최신 그래핀 배터리가 장착된 새 전기자동차를 타고 고속도로를 달리고 있다고 상상해보자. 주스가 부족한 것을 알았으므로 휴게소에 차를 세우고 플러그를 꽂고 안으로 들어가 피자를 먹는다. 작업을 마치고 밖으로 나갈때 쯤이면 이미 거의 충전된 상태이며 중단없이 300마일을 주행할 수 있다.

이것이 곧 일부 별이 빛나는 과학자들이 약속하는 운송의 미래이다. 그들은 그래핀으로 배터리에 전력을 공급함으로써(단지 원자 두께의 탄소 시트) 전동 공구에서 전기자동차에 이르기까지 모든 것이 더 빠르게 충전되고 더 많은 전력을 보유하며 비용이 적게 들며 문명이 마침내 지구를 파괴하는 화석 연료에서 벗어나도록 도울 것이라고 말한다. 그리고 이 놀라운 배터리는 내년 쯤이면 출시될 것이라고 그들은 말한다.

“그래핀은 놀라운 소재이며 특히 배터리 용 소재로서 놀랍다.”라고 폴리머 과학자이자 그래핀 배터리 회사인 NanoGraf의 사업개발 부사장인 Chip Breitenkamp은 말했다. 그는 이 기술이“배터리 충전 속도를 높이고 열을 보다 효과적으로 발산할 수 있다. 이것은 큰 의미가 있다. 전동 공구가 빠르게 과열되지 않는다는 의미이다. 이는 가전 제품이 가족에게 더 오래, 더 나은 서비스를 제공한다는 것을 의미한다. 그리고 결국 전기자동차가 더 빨리 충전될 수 있음을 의미한다."

Breitenkamp는“본질적으로 그래핀은 지속가능한 전기적 미래를 지원하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있다.”고 말한다.

급속 충전이 유일한 장점은 아니다. 연구실에서 NanoGraf는 그래핀 배터리가 기존 리튬이온 배터리에 비해 실행 시간이 50% 증가하고 탄소발자국이 25% 감소하며 동일한 출력을 제공하는 데 필요한 무게의 절반을 보여준다.

기본적인 아이디어는 화학으로 귀결된다. 수십 년 동안 배터리 제조업체는 높은 전기용량을 가지고 있기 때문에 실리콘 대신 리튬을 채택했다. 그러나 리튬에는 두 가지 주요 문제가 있다. 전기를 제대로 전도하지 못하고 방전되면서 물리적으로 변형되는 경향이 있어 궁극적으로 전단 및 균열이 발생한다. 리튬을 그래핀(또는 가장 최근에는 그래핀 옥사이드 및 환원 그래핀 옥사이드와 같은 관련 나노 물질)과 혼합하거나 코팅하면 두 가지 문제가 모두 해결된다. 그래핀은 전도성이 높고 전기가 흐르고 단단하므로 리튬이 모양을 유지하여 배터리를 더 오래 사용할 수 있다.

“그래핀은 매우 높은 전자 전도도를 가지고 있기 때문에 실리콘 양극에 넣으면 전도도가 정말 높아진다.”라고 그래핀 배터리에 대한 연구를 발표한 브라운대학교의 엔지니어인 Christos Athanasiou는 말했다. “그래핀은 정말 좋은 기계적 특성을 가지고 있다. 정말 강력하다. 따라서 양극이 확장될 때 그래핀은 본질적으로 이러한 부피 변화를 방해하므로 실리콘 양극이 그다지 팽창하지 않으므로 파손되지 않는다.”

또 다른 이점으로 그래핀의 견고성은 기존 배터리보다 훨씬 더 많은 수명주기를 제공하기 때문에 옹호자들은 배터리를 더 세게 "밀고"더 강력한 전류로 더 빠르게 충전할 수 있다고 말한다. 더 빨리 성능이 저하되지만 방전주기가 많아 기존 배터리보다 수명이 더 길어진다.

NanoGraf는 실용적인 그래핀 배터리에 집착한다고 말하는 유일한 스타트 업은 아니다. 경쟁사인 Real Graphene의 CEO인 Samuel Gong은 회사의 기술이 1시간 이내에 자동차를 충전할 수 있다고 믿고 있다고 말했다.

