 인정받고 있다. 때문에 업계는 전 세계적으로 그래핀 생산과 적용을 준비하고 있으며, 이는 다양한 형태로 규모에 따라 생산될 수 있을 예정이다. 특히, 원자재 측면에서 다른 나노 소재보다 확장성이 뛰어나기에, 더욱 실용적이다.
그래핀 배터리, 상용화까지는 시간 필요해
현재 업계는 개인 소비자 대상이든 기업을 대상으로 하는 원격 모니터링 장비든 더 효율적이고 작은 배터리를 만들기 위한 방향으로 움직이고 있다. 각 업체들은 배터리 시스템에 나노 소재를 사용하기 위한 시도를 지속하고 있는데, 조금만 더 비용을 투자하면 이익이 생기고 배터리의 소형화도 가능해지기 때문이다.
많은 기업들이 그래핀 배터리 생산을 시도하고 있다. 하지만 실제 소비자들이 사용하거나 더 광범위하게 사용되기까지는 좀 더 시간이 걸릴 것으로 보인다. 현재 정체돼 있는 상태에서 다음 단계로 변화하기 위해서는, 오랜 시간이 걸릴 수 있다.
글: 리암 크리츨리(Liam Critchley)
자료제공: 마우저 일렉트로닉스
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