그래핀과 배터리

그래핀과 배터리

벌집 격자 패턴으로 결합된 탄소 원자 시트인 그래핀은 많은 놀라운 특성을 갖고 있어 경이로운 물질로 인식되고 있습니다. 전기 및 열 에너지의 강력한 전도체이며 매우 가볍고 화학적으로 불활성이며 넓은 표면적으로 유연합니다. 다양한 응용 분야에 무한한 가능성을 제공하여 환경 친화적이고 지속 가능한 물질입니다. 이 그래핀을 2차전지에 활용하는 것에 대해 많은 가능성을 보여줍니다. 아직까지 실용화 되지 않았지만 그래핀과 배터리에 대한 내용을 간략히 살펴보겠습니다.

 

목차

그래핀 배터리의 장점

배터리 기본 사항

배터리 유형 및 특성

배터리 및 슈퍼커패시터

그래핀 강화 배터리

 

그래핀 배터리의 장점

기존 배터리 전극 재료를 그래핀으로 강화되면 성능이 크게 향상됩니다. 그래핀 배터리는 가볍고 내구성이 뛰어나며 고용량 에너지 저장에 적합할 뿐만 아니라 충전 시간도 단축할 수 있습니다. 이러한 기능은 배터리의 수명도 연장하게 됩니다. 이는 전도성을 달성하기 위해 재료에 코팅되거나 전극에 추가되는 탄소의 양과 음의 관계가 있으며, 그래핀은 기존 배터리에 사용되는 탄소의 양을 요구하지 않고도 전도성을 향상시킵니다.

그래핀 배터리의 장점

그래핀은 다양한 방법으로 에너지 밀도 및 형태와 같은 배터리 특성을 향상시킬 수 있습니다. 리튬 이온 배터리 양극에 그래핀을 도입하고 그래핀의 전도성과 넓은 표면적 특성을 활용하여 배터리의 최적화와 성능 향상을 달성할 수 있습니다.

그래핀 하이브리드 재료를 만들어 배터리 성능을 향상할 수 있다는 사실도 발견되었습니다. 예를 들어 산화바나듐(VO2)과 그래핀의 하이브리드 물질은 리튬 이온 배터리 음극에 사용할 수 있으며 빠른 충전 및 방전은 물론 긴 충전 주기 내구성도 제공합니다. VO2의 경우 높은 에너지 용량을 제공하지만 전기 전도도가 낮기 때문에 그래핀을 통해 성능을 보조하는 것입니다. 이를 통해 향상된 용량과 우수한 전도성을 모두 갖춘 하이브리드 재료를 만들 수 있습니다.

또 다른 예로는 충전식 리튬이온 배터리의 일종인 LFP(리튬철인산염) 배터리가 있습니다. 다른 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도는 낮지만 전력 밀도(배터리가 에너지를 공급할 수 있는 속도를 나타내는 지표)는 더 높습니다. 그래핀으로 LFP 음극을 강화하면 배터리가 가벼워지고 리튬 이온 배터리보다 훨씬 빠르게 충전되며 기존 LFP 배터리보다 더 큰 용량을 가질 수 있습니다.

 

 

 

 

배터리 기본 사항

배터리는 이동식 전원 역할을 하여 전기로 작동되는 장치를 콘센트에 직접 연결하지 않고도 작동할 수 있도록 해줍니다. 다양한 유형의 배터리가 존재하지만 배터리가 작동하는 기본 개념은 유사합니다. 하나 이상의 전기화학 셀이 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 배터리는 일반적으로 금속 또는 플라스틱 케이스로 구성되며 양극 단자(양극), 음극 단자(음극) 및 이온이 이들 사이를 이동할 수 있는 전해질을 포함합니다. 분리막(투과성 고분자 막)은 양극과 음극 사이에 장벽을 만듭니다. 마지막으로 연결된 장치를 통해 배터리 외부에서 충전을 수행하는 데 컬렉터가 사용됩니다.

배터리 기본사항

두 단자 사이의 회로가 완성되면 배터리는 일련의 반응을 통해 전기를 생산합니다. 양극은 전해질의 두 개 이상의 이온이 양극과 결합하여 화합물을 생성하고 전자를 방출하는 산화 반응을 일으킵니다. 동시에, 음극은 음극 물질, 이온 및 자유 전자가 화합물로 결합되는 환원 반응을 거치게 됩니다. 간단히 말해서, 양극 반응에서는 전자가 생성되고 음극에서는 전자가 흡수되어 전기를 생산하는 것입니다. 배터리는 전극에서 반응 생성에 필요한 물질이 모두 소모될 때까지 계속해서 전기를 생산할 수 있습니다..

