리튬이온배터리 도전재 : CNT(탄소나노튜브)에 대한 이해

배터리에서 전극은 용량은 담당하는 활물질, 극판밀착력을 유지시켜주는 고분자바인더, 그리고 전도성을 증대시켜주는 도전재로 구성되어 있다. 기존 카본블랙(Carbon black)보다 더 우수한 전도성을 갖는 CNT(탄소나노튜브)에 대해 알아보자.

 

 

 

1. 개요 : CNT(탄소나노튜브)

탄소나노튜브 CNT라 불리는 물질은 일본의 이지마 연구원이 탄소계열 소재인 Fullerene을 연구하다가 전자현미강에서 우연히 발견하여 등장하게 되었다. 이름 그대로 탄소가 그물형태의 튜브모양을 하고 있는 소재이다. 

CNT(탄소나노튜브)의 그림 및 종류 (출처 : Tubeall)

탄소소재가 겹겹으로 층상구조로 되어 있을 경우, 흑연(Graphite)이고 흑연의 단일층을 그래핀(Graphene)이라 하는데, 이 그래핀인 탄소단일층이 둥글게 말려 있는 것이다. 탄소나노튜브는 형상에 따라 크게 2가지 종류가 존재한다. 

SWCNT(Single-wall CNT) : 그래핀층이 홑겹으로 말려 있는 구조 약 0.5~2.5nm

MWCNT(Multi-wall CNT) : 그래핀층이 여러 다중겹으로 되어 있을 경우  약 7-100nm

 

 

 

2. CNT(탄소나노튜브의 특징)

물성 비교 (출처 : 주요 탄소소재 동향과 전망, LG경제연구원 2014)

탄성률&인장강도

탄소나노튜브의 탄성률은 강철 소재의 약7배이고, 인장강도는 100배나 되는 우수한 성능을 갖는다. 이는 탄소원자들 사이에 형성된 sp2 공유결합으로 이루어져 있기 때문이다. 현존 알려진 물질들의 가장 우수한 물성을 갖는 물질이다.

 

전기전도성

또한 전기전도성이 우수한 구리보다 약 1000배의 성능을 갖기 때문에 이차전지 전극의 도전재로 수많은 연구가 진행되고 있다. 배터리 전극을 구성하는 소재가 니켈, 코발트, 망간 계열의 세라믹 소재이기 때문에 전기전도성이 좋지 못한 문제점이 있다. 이에 따라 CNT(탄소나노튜브)를 사용할 경우 과전압을 크게 줄여 전지효율을 증대시킬 수 있다. 

 

 

 

3. 배터리소재로서 적용

아래 두 그래프는 리튬이온배터리에 여러 도전재를 넣고 그에 따른 성능을 비교한 결과이다. 그래프 (a)는 배터리 사이클에 따른 방전용량을 나타낸 배터리수명실험이고, 그래프 (b)는 방전속도를 증가시켜서 사용전기량에 따른 방전용량 결과를 나타낸 것이다.

(출처 : Ionics volume 26 , pages 4277–4286 (2020))

배터리 수명결과(a) CNT를 많이 넣은 초록색의 용량이 100사이클 동안 가장 높게 유지되는 것을 확인할 수 있다. CB(카본블랙)을 넣은 결과 초기 용량은 높게 확인되지만 충방전을 거듭할수록 용량이 빠르게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

 

그래프 (b)는 방전속도 (C-rate)를 5사이클에 대한 방전용량을 보여준다. C-rate를 0.2C->10C 까지 증가시켜 용량을 비교 하였는데, 여기서 초록색인 CNT를 많이 넣은 샘플의 용량이 가장 우수한 것을 알 수 있다. C-rate가 증가하면 단위시간당 가해주는 전류값이 높기 때문에, 높은 전류에 대한 저항이 생겨 방전용량이 감소한다. (옴의법칙 : V=IR 전류와 저항은 반비례) CNT가 사용된 샘플이 우수한 용량을 갖는 것이 전기전도성이 매우 우수하기 때문에 다음과 같은 높은 용량을 보인다고 할 수 있다. 반면에 다른 도전재가 들어간 샘플들은 매우 낮은 방전용량 값을 갖게 된다. 이런 이점은 용량을 증대시킬 수 있고, 향후 전기차 충전속도를 빠르게 앞당길 수 있는 장점이 있다.

 

 

 

이번 포스팅에서 탄소나노튜브(CNT)에 대해서 알아보았다. 현재 카본블랙을 도전재로 주로 사용하고 있지만 업계에서 카본블랙의 한계 때문에 탄소나노튜브를 소량 섞어서 사용하는 추세이다. SWCNT, MWCNT의 구조에따라 전기전도성이 달라지기 때문에 기업들의 활발한 연구가 진행되고 있다. 우수한 연구결과를 바탕으로 하루 빨리 전기차 고속충전의 시대가 오길 바란다.