▲‘SiC-free(Silicon carbide-free) 그래핀 직성장 실리콘 음극 소재를 이용한 고용량 고내구성 리튬이온전지 구현’ 연구 그래픽(사진 제공: 삼성전자)

‘SiC-free(Silicon carbide-free) 그래핀 직성장 실리콘 음극 소재를 이용한 고용량 리튬이온전지 구현’이라는 제목의 이 논문은 기존의 음극 소재인 흑연보다 10배 이상 용량을 높일 수 있는 소재 ‘실리콘’의 수명 저하 문제를 해결할 수 있는 기술을 소개했다.

리튬이온전지는 1991년에 최초로 상용화된 이후 20여 년이 지났지만 음극·양극 소재의 한계로 인해 용량 발전은 2배 수준에 그쳤다.

최근에는 근본적으로 용량을 혁신할 수 있는 고용량 전지소재 개발을 위해 실리콘 소재에 대한 연구가 진행됐지만, 전지의 충방전이 반복되면서 수명이 급격히 저하되는 기술적 난제가 있었다.
 
삼성전자 종합기술원은 이 문제를 해결할 수 있는 고용량, 고내구성 음극소재를 개발한 것.
 
연구진은 물리적 강도와 전도도가 높은 그래핀을 세계 최초로 실리콘 표면에 성장시켜 충방전중 부피 팽창으로 인한 구조 붕괴를 막는 그래핀 층을 갖는 구조의 소재를 합성했다. 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 출원됐다.

논문의 제1저자인 삼성전자 종합기술원 손인혁 전문연구원은 “이번 연구는 고결정 그래핀의 신규 합성법을 고용량 실리콘 음극에 적용해 리튬이온전지 소재 성능을 크게 향상한 결과”라고 설명했다.

삼성전자 종합기술원은 또 나노미터 규모에서 그래핀 내의 포논(phonon) 특성을 제어할 수 있는 기술을 개발해 같은 날 네이처 커뮤니케이션즈 온라인에 게재했다.

아르곤(argon) 이온을 그래핀에 충돌시켜 그래핀과 기판 사이를 넓혀 수 나노미터 규모에서 순수한 그래핀 상태를 구현하는 데 성공한 것.

반도체 선폭의 10분의 1 수준인 나노미터 크기로 기판과 상호작용이 작은 순수한 그래핀 영역을 생성하는 방법을 최초로 제시한 이번 연구로 국소적인 포논 특성 측정을 통해 향후 그래핀을 활용한 고집적 반도체 소자의 설계 및 분석 기반을 마련한 것으로 평가된다.