음극재 그래핀 배터리란?(원리, 장단점)

그래핀 배터리는 기존 리튬이온 배터리의 음극재로 쓰이는 흑연을 그래핀으로 대체하여 만든 새로운 리튬이온 배터리라고 할 수 있습니다. 그래핀의 성질은 강철보다 인장강도가 4배 정도 높고, 전기, 열 전도율 또한 우수하다고 알려져 있습니다. 따라서 그래핀은 다양한 분야에 활용도가 높으며, 리튬이온 배터리 음극재의 대체 물질로 각광받고 있습니다. 

 

 

 

그래핀 배터리 원리

리튬이온 배터리의 음극재를 그래핀 물질로 사용하는 기술이기 때문에 작동원리는 기존 리튬이온 배터리와 동일합니다.

 

충전원리

 양극(+)에는 리튬과 음극(-)에는 흑연으로 구성되어 있으며 충전을 하기 위해 전기 콘센트에 꽂으면 양극에 있던 리튬이온이 분리막과 전해질을 통과해서 음극에 있는 흑연이 만들어 놓은 자리로 이동하여 충전이 되는 원리입니다.

 

방전원리

반면에 전기콘센트를 뽑으면 음극으로 이동했던 리튬 양이온들이 음극으로 이동을 하면서 방전이 되는 원리인데, 리튬 음이온과 짝을 이루어 안정적인 상태로 놓여있으려고 하는 물리적인 성질을 이용하는 원리입니다.

 

기존 리튬이온 배터리와 동일한 원리로 작동되며, 음극재의 흑연 대신 그래핀 대체 물질을 이용하기 때문에 그래핀 배터리로 불립니다. 

 

그래핀 배터리 장점

• 그래핀이란 물질은 구리보다 전기 전도가 100배 정도 더 효과적이며 실리콘보다 약 140배 정도 빠르게 전자를 전달하기 때문에 그래핀 배터리는 기존 충전시간보다 훨씬 빠르게 충전할 수 있습니다. 
• 그래핀은 2630m^2/g의 상대 표면적을 가진 원자 1개 두께의 탄소 원자막으로 매우 얇기 때문에 유연성도 매우 훌륭합니다. 흑연에서 추출되며, 기존 흑연은 3D로 배열되지만 그래핀은 원자 두께의 2D로 배열됩니다. 
• 기존 리튬 이온 배터리와 비교했을 때 그래핀 배터리는 사이즈가 같은 배터리 패키지일 경우 훨씬 많은 용량을 저장할 수 있습니다. 
• 우수한 전기 전도성으로 인해 더 빠르게 충전할 수 있으며, 투명한 소재로 쓰일 수도 있습니다. 
• 따라서 전기자동차에 적용하면 배터리 열폭주 현상은 없을 것이며, 냉각시스템이 필요 없기 때문에 공간 활용 측면에서 유리합니다. 

 

그래핀 배터리 단점

• 그래핀을 만들기 위해서는 고온환경에서 독성 화학물질을 사용해야 합니다. 
• 고품질의 그래핀을 만들기 위해서는 공정이 매우 세밀하고 복합하기 때문에 비용이 높습니다. 
• 아직까지는 연구단계에 있기 때문에 상용화에는 아직 미흡합니다.