고용량 배터리 음극재? 화학공학도가 알려줄게

고용량 배터리 음극재? 화학공학도가 알려줄게!

여러분들은 전자기기를 구입할 때 어떠한 요소를 가장 중요하게 생각하나요?? 성능, 무게 등 많은 요소들이 존재하지만 저는 개인적으로 배터리의 용량을 가장 중요하게 생각합니다. 갑자기 방전되는 전기자동차, 밖에서 꺼지는 휴대폰을 생각하면 아찔하기 때문인데요! 오늘은 우리가 사용하는 이 배터리의 용량이 어떻게 결정되고, 또 어떻게 만들어지는지에 대해 화학공학도인 저와 함께 알아보겠습니다!!

SK Careers Editor 이수록

 

 

 

 

 

Part 1. 너와 나의 차이! 전위차

배터리는 어떻게 우리에게 에너지를 전달해줄까요? 그 답은 ‘전위차’에 있습니다. 일반적으로 배터리는 양극의 경우 큰 전압, 음극의 경우 낮은 전압을 가지고 있는 특징이 있는데요! 이 양극과 음극의 전압차이를 ‘전위차’라고 합니다. 쉽게 말해서 양극은 건물의 옥상, 음극은 건물의 1층이라고 생각하시면 될 것 같은데요! 옥상에서 1층으로 돌을 떨어뜨린다고 생각해봅시다. 옥상과 1층의 높이 차이가 크면 클수록 더 빠르고 세게 돌이 떨어질 것입니다. 배터리도 이와 동일한데요! 양극과 음극의 전압차이, ‘전위차’가 클수록 더 많은 에너지를 방출할 수 있습니다. 즉, 양극의 전압이 클수록, 음극의 전압이 낮을수록 더 많은 에너지를 뽑아낼 수 있습니다!

 

 

 

 

 

Part 2. 마법의 재료! 실리콘

그렇다면 만약 전압차이, 전위차가 같다면 어떠한 재료를 사용해도 용량이 똑같을까요? 정답은 No입니다! 재료 자체의 용량이 크다면 더 많은 용량을 구현할 수 있는데요! 쉽게 말해 똑같은 옥상에서 돌을 던진다고 하더라도 돌의 개수가 많다면 더 많은 에너지를 출력할 수 있겠죠? 즉, 음극재의 전압이 낮을수록, 자체용량이 클수록 더 많은 에너지를 출력할 수 있습니다. 실제로 실리콘의 경우 0V의 매우 낮은 전위와 약 3600mAh/g의 매우 높은 자체용량 값을 가지고 있어 ‘차세대 음극재’의 재료로 불리고 있습니다!

 

 

 

 

 

Part 3. 일회성 실리콘?

낮은 전위, 높은 이론 용량이라는 엄청난 장점을 가진 실리콘에는 아주 치명적인 단점이 있습니다. 바로 부피 팽창이 일어난다는 점인데요! 실리콘의 경우 충/방전이 일어남에 따라 300%의 부피 변화가 일어나 배터리의 안정성이 매우 떨어진다는 단점을 가지고 있습니다. 쉽게 말해서 옥상에서 돌을 던졌지만, 그 돌을 다시 주워올 수 없다고 이해하시면 될 것 같습니다. 이를 비가역적 반응이라고 부르는데요! 한 번 반응이 일어나면 그 전으로 돌아가지 못하는 반응을 뜻합니다. 이러한 이유 때문에 아직 실생활에 사용하기에는 큰 무리가 있어 부피 팽창을 막고 안정성을 향상시키는 여러 연구가 진행 중에 있는데요! 이러한 문제점들을 해결할 수 있다면, 일주일 동안 사용할 수 있는 휴대폰, 한 번 충전으로 5번의 전국 일주가 가능한 전기자동차 등을 기대할 수 있지 않을까요?