그래핀이 이끄는 미래를 향해 전진하다

세계적 수요

청정 에너지와 전기화, 특히 전기차(EV)에 대한 전 세계적 수요가 지속적으로 증가함에 따라, 이러한 산업에 필수적인 배터리 기반 기술에 대한 수요도 급증하고 있다.

현재 에너지 저장 시장에서는 기존의 리튬이온 배터리가 주류를 이루고 있습니다. 그러나 리튬이온 배터리에는 몇 가지 단점이 있습니다. 여기에는 높은 제조 비용, 제한된 수명, 안전 문제, 그리고 환경에 미치는 영향 등이 포함됩니다.

오늘날 가장 큰 과제는 이러한 수요를 충족시키기 위해 배터리 기술을 발전시키는 것, 즉 리튬이온 배터리의 대안을 마련하는 것입니다.

그래핀 배터리가 해답이 될 수 있을까?

그래핀 혁신

지난 20년 동안, 휴대용 전자기기부터 에너지 저장 및 회수에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 그래핀의 혁신적인 응용이 가속화되어 왔다.

그래핀은 놀라운 특성과 성질을 지닌 것으로 입증되었습니다. 그래핀은 탄소 원자가 6각형 격자 구조로 배열된 단층 구조를 가지고 있어 세계에서 가장 얇은 물질입니다. 하지만 동시에 강도도 매우 뛰어나며, 강철이나 다이아몬드와 같은 물질보다 훨씬 더 강합니다.

가볍고 내구성이 뛰어난 특성 덕분에 이미 자동차 및 항공 분야에서 널리 활용되며, 연료 소비와 탄소 배출량을 줄이는 데 기여하고 있습니다. 또한, 그래핀의 뛰어난 전기 전도성 덕분에 더 빠른 충전이 가능하고 열 안전성이 향상되며, 기존 리튬이온 배터리에 통합되어 성능을 크게 높일 수 있습니다.

나트륨 기반 배터리와 같은 다른 지속 가능한 배터리들은 더 저렴하고 친환경적인 대안을 제시하지만, 에너지 밀도가 낮다는 등의 알려진 단점이 있습니다. 이는 에너지 저장 용량이 적고 수명이 짧다는 것을 의미하므로, 이 두 가지 요소를 모두 필요로 하는 전기차(EV)에 상용화되기에는 어려움이 있을 것으로 보입니다.

따라서 그래핀의 다용도성은 이를 재생 에너지 및 에너지 저장 분야에서 판도를 바꿀 혁신적인 소재로 만들며, 리튬 기반 소재에 대항할 만한 유력한 후보로 자리매김하게 한다.

그래핀 기반 발명의 특허 출원

유럽특허청(EPO)이 발표한 2024년 특허 지수 보고서에는 특허 활동의 주요 수치와 추세가 담겨 있다. 주목할 만한 통계에 따르면, 지난 10년간 전기 기계, 장치 및 에너지 분야의 특허 출원 건수가 64.8% 증가한 것으로 나타났다. 여기에는 배터리 기술도 포함되어 있어, 이 분야는 2015년 이후 EPO의 35개 기술 분야 중 가장 빠르게 성장하고 있는 분야로 자리매김했다.

2050년까지 EU의 탄소 중립 달성을 목표로 한 2021년 유럽 기후변화법이 제정된 이후, 지속 가능한 재생에너지와 전기 이동수단도 증가세를 보이고 있다. EPO 특허 지수에 따르면, 배터리 기술은 청정하고 재생 가능한 에너지로의 전환인 ‘에너지 전환’의 핵심 분야로 꼽히며, 2024년 특허 출원 건수가 전년 대비 24% 증가하며 성장세가 가속화되고 있다.

EPO의 통계는 볼타 재단(Volta Foundation)의 ‘연간 배터리 보고서’에 발표된 산업 동향을 반영했다. 이 보고서에 따르면, 2024년 배터리 구동 모델을 포함한 전 세계 전기차 판매량이 25% 증가했다. 또한 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)뿐만 아니라, 내셔널 그리드(National Grid)와 같이 전기를 저장하는 장치들도 배터리 도입 분야에서 점차 주목받고 있다.

현재 배터리 기술 응용 분야 시장은 아시아가 주도하고 있으며, 2024년에 특허를 출원한 유럽 상위 10대 출원사 중에는 LG, 삼성, 도요타 자동차가 포함되어 있다.

상용화

그래핀 배터리 분야는 정부, 연구 기관 및 민간 기업의 투자에 힘입어 급속히 발전하고 있다.

2015년 영국 정부와 유럽지역개발기금(ERDF)은 국립 그래핀 연구소(National Graphene Institute)의 연구를 지원하기 위해 6,100만 파운드라는 상당한 규모의 자금을 투자했습니다. 이 자금을 통해 산업계 파트너들과 맨체스터 대학교의 저명한 학계 전문가들 간의 핵심적인 협력이 가능해졌으며, 이를 바탕으로 그래핀의 뛰어난 특성을 활용한 새로운 기술, 제품 및 공정을 개발하고 출시할 수 있게 되었습니다.

EU 그래핀 플래그십 ( EU Graphene Flagship )과 같은 다른 이니셔티브를 통해 그래핀 기반의 납산 배터리인 ‘아이파워 배터리(Ipower Batteries)’가 출시되었습니다. 이러한 측면에서 시장은 더욱 친환경적이고 효율적인 전기차(EV) 솔루션에 대한 수요에 힘입어 성장해 왔습니다.

그래핀 배터리의 연구 개발이 활발히 진행되고 있지만, 이에 수반되는 과제도 적지 않습니다. 그래핀 소재에 대한 수요가 증가함에 따라, 가장 큰 걸림돌은 산업 규모 생산을 실현하는 것이 될 것입니다. 최근 스완지 대학교와 중국 여러 대학의 공동 연구팀은 『네이처 케미컬 엔지니어링(Nature Chemical Engineering )』에 논문을 게재하여, 리튬이온 배터리의 열 안전성 확보에 사용될 그래핀 포일의 상업적 규모 확대를 위한 프로토콜을 공개했다. 이는 그래핀 생산을 상업적 수준으로 확대하는 데 있어 한 걸음 더 나아간 성과이다.

또한, 미국 그래핀 기반 에너지 저장 솔루션 분야의 선도 기업인 U.S.는 그래핀 기반 에너지 저장 솔루션 분야의 선도 기업으로, 구양 와 파트너십을 체결했습니다. 양사의 협력은 각자의 배터리 기술을 결합하여 양산을 달성하기 위한 것입니다. 이를 통해 양사는 전기차, 휴대용 전자기기 및 에너지 저장 시스템 분야로 사업을 확장할 수 있게 될 것입니다. 또한 그래핀을 활용하여 배터리 안전성과 성능 혁신을 가속화하는 데 있어 중요한 진전이 될 것입니다.