까맣고 쉽게 부서지는 흑연과 영롱하게 빛이 나고 단단한 다이아몬드, 이 둘은 너무도 달라 보이지만 사실은 둘 다 탄소만으로 이루어진 동소체입니다. 이 중 흑연은 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는데요. 연필심, 샤프심도 있지만 요즘 우리 주변에서 더 쉽게 찾아볼 수 있는 곳은 사실 따로 있습니다. 바로 리튬이온배터리인데요. 리튬이온배터리의 재료로 흑연이 사용되고 있기 때문이죠. 흑연은 다이아몬드와 어떻게 다르고, 어떤 특성을 가지고 있어서 배터리에 사용되고 있는지 알아보겠습니다.
흑연은 다이아몬드와 마찬가지로 탄소(Carbon)로만 이루어져 있으며, 굳기는 약 1.5로 매우 부드러운 편입니다. 비중은 약 2.23이며, 광택이 있는 흑색 혹은 철회색을 띠고 있습니다. 그래서 연필의 주요 재료로 사용되고 있는데요. 이러한 특성은 흑연의 영어 이름에서도 드러납니다. 흑연의 영어 이름은 ‘Graphite’로, ‘(글 따위를) 쓰다’라는 뜻을 가진 그리스어 ‘graphein’에서 유래되었다고 합니다.
흑연과 다이아몬드는 모두 탄소만으로 이루어져 있지만, 서로 다른 결정 구조를 가지고 있어 각기 다른 특성을 나타냅니다. 다이아몬드의 경우 모든 탄소 원자들이 다른 4개의 탄소 원자와 결합해 치밀한 그물 구조를 이루고 있는데요. 이렇게 단단한 결합을 하고 있기 때문에 깨지지 않는 다이아몬드의 성질이 만들어지는 것이죠.
반면 흑연은 탄소 원자들이 다른 3개의 탄소 원자와 결합해 얇은 판 모양의 구조를 가집니다. 그렇기 때문에 판과 판 사이의 결합은 쉽게 깨질 수 있는 것인데요. 하지만 이렇게 판 모양의 탄 소 층이 겹겹이 쌓인 구조 덕분에 흑연은 오래전부터 리튬이온배터리의 음극재로 널리 사용될 수 있었습니다. 왜냐하면 리튬이온배터리의 음극재는 양극(+)에서 나온 리튬이온을 저장, 방출함으로써 전기를 발생시키는 역할을 하는데, 흑연의 규칙적인 층상 구조가 리튬이온이 사이사이에 들어가 저장되기에 안성맞춤이었기 때문이죠.
단, 리튬이온이 들어간 흑연은 팽창하여 미세하게 부피가 늘어나게 되는데 배터리의 충·방전이 반복되면 점차 구조의 변화를 일으켜 리튬이온 저장 능력이 떨어지게 되어 배터리 수명도 줄어들게 됩니다. 음극재가 배터리 수명의 중요한 요인인 것인데, 흑연의 수명은 대체로 양극재의 수명보다 짧습니다.
이를 보완하기 위해 음극재에 천연 흑연 대신에 인조 흑연을 쓰기도 합니다. 인조 흑연은 2,500℃ 이상의 고열을 가해 만들어져 천연 흑연보다 내부 구조가 비교적 균일하고 안정적입니다. 그렇기 때문에 리튬이온의 반복적인 충·방전에도 구조의 변화가 작아 배터리 수명이 길고, 천연 흑연보다 구조상 리튬이온의 이동 통로가 많아 급속 충전에 유리하다는 장점이 있습니다.
지금까지 음극재의 대표 원재료 ‘흑연’에 대해 알아보았습니다. 한편, 최근에는 고용량 배터리에 대한 수요가 늘어남에 따라 급속충전이 가능한 차세대 음극재 개발이 한창인데요. 다음 시간에는 차세대 음극재 소재로 떠오르고 있는 ‘실리콘’에 대해서 다뤄보겠습니다.