 

배터리 유형 및 특성

배터리는 1차전지와 2차전지로 구분합니다. 일회용 배터리(1차전지)는 한 번 사용하면 전극 재료가 비가역적으로 변하기 때문에 쓸모가 없게 됩니다. 아연-탄소 배터리와 장난감, 손전등 등 휴대용 장치에 사용되는 알카라인 배터리를 예로 들 수 있습니다. 충전식 배터리(2차전지)는 전극의 본래 구성으로 인해 여러 번 방전과 재충전이 가능하며 기능성을 회복할 수 있습니다. 예로는 차량 및 리튬 배터리에 사용되는 납산 배터리가 있습니다.

배터리는 다양한 목적에 따라 다양한 형태와 크기로 만들 수 있습니다. 니켈-카드뮴(NiCd) 배터리는 에너지 밀도가 상대적으로 낮으며 긴 수명, 높은 방전율 및 가격경쟁력이 중요한 곳에 사용됩니다. 비디오 카메라, 전동 공구 등에 활용됩니다. 니켈-카드뮴(NiCd) 배터리에는 독성 금속이 포함되어 있어 환경 친화적이지 않습니다.

니켈-금속 수소화물 배터리는 니켈-카드뮴(NiCd) 배터리보다 에너지 밀도가 높지만 수명은 더 짧습니다. 휴대폰과 노트북 배터리 등에 사용됩니다. 납산 배터리는 무겁고 무게가 중요하지 않지만 경제적인 가격이 중요한 대규모 전력 응용 분야에 활용합니다. 병원 장비 및 비상 조명 등의 용도로 활용됩니다.

리튬이온(Li-ion) 배터리는 고에너지와 최소 무게가 중요한 곳에 사용되지만 안전성을 확보하기 위한 보호회로가 필요합니다. 휴대폰, 노트북에 활용됩니다.

리튬 이온 폴리머(Li-ion 폴리머) 배터리는 주로 휴대폰에 사용됩니다. 리튬이온 배터리보다 가볍고 슬림한 형태로 만들 수 있고 안전하고 수명이 오래갑니다. 그러나 리튬 이온 배터리의 제조 비용이 훨씬 저렴하고 에너지 밀도가 높기 때문에 리튬 이온 폴리머 배터리의 보급률이 낮습니다.

 

배터리 및 슈퍼커패시터

많은 양의 에너지를 저장할 수 있는 유형의 배터리가 있지만, 이 배터리는 매우 크고 무거우며 에너지를 천천히 방출합니다. 반면에 커패시터는 빠른 충전과 방전을 할 수 있지만 배터리보다 훨씬 적은 에너지를 보유합니다. 이러한 분야에서 그래핀을 사용하면 높은 충전 및 방전 속도와 경제성을 확보할 수 있고, 다양한 가능성을 제시할 수 있습니다. 그래핀의 사용으로 배터리의 성능이 향상된다면 슈퍼커패시터와 배터리 사이의 구분을 모호하게 만듭니다.

슈퍼커패시터와 배터리의 장점을 모두 가지고 있음

 

그래핀 강화 배터리

그래핀 기반 배터리는 흥미로운 잠재력을 갖고 있으며 완전히 상용화되지는 않았지만 R&D가 집중적으로 이루어지고 있어 향후 결과를 얻을 것으로 기대됩니다. 삼성, 화웨이 등은 다양한 유형의 그래핀 강화 배터리를 개발하고 있으며, 그 중 일부는 현재 시장에 진입해 있습니다. 전기 자동차와 모바일 기기에 사용될 예정입니다.

일부 배터리는 화학적 반응을 위한 음극소재가 아닌 배터리를 보호하는 방열판에 사용하기도 하였습니다. 2016년 화웨이는 그래핀을 사용하여 더 높은 온도(기존 50° 제한이 아닌 60°)에서도 작동을 유지하고 작동 시간을 두 배로 늘리는 새로운 그래핀 강화 리튬 이온 배터리를 공개했습니다. 이 배터리에는 방열을 위해 그래핀이 사용되었고, 배터리 작동 온도를 5도 낮추는 것으로 배터리 성능을 강화하였습니다.

 

 

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