[차세대전지 시리즈-3] 그래핀 배터리(Graphene Battery)/그래핀에 대한 간단한 이해

"그래핀(Graphene)"

 

 

차세대 배터리 중, 전고체 전해질(All solid electrolyte)과 마찬가지로, 그 어떤 배터리에 첨가해도 좋은 물질이 '그래핀'입니다.

 

바로 '꿈의 소재'이기 때문이죠!

 

왜 꿈의 소재라고 불리는지 한번 정리해보도록 하겠습니다.

 

그래핀은 탄소원자들의sp2 결합으로 이루어진 벌집모양의 2차원 평면 구조의 탄소 동소체입니다.

 

출처 : Promises, facts and challenges for graphene in biomedical applications, journal from chemical society review

 

여기서 탄소동소체(Carbon allotrope)란, 같은 원소로 이루어져있지만 모양과 성질이 다른것을 의미합니다.

 

즉, 그래핀은 다이아몬드, 탄소나노튜브, 흑연, 풀러렌과 같은 원소(C)로 이루어져있으나,

 

만들어지는 과정/원소의 형태 차이에 의해 모양과 성질이 달라집니다 :)

 

아마 다이아몬드와 연필심(흑연)이 같은 원소라는건 익히 들어보셨을꺼에요

 

일반적으로 다이아몬드나 탄소는 '부도체'입니다. 전기가 흐르지 않는다는 뜻이죠

 

출처 : https://www.researchgate.net/figure/Structures-of-selected-allotropes-of-carbon_fig1_328869273

 

이는 원소의 특성으로 확인할 수 있습니다.

 

탄소는 6각형으로써 최외각 전자들이 옥텟규칙에 의해 안정적이어서, 전자가 낄 틈이 없이 탄소들끼리만 강하게 뭉쳐져 있는 상황임을 의미합니다.

 

*옥탯규칙 : 최외각전자가 8개일때 원자는 안정한 상태가 되는데, 8개가 되지않으면 8개가 되기위해 반응성이 높아진다는 규칙

 

하지만 그래핀은 구리보다 100배이상 높은 전기전도도가 특징이죠. 즉, 탄소와 정반대의 특성을 지닌다는 것입니다.

 

같은 원소라도, 원소의 구성 형태에 따라 특징이 다르게 나타나는 대표적인 예입니다.

 

 

출처 : 금성출판사, 티칭백과

 

 

그래핀은 최외각전자들 중 3개는 육각형의 구조를 이루기 위해 기존의 탄소와 같이 구성되어있지만, 나머지 1개의 전자는 pi-결합이라고 해서 혼자 다르게 결합을 하고 있습니다.

 

 

파이결합, 출처 : https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=sh4682sh&logNo=220992098099&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F

 

이 pi-결합에 의해 기존 탄소처럼 완벽하게 서로 연결되어 전자가 흐를 틈을 주지 못함과 달리, 전자가 흐를 통로가 생기게 됩니다.

 

즉, 불완전한 돌연변이적 특징(pi-combination)에 의해 새로운 완전함이 생겨나게 된것이죠

 

 

이런 원리에 의해 구리보다 100배높은 전도도를 가지는 그래핀의 평균적인 두께는 0.2nm입니다.

 

머리카락보다도 훨씬 얇은 두께죠!

 

하지만 강도는 강철의 200배 이상이랍니다! 다이아몬드의 단단함 특성은 그대로 가지고 있다고 생각하시면 됩니다.

 

더욱 이상한것은 이렇게 단단한 강도임에도 구부러짐(신축성)은 아주 탁월합니다.

 

신축성이 좋아서 10%이상 면적을 늘리거나 구부려도 전기전도도가 감소하지 않죠.

 

이런 이유로, flexible 배터리나 구부림이 많이 필요한 wearable device에 많이 사용됩니다.

 

flexible battery, 출처 : https://www.extremetech.com/extreme/149418-researchers-create-lithium-ion-battery-that-can-stretch-to-300-its-original-size

 

또한, 현존하는 세상의 가장 높은 열전도성을 가지는 다이아몬드보다도 2배이상 높은 열전도성도 가집니다.

 

이것은 개인적으로는 양날의 검이라 생각되는데

 

열전도성이 높다는것은, 수냉식 혹은 공냉식 쿨링 기법에 의해서 열을 쉽게 뺏을수도 있다는 의미가 되지만

 

그래핀을 활용한 배터리 수천개가 붙어있는경우는, 하나가 열폭주(thermal runaway)를 시작하면 다른 옆에 셀에도 엄청나게 빠른 속도로 열전도가 된다는 것을 의미하죠.

 

단셀기준으로보면 좋은 성능임에는 틀림없습니다만, 배터리 시스템 단위에서는... 고민해봐야겠네요

 

 

출처 : Sensors and Materials, Vol. 32, No. 2 (2020) 759–777 759 MYU Tokyo

 

 

이런 엄청나게 많은 장점들임에도 양산을 못하고 있는 이유는 만들기가 너무나도 어렵기 때문입니다.

 

그래핀의 발견으로 노벨상을 받은 과학자들도, 연필심에 스카치테이프를 땟다붙였다하는 방식으로 밖에 발견하지 못했죠..

 

graphene, 출처 : wikipedia

 

그럼 이 그래핀이 배터리에서는 어디에 첨가가 될까요??

 

여기서는 사실.. 유투브나 심지어 기자들까지도.. 잘모르는 관계로 무슨

 

"그래핀배터리가 나오면 리튬시장이 망할꺼다"

 

 "리튬배터리가 그래핀 배터리로 완전히 대체될거다"

 

이런말씀들을 하시는데..

 

리튬산화물이나 삼원계 금속재료들은 '양극전극'에 사용되는것이고

 

그래핀을 배터리에 활용하는 방안은 보통 '음극제' 혹은 '도전재'로 사용합니다

 

즉, 사용되는 부분이 전혀 다른것이죠!

 

그래핀을 음극에 활용하는 방안으로는, 실리콘을 제어하기 위한 용도로 많이 연구가 진행되고 있습니다.

 

실리콘은 부피팽창이 탄소대비 400%가까이 된다는 문제가 있으며 부도체인데

 

여기에 전도성이 아주 좋고, 단단하여 부피팽창도 막아줄 수 있는 그래핀으로 실리콘을 감싸줌으로써 두마리 토끼를 모두 잡을 수 있지않을까하고 있습니다.

 

 

출처 : https://m.blog.naver.com/krictblog/221188760020