배터리의 가장 중요한 점은 배터리 수명입니다. 그 중에서도 음극 소재는 배터리를 구성하는데 큰 역할을 하지 않아보이지만, 매우 중요하다고 볼 수 있습니다.
배터리 충전을 위해 전원을 연결하면 배터리의 양극 기재는 양극 활물질에 있던 전자를 음극으로 보내게 됩니다. 전자는 전해질을 통과할 수 없기 때문에 배터리의 극 부분인 탭을 통해 이동하게 되구요. 전자와 달리 리튬이온은 전해질을 통과해 음극 쪽으로 흐르게 되는데, 이렇게 다른 경로로 전자와 리튬이온 모두 음극으로 이동하게 됩니다.
(출처= 삼성SDI)
음극을 이루는 흑연은 기본적으로 아주 규칙적인 층상구조로 되어 있는데요. 탄소가 결합된 여러 개 층이 쌓인 모양입니다. 리튬이온과 전자는 이 층에 자리를 잡습니다. 대부분의 리튬이온이 흑연층으로 이동하게 되면 충전이 끝납니다.
그런데 엄밀히 흑연층에 전자가 들어 있는 상황은 안정과는 거리가 멉니다. 오히려 삼각형 언덕 위에 공 하나를 올려놓은 것처럼 위태로운 상태입니다. 리튬에서 나온 전자와 리튬이온은 양극 활물질인 리튬금속산화물로 돌아가려고 하는데요.
이 때문에 방전 시 전자와 리튬이온은 공이 언덕에서 미끄러지듯 양극으로 이동합니다. 이처럼 음극의 흑연은 리튬이온을 저장하는 부분에만 관여합니다. 달리 말하면 음극의 주요 소재인 흑연은 리튬이온배터리의 화학 반응에는 영향을 주지 않습니다.
애당초 음극 소재로 흑연이 채택된 것은 전자와 리튬이온을 잘 받을 수 있는 물질이기 때문이죠.
하지만 흑연의 양과 질은 배터리의 용량 증대에 직접적인 영향을 줍니다. 음극재가 리튬이온배터리의 재료비에서 차지하는 비중이 약 10% 내외로 적기 때문에 음극재를 가볍게 보는 경향이 있는데 실상은 그렇지 않습니다.
양극에 활물질을 많이 넣어 전자를 많이 내보낸다고 해도 음극에서 전자와 리튬이온을 많이 받지 못하면 배터리로서 성능을 발휘할 수 없는 것입니다. 이런 이유로 음극재는 배터리의 용량과 성능에 결정적인 역할을 하게 되는 것입니다.
표진수 기자 realwater@etomato.com