Gong은 "또한 사람들이 일반적으로 제품을 몇 년 이상 보관하지 않기 때문에 희생할 수 있는 수명주기 예산이 더 많다."라고 Gong은 말했다. “그래핀 배터리는 어떤 의미에서 훨씬 더 많은 처벌을 받을 수 있으므로 추가 수명주기가 가능하다. 훨씬 더 세게 밀 수 있다.” 그 결과 에너지 밀도와 성능이 크게 증가한 저렴한 배터리가 탄생했다.

Gong은 "그래핀 배터리는 플라스틱과 비교할 때 기술 발전에 중요하다고 생각한다. 미래에는 거의 모든 곳에 적용될 수 있다."고 말했다.

약속은 엄청나지만 동시에 특정 주장이 모호해 보일 수 있다. Nanograf는 이미 전동 공구 회사 및 전기자동차 용 배터리를 생산하는 회사와 협력하여 기술을 시장에 출시하고 있지만 특정 파트너를 지명할 수 없다고 말했다.

그리고 Gong은 Real Graphene이 이미 중국 상하이에서 그래핀 배터리로 구동되는 버스를 조종하고 있다고 말했다. 하지만 우리가 버스를 누가 운영하는지, 배터리가 당당한 기술적 약속을 지키고 있는지 등 프로그램에 대한 세부 정보를 요청했을 때 그는 거절했다는 의견을 남겼다.

더 큰 의미에서 그래핀은 2004년에 처음으로 분리되었다. 왜 지금 모든 것에 적용해야 할까?

Athanasiou는“지난 15~20년 동안 기본적으로 전체 에너지 저장 커뮤니티는 좋은 나노 복합 재료를 만드는 방법, 실리콘 그래핀 양극이 원하는 특성을 갖도록 만드는 방법에 대해 많은 작업을 해왔다.”라고 Athanasiou는 말했다. “그래서 최근 몇 년 동안 그래핀을 만드는 것이 더 쉬워졌고 그래핀을 기반으로 한 다른 나노 물질이 있다.

“이 나노 물질은 더 나은 특성을 제공한다. “그래핀 옥사이드는 예를 들어 실리콘과 더 잘 어울린다. 그리고 환원된 산화 그래핀을 사용할 때 더 나은 특성을 제공한다는 것이 밝혀졌다.”

다시 말해, 그래핀은 수년 동안 "세상을 혁명적으로 바꿀 준비가 되어있는"영원한 상태에 있었다. 그러나 제조 비용이 하락하는 추세에 따라 여러 신생 기업은 빠르면 내년에 배터리가 전동 공구와 같은 소형 장치에 판매될 것이라고 말했다. 그 후 그들은 더 야심을 가질 계획이다.

“EV에 들어가는 배터리는 매우 긴 테스트주기가 필요하다.”고 NanoGraf의 Breitenkamp는 말했다. “그러므로 이러한 배터리는 최소한 3~4년 동안 테스트를 거쳐야한다. 지금 당장 우리의 기술이 전기차에서 작동하도록 하는 것이 아니다. 우리는 그렇게 될 것이라고 전적으로 믿지만 EV에 들어가는 데 필요한 모든 검증의 문제이다. "

Breitenkamp는 "작동 여부는 문제가 아니라 안전 및 수명과 같은 항목에 대해 엄지 손가락을 받기까지 걸리는 시간의 문제이다."고 덧붙였다.

그래핀 배터리가 스타트 업 커뮤니티를 넘어 관심을 끌 가능성이 있다. 사실, 이 이야기를 위해 인터뷰 한 몇몇 전문가들은 테슬라가 비밀리에 같은 기술을 실험하고 있을지도 모른다고 추측했다. 비록 그들 모두 이론이 단지 추측일 뿐이라고 강조했는데도 불구하고 말이다.

“테슬라가 이런 종류의 기술을 연구하고 있다는 것은 의심의 여지가 없다.”라고 Gong은 말했다. 그래핀 배터리 자체를 만드는 것보다 강력한 충전기를 만드는 것이 더 큰 도전일 수 있다고 덧붙였다.

Athanasiou는“아마도 그렇게 될 것이다. 하지만 이 모든 것은 매우 기밀이다. "회사 외부의 누구도 실제로 알 수 없다."

테슬라가 그래핀 배터리에 대해 작업하고 있는지 여부에 관계없이 소비자 제품으로 유용하기 전에 해결해야 할 수많은 기술적 과제가 있다.

