전기차·스마트폰 배터리 용량 2배 'UP'…삼성전자, 고용량·고내구성 실리콘 음극소재 개발

26일 삼성전자 종합기술원은 상용 리튬이온전지 보다 2배에 가까운 에너지밀도를 구현할 수 있는 고결정 그래핀(Graphene) 코팅 실리콘 음극소재 기술 개발에 성공했다고 밝혔다.

리튬이온전지는 1991년에 최초로 상용화된 이후, 음극이나 양극 소재의 한계로 인해 전지 구조 최적화를 통한 용량 개선 중심으로 개발되고 있다. 때문에 용량 발전이 2배 수준에 그쳐, 모바일 기기와 전기자동차 시장의 본격 성장에 따른 고용량, 고밀도 전지 개발에 한계가 있었다.

이런 한계를 극복하고자 최근에는 근본적으로 용량을 혁신할 수 있는 고용량 전지소재 개발이 가속화 되고 있는 상황이다. 기존의 음극 소재인 흑연 대비 10배 이상 용량을 높일 수 있는 소재 후보로 실리콘 연구가 활발히 진행 중이지만, 전지의 충방전이 반복되면서 수명이 급격히 저하되는 기술적 난제가 있었다.

삼성전자 종합기술원은 이 문제를 해결할 수 있는 고용량, 고내구성 음극소재를 개발에 성공한 것이다. 연구진은 물리적 강도와 전도도가 높은 그래핀을 세계 최초로 실리콘 표면에 성장시켜 충방전중 부피 팽창으로 인한 구조 붕괴를 막는 그래핀 층을 갖는 구조의 소재를 합성했다.

특히, 부피가 팽창될 때 그래핀 보호층이 슬라이딩되어 내구성을 향상시키는 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 이 소재는 흑연 대비 4배의 용량을 가졌으며, 이를 통해 상용 리튬이온전지에 적용하면 2배에 가까운 에너지밀도를 구현할 수 있다.

관련 기술은 미국, 유럽, 중국, 한국 등에 총 5건이 특허 출원됐으며 이번 연구성과는 25일 과학저널인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인판에 게재됐다.