안녕하세요. 이번 글에서는 리튬이온배터리를 구성하는 4대 소재 중 하나인 음극재인 흑연에 대해 이야기하고자 합니다. 흑연은 천연흑연과 인조흑연이 있는데요. 이 두 가지의 차이점을 알아보도록 하겠습니다.
1. 개요 : 리튬이온배터리의 구성 요소 중 음극재의 역할
리튬이온배터리를 구성하는 4대 소재는 양극, 음극, 분리막, 전해액으로 구성되어 있습니다. 그 중 음극재는 충전 과정 중 양극에서 빠져나온 리튬이온을 저장하는 역할을 하고 있습니다. 따라서 소재 측면에서 얼마나 안전하게 리튬이온을 잘 받아들이는가에 따라 배터리 성능과 수명에 영향을 끼치고 있습니다. 좀 더 자세한 이해가 필요하신 분들은 아래 참조 포스팅을 보시면 도움이 될 수 있습니다.
리튬이온배터리의 작동원리 설명 (충전과 방전)
세계적인 전기차 회사 테슬라의 등장으로 인해 전기차의 시대가 시작되었고, 동력원인 리튬이온 배터리가 엄청난 관심과 주목을 받고 있다. 전기차의 핵심부품인 배터리, 현재 상용으로 사용되
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2. 천연흑연과 인조흑연의 구조적 차이점
- 천연흑연은 자연에서 채굴된 흑연으로, 결함이 적고 결정 구조가 정렬되어 있어 높은 전도성을 갖는 특징이 있습니다.
- 인조흑연은 인위적인 열처리 및 합성을 통하여 제조되며, 구조적으로 균일하고 순도가 높은 특징이 있습니다.
다음 그림은 천연흑연과 인조흑연을 비교한 이해를 돕기위한 그림과 SEM 분석 결과입니다.
그림에서 볼 수 있듯이, 천연흑연(Natural graphite)의 경우에는 판상형 구조와 같은 형태를 띠고 있으며, 가장자리가 뾰족하게 각져있는 구조를 갖고 있습니다. 반면의 인조흑연(Synthetic graphite)의 경우에는 동그란 모양의 구형 입자를 나타내는 것으로 알 수 있습니다.
3. 천연흑연과 인조흑연의 제조공정 차이점 (비교)
천연흑연은 말 그대로 자연에서 채굴한 후 물리적 및 화학적 처리를 통해 순도를 높여 음극재로 사용됩니다. 채굴한 천연 흑연의 불순물 제거 및 순도를 높이기 위해 위 그림과 같은 공정들이 수행됩니다. 해당 자료는 문헌을 참고한 자료입니다.
황산이나 불산같은 산을 이용하여 불순물을 제거하고, 세정 및 필터 하여 정제를 진행합니다. 그다음과정으로 불순물 제거를 위해 고온에서 구워내고 산 용액을 사용해서 원하는 스펙의 제품이 나올 때까지 진행하는 것이 천연흑연의 제조 공정입니다.
그다음 과정은 인조흑연의 제조 공정입니다. 인조흑연은 원료로 석유계 피치(Pitch) 및 코코스(cokes) 소재를 이용하여 고온에서 열처리를 통해 흑연화(Gratiphization)를 통해 결정화되어 음극재로 사용되고 있습니다.
그림을 참고하면, 원료인 코크스와 피치를 원하는 입도로 분쇄(Mill) 공정을 거치고 불순물제거를 위해 탈수소(Dehydration) 공정이 도입됩니다. 그다음으로 고온에서 가열 (Bake) 공정이 적용되는데, 이는 탄소 소재의 특성으로 고온화를 통해 흑연화(Graphitization)가 진행되기 위함입니다. 흑연화과정을 거친 제품을 원하는 형태로 포장함으로써 공정이 마무리되는 것이 인조흑연의 제조공정입니다. 그림에 나타나있듯이, 인조흑연의 공정이 더 복잡하고 상대적으로 높은 온도에서 열처리되므로 더 많은 공정비가 필요합니다.
4. 천연흑연과 인조흑연의 배터리 성능 비교
그렇다면 이렇게 만들어진 천연흑연과 인조흑연은 배터리에 적용되었을 경우, 어떠한 성능을 발현하게 될까요? 천연흑연과 인조흑연을 비교한 논문을 기반으로 비교를 해보겠습니다. 해당 논문에서 AG는 인조흑연, NG는 천연흑연을 의미합니다.
수명성능
해당 데이터는 양극 NCM532, 그리고 인조흑연과 천연흑연을 각각 도입하여 Full cell 조건에서 평가한 결과입니다. 약 700cycle 동안 전체적으로 용량의 감소율은 인조흑연이 더 우수하였습니다. 또한 초기 사이클 구간에서는 상대적으로 인조흑연의 셀 용량이 약간 낮았지만, 용량 유지율이 더 우수한 탓에 장기 수명 후 셀 전체 용량도 더 우수한 것을 알 수 있었습니다.
출력성능
출력성능 또한 인조흑연이 우수합니다. 그 이유는 구조적인 차이에 좀 더 기인하고 있습니다. 아래 그림은 이해를 쉽게 하기위해 그린 그림입니다.
각각의 천연흑연과 인조흑연의 구조를 비교해보겠습니다. 천연흑연의 경우는 직접 광물을 캐서 제조한 소재입니다. 이러한 소재는 Graphene (단일층)의 배열이 인조흑연 보다 규칙적이지 않습니다. 이에 따라 내부 결함이 존재하는 특징이 있습니다. 이것을 'Defect'이라 의미합니다.
따라서 이러한 구조를 가진다면 리튬이온이 충방전시 이동하게 되는데 효율적이지 못한 단점이 있습니다. 따라서 출력특성이 상대적으로 저하되는 원인입니다. 반면에 인조흑연을 보게 되면 Defect이 상대적으로 덜하고 잘 정렬되어 있습니다. 이러한 경로로 리튬이온이 이동하게 되면 더 효율적으로 이동이 가능합니다. 이러한 특성 때문에 출력특성에서 인조흑연이 더 우수한 성능을 보이고 있습니다.
따라서 인조흑연의 성능이 천연흑연보다 좋긴 하지만, 가격면에서는 천연흑연이 더 장점이 있습니다. 이상으로 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
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