리튬이온배터리의 음극재 : 흑연(Graphite)의 역할 및 특징

리튬이온배터리의 핵심 4대 소재는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되어 있다. 이 중 음극재로 현재 가장 널리 사용되는 소재는 흑연(Graphite)이다. 흑연(Graphite)은 탄소(Carbon)의 동소체이며, 리튬이온배터리 산업에서 없어서는 안될 핵심 소재이다. 

 

 

1. 음극으로서의 적합성

음극재 특성 비교 (J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 11, No. 3, 2008)

 

첫번째 특징은 리튬삽입 평균전위가 적절하다.  현재 양극으로 사용되는 LCO, NCM, LMO, LFP 등 양극 소재 대비하여 흑연은 평균전위값이 낮은 특성을 갖는다. 양극과 음극의 전압차가 높을수록 리튬이온배터리의 에너지밀도가 높아지기 때문에 평균전위값(~0.1V)이 낮은 음극재로 적합하다. 또한 높은 이론용량값 (382mAh/g) 을 갖기 때문에 많은 양의 리튬이온을 저장할 수 있다.

 

 

 

2. 구조적 적합성

흑연(Graphite)의 구조 (J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 11, No. 3, 2008)

흑연(Graphite)는 구조적으로 적층 구조를 이루고 있다. 흑연(Graphite)가 갖는 적층사이의 간격이 리튬이온의 크기와 비슷하여 쉽게 리튬이온이 삽입(Intercalation)될 수 있다. 또한 적층 구조를 갖고 있기 때문에 충전과정에서 이동된 리튬이온이  삽입(Intercalation) 되어도 구조가 크게 변형되지 않는다. 흑연(Graphite)는 C축 방향과 수직인 Basal plane과 C축 방향과 평행인 Edge plane의 구조를 갖고 있다. 해당 구조를 갖기에 이방성을 나타내는 특징이 있다. 

 

 

 

3. 리튬이온의 삽입(Intercalation) 메커니즘

리튬이온삽입 메커니즘 (C. Sole, N. E. Drewett and L. J. Hardwick,  Faraday Discuss. , 2014,  172 , 223–237)

현재 널리 알려진 흑연(Graphite) 내부에 리튬이온의 삽입 메커니즘은 크게 2가지가 존재한다. Rudorf-Hoffman Model과 Daumas-Herold Model이다. 1938년에 Rudorf-Hoffman은 처음으로, 흑연(Graphite) 내부에 리튬이온의 삽입(Intercalation)이 리튬이온의 농도에 의존되는 'Stage mechanism'을 제시하였다.

 

그림과 같이 리튬이온 삽입에 따른 흑연(Graphite) 내부를 Stage N (N=1~4)로 명명하였다. (여기서, N=리튬이온이 삽입(Intercalation)된 층을 분리하는 그래핀 층의 수)

 

위 그림을 보면 리튬이온의 삽입(Intercalation) 농도가 증가함에 따라 N의 수가 줄어든다. 이는 열역학적으로 두 그래핀 층 사이의 간격을 확장하는 데 필요한 에너지의 상호작용과 삽입물 층 사이의 반발 상호작용과 관련이 있다고한다.

 

하지만 Rudorf-Hoffman Model의 실질적인 한계로, Stage 3->Stage 2로 전환을 설명할만한 근거가 부족하였고 그 다음으로 등장한것이 Daumas-Herold Model이다. 헤롤드는 N > 1인 모든 단계에 삽입(Intercalation)된 그래핀층이 유연하고 변형되는 변형된 모델을 가정했다. 따라서 구조의 유연성 덕분에 기존 설명이 되지 않는 부분이 보충된다하였다.

 

 

 

 

4. 가격

마지막으로 우리가 흔히 사용하는 연필심에도 사용된다. 주변에서도 흔히 볼 수 있듯 저렴한 가격이 장점이기 때문에 상용화되어 사용하고 있다. 국내 대표적인 음극재 제조사로는 포스코케미칼(한국), 미쓰비시화학(일본), 히타치케미칼(일본) 등이 있다.