한 가지 실질적인 문제는 대형 자동차 제조업체가 시장에 적합한 그래핀 배터리를 개발하는 데 성공한다면 막대한 충전으로 인해 전기 인프라가 완전히 압도될 위험이 있다는 것이다.

“적어도 Bay Area에 대해 이야기할 때 전력망은 현재 우리가 가지고있는 것을 거의 처리 할 수없다. 파워가 너무 많아서 실제로 일어나지 않는 일이다.”라고 Gong이 말했다. “원전을 짓고 우리에게 힘이 있다고 말하는 것이 아니다. 전력 공급이기도 하다. 도시의 배선이 전력급증을 처리할 수있는지 여부이다."

또한 해결해야 할 기술적 문제도 여전히 존재한다는 것을 모두 인정한다. 하나는 배터리를 너무 세게 밀면 수지상 크리프(기본적으로 내부 단락)와 같은 문제가 발생할 수 있다고 Breitenkamp는 말했다. 그러나 여러 전문가들은 미래주의 수지상 크립이 더 많은 그래핀으로 해결될 수 있다고 말했다.

그래핀을 더 많이 사용하면 수지상 크리프가 차단되지만 제조 문제가 남아 있다. 여러 회사에서 실제로 그래핀으로 배터리를 코팅하거나 구현하기 위해 서로 다른 트릭을 사용하지만 방법론에 관계없이 일관성은 문제이다.

간단히 말해서 Athanasiou는 과학자들이 실험실에서 정말 좋은 프로토 타입을 만들 수 있지만 완제품의 대량 생산으로 이동하는 것은 완전히 별개의 도전이라고 Athanasiou는 말했다.

"내가 말할 수 있는 것은 과학이 거기에 있다는 것이다."라고 Athanasiou는 말했다. “그러나 기술적으로는 아직 준비되지 않았다. 우리는 이러한 나노 복합 실리콘 그래 핀을 만드는 방법을 알고 있지만 이를 재현 가능하게 만드는 방법은 큰 도전이다.”

그리고 물론 그래핀을 발견한 이후로 그래핀에 대한 관심을 계속 유지하고 있는 과대 광고가 있다. 그것은 재킷으로 바뀌었고, 무한한 전기의 원천으로, 심지어 물을 즉시 담수화하는 방법으로 선전되었다.

미시간대학 에너지연구소의 배터리 사용자 연구소의 기술 책임자인 Greg Less는 연구에 대한 관심을 끌어 야하는 과학자들의 필요성 중 일부라고 말했다. 그러나 그는 또한 그래핀 배터리가 얼마나 유용한 지 확신하지 못한다고 말했다. Graphene은 Less의 특정 전문 지식이 아니라는 점을 분명하게 밝혔지만 또 다른 유행으로 사라질 수 있다고 의심한다.

그는 탄소 나노 튜브를 예로 들었다. 예를 들어 과거의“기적의 물질”이다. 탄소 나노 튜브는 기본적으로 튜브에 감겨진 그래핀 조각일 뿐이며, 그것이 사회에 어떻게 혁명을 일으킬 지에 대한 많은 대담한 주장이 제기되었다.

Less는“그래핀은 지금 당장 괴짜 재료이다. “개선 사항이 있는가? 그렇다. 이러한 개선으로 더 저렴하고 사용 가능한 옵션을 대체하기에 충분할까? 아마 아닐 것이다. 아마도. 모르겠다.”

요컨대 그래핀을 둘러싼 과대 광고는 미래를 가린다. 나노 물질의 실제 유용성을 궁극적으로 부족하게 될 선의의 노력과 분리하는 것은 어렵다. 그러나 우리는 어떻게 든 환경 행위를 정리해야 한다. 기후 변화의 가장 파괴적인 영향을 막으려면 결국 장기적인 성모송이 필요하다. 그래핀 옹호자들이 말하는 것의 일부라도 결국 일어나게 된다면 화석 연료와의 싸움에서 정말 귀중한 무기가 될 것이다.

Breitenkamp는 전기자동차를 혁신할 수 있는 그래핀의 잠재력에 대해 "전기화가 현실화되는 것을 보게 되어 기쁘다."고 말했다. “지난 10년 동안 그것은 일종의 에테르처럼 보였다. 모든 사람의 차고에 넣을 수 있을 만큼 저렴한 차를 만들 수 있다는 것은 많은 것을 변화시킬 것이다. 기후 변화와 심지어 직업에 대한 이야기를 바꾸게 된다.”