흑연 음극

흑연 음극 소재

양극에 흑연을 선택하는 이유는 무엇인가요?

흑연은 벌크 및 표면 그래프트 모두의 높은 전자 전도도와 사이클링 중 리튬 이온을 (탈)삽입하는 인터칼레이션/디인터칼레이션 과정에서 전기화학적 안정성으로 인해 리튬 이온 배터리에서 가장 널리 사용되는 음극 재료 중 하나로 알려져 있습니다. 이는 리튬 이온이 흑연 구조를 손상시키지 않고 채울 수 있다는 것을 의미하므로 오래 지속되는 배터리에 중요합니다. 게다가, 흑연 은 강철이나 다른 물질에 비해 훨씬 덜 무겁고 화학적으로 불활성입니다. 실제로 흑연 양극은 다른 불활성 전극보다 선호됩니다.

전도성의 중요성

양극에 흑연을 선택한 이유는 전기가 잘 통하기 때문입니다. 충전 또는 방전 과정에서 전자는 흑연에서 자유롭게 이동할 수 있습니다. 이렇게 하면 배터리의 충전량을 보존하여 배터리에 의존하는 모든 프레임워크에 전력을 공급할 수 있습니다. 흑연의 놀라운 전도성이 없다면 배터리는 제대로 작동할 수 없기 때문에 이것이 핵심입니다.

리튬 이온 배터리의 흑연

흑연 음극은 리튬 이온 배터리에 없어서는 안 될 필수 요소입니다. 충전 시 리튬 이온은 흑연 층 사이에서 상호 이동합니다. 방전 시 리튬 이온은 음극으로 다시 이동하여 전류를 생성하고, 이 이동은 가젯에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 방대한 양의 전기 에너지를 가역적으로 저장할 수 있는 흑연은 리튬 이온 배터리에 전기를 저장하고 방출하는 데 없어서는 안 될 필수적인 저장소입니다.

리튬 이온 배터리와 흑연 배터리

흑연 배터리와 리튬 이온 배터리를 구분하는 가장 중요한 차이점은 양극 소재에 있습니다. 기존 리튬 이온 배터리일부 새로운 기술은 음극 재료로 흑연 대신 실리콘을 사용합니다. 이 두 가지 소재는 사이클 수명 면에서 흑연이 우위에 있는 반면, 잠재적 에너지 밀도에서는 실리콘이 우위에 있습니다. 하지만 문제는 실리콘 음극은 충전 중에 부풀어 오르는 현상이 발생하여 배터리 팩에 치명적인 구조적 손상을 입힌다는 점입니다. 그럼에도 불구하고 흑연은 성능과 안정성을 모두 충족하는 더 일반적인 소재입니다.

흑연 음극 전기 분해 공정

리튬 이온 배터리의 충전 및 방전 과정에서 흑연 양극에서 전기 화학 반응이 일어납니다. 양극의 셀 수준에서 배터리는 전기분해로 작동하며, 충전된 리튬 이온이 내부로 전달되어 흑연에 포집됩니다. 방전 시 이온이 방출되면 이 이온이 음극으로 한 번 더 흘러 들어가 에너지를 방출합니다. 또한 가역적이기 때문에 흑연 양극에 심각한 문제가 발생하기 전에 배터리를 수없이 재충전할 수 있습니다.

흑연 음극과 실리콘 음극 비교

일반적인 흑연 음극에 비해 실리콘 음극의 이론적 용량이 높아지면서 이 소재에 대한 관심이 높아졌습니다. 흑연 대신 실리콘을 사용하면 리튬 이온 저장 용량이 더 커서 배터리 에너지 밀도를 높일 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 실리콘은 배터리를 충전하고 방전할 때 급격하게 팽창하고 수축한다는 큰 단점이 있습니다. 이렇게 되면 양극이 부풀어 오르는데, 이는 일반적으로 균열을 일으켜 결국 고장을 일으킵니다. 반면 흑연은 수많은 충전-방전 주기 동안 그 구조를 유지할 수 있어 장기간 사용해도 내구성과 신뢰성이 뛰어납니다. 실리콘 기반 음극이 고용량 배터리의 미래가 될 수 있지만, 대부분의 애플리케이션은 여전히 오래된 흑연을 사용하고 있습니다.

흑연 음극과 양극

리튬 이온 배터리에서는 양극과 음극의 역할이 바뀝니다. 충전 중에는 리튬 이온이 양극에 존재하고 방전 중에는 음극에서 리튬 이온이 방출됩니다. 실제로 양극은 리튬 인터칼레이션과 관련된 화학적 특성으로 인해 흑연을 사용합니다. 대신 다른 재료가 음극에 사용됩니다. 음극 - 예를 들어 리튬 코발트 산화물이나 인산철과 같이 이온을 받아들이고 다시 포획하는 데 더 효과적인 물질이 있습니다. 따라서 배터리의 기능을 이해하려면 양극과 음극을 그 성질에 따라 구분하여 생각해야 합니다.

흑연 음극의 제조 공정

첫 번째는 원료 흑연을 세척하고 다음과 같은 불순물을 제거해야 한다는 것입니다. 실리콘철 또는 산소를 추출합니다. 다음 단계는 흑연을 바인더와 혼합하여 페이스트를 만드는 것입니다. 그런 다음 이 페이스트를 집전체 역할을 하는 구리 호일 위에 롤 코팅합니다. 그런 다음 충전층이 코팅된 후 전체적으로 균일한 두께가 되도록 건조하고 압축합니다. 양극은 전기 화학적 특성을 얻기 위해 고온으로 가열됩니다. 그리고 필요한 모양과 크기로 절단하여 배터리에 넣을 수 있도록 마무리합니다.

양극이 강철이 아닌 흑연으로 만들어진 이유는 무엇인가요?

강철 소재는 전기 전도도가 낮기 때문에 리튬을 강철에 섞을 수 없습니다. 그러면 배터리 성능이 크게 저하됩니다. 반면에 흑연은 매우 우수한 전도성이며 리튬 이온의 이동을 너무 많이 분해하지 않고 견딜 수 있습니다. 또한 흑연은 무게와 화학적 안정성/부식에 대한 저항성을 모두 고려할 때 강철과 같은 소재보다 배터리 음극에 더 적합한 후보입니다.

흑연 음극의 응용

흑연 음극은 리튬 이온 배터리 외에도 다양한 용도로 사용됩니다. 흑연을 사용해 물을 수소와 산소로 분리하는 물 전기분해와 같은 전기화학 반응에 사용되며, 흑연을 사용해 물을 수소와 산소로 분리하는 데 도움을 줍니다. 흑연 음극은 나트륨 이온 배터리와 같은 다른 유형의 배터리와 에너지 저장 장치에도 사용됩니다. 합성 흑연 음극은 태양열과 풍력 등 재생 에너지의 간헐적인 특성을 저장할 수 있기 때문에 재생 에너지로의 전환에 사용되는 핵심 소재입니다.