▣ 개념

그래핀은 이차원 허니컴(honeycomb) 격자로 배치된 탄소 원자 시트이며, 그 독자적인 특성으로 인해 ‘경이로운 소재’로 알려져 있다. 훌륭한 열 및 전기 도체이며, 유연성이 매우 좋고 가볍고, 거의 투명하며, 같은 두께의 철보다 강도가 100배가 높다.

또한 그래핀은 친환경적이며 지속 가능하기 때문에 폭넓은 용도에서 무한한 가능성을 갖추고 있다. 가장 유망한 용도 중 하나는 차세대 전지이다.

그래핀은 금속공기 전지, 레독스플로우 전지, 리튬메탈 전지, 리튬유황 전지, 또한 중요한 것으로서 리튬이온 전지 등 다양한 종류의 전지와 통합할 수 있다. 그래핀을 화학적으로 처리하면 양극과 음극 모두에 적합한 다양한 형태로 만들 수 있다.

<그림1> 그래핀 전지

자료 : 한화케미칼

그래핀 전지 기술은 리튬이온 전지와 유사하다. 2개의 고체 전극과 전해질 용액을 가지고 있어, 이온이 흐르게 된다. 하지만 일부 그래핀 전지는 고체 전해질을 가지고 있다.

가장 큰 차이점은 한쪽 또는 양쪽 전극의 구성 요소이다. 기존 전지에서는 캐소드(양극)가 모두 고체 재료로 만들어져 있다. 하지만 그래핀 전지에서는 양극이 그래핀과 고체 금속 재료로 이루어진 하이브리드 컨포넌트로 구성되어 있다.

전극에 사용되는 그래핀의 양은 고체 재료의 효율과 성능 요건에 따라 다르다. 또한 애노드로서의 그래핀은 용량이 크고 속도 능력이 뛰어나다.

▣ 그래핀 전지의 新기능

그래핀은 현재의 기술로는 불가능한 뛰어난 기능을 가진 신세대 에너지저장장치를 확립할 가능성이 있다.

① AC 라인 필터링을 갖춘 슈퍼 캐퍼시터

수직 배향 그래핀 시트를 바탕으로 하는 전기 이중층 캐퍼시터는 매우 빠르게(1밀리초 미만) 충/방전할 수 있다. AC 라인 필터링을 위해 산화 그래핀, 그래핀 CNT(카본 나노 튜브) 카페트 및 그래핀 양자 도트를 포함하는 수십 개의 재료가 시험되고 있다.

이러한 초고속 슈퍼 캐퍼시터는 현재 전자기기에서 사용되는 대형 전해 콘덴서를 대체하여, 전자기기를 더욱 경량 및 소형화할 수 있다.

② 유연한 에너지저장장치

기존의 배터리와 슈퍼 캐퍼시터에는 강성(剛性)이 있다. 그러므로 구부리게 되면 전해액이 누출되거나 전지가 손상을 입을 수 있다. 하지만 그래핀은 원자 1개 두께의 이차원 시트 구조를 가지기 때문에 손상을 입지 않고 수직 방향으로 구부릴 수 있다.

이러한 고유의 기계적 유연성에 더하여 경이로운 전기적 특성과 표면적 크기로 인해, 그래핀은 유연한 전지의 유망한 재료가 되었다.

③ 신축 가능한 전지와 슈퍼 캐퍼시터

신축 가능한 에너지저장장치는 마이크로 허니컴 그래핀 CNT(카본 나노 튜브)/활성 물질 복합 전극과 물리적으로 연결된 젤 전해질의 구조적 신축성을 이용하여 만들 수 있다.

<그림2> 신축성 기판 위의 그래핀 CNT/활성 물질막

서로 얽힌 카본 나노 튜브와 그래핀 시트를 사이에 두고 상호 연결된 활성 물질은 기계적으로 안정된 다공질 네트워크 프레임워크를 제공하며, 허니컴 구조의 안쪽에 튀어나온 프레임워크는 변형 중에 구조적으로 늘어날 수 있게 한다.

④ 급속 충전 리튬이온 전지

그래핀은 전극 내의 이온과 전자의 이동 속도를 높이기 때문에, 그래핀을 탑재한 리튬이온 전지는 훨씬 짧은 시간 안에 충/방전할 수 있다.

예를 들어, 유연한 그래핀 폼에 나노 스케일의 LiFePO4 캐소드와 Li4Ti5O12 애노드 재료를 탑재한 리튬이온전지는 불과 18초 만에 완전히 충전할 수 있다. 순수한 그래핀을 애노드로 사용하여 용량 및 충/방전 속도를 높일 수도 있다.

⑤ 웨어러블 디바이스용 전지

최근에 동축전극과 Core sheath 전극이 발전함에 따라, 전극 재료와 집전체를 하나의 실로 조합할 수 있게 되었다. 이 실은 천에 직접 짜 넣거나 엮을 수 있다.

그래핀은 효과적으로 다기능 마이크로 화이버에 조합하거나 천에 짜 넣을 수 있다. 그래핀 코어 시스 마이크로 화이버는 기존의 제직(製織) 방법을 이용하여 천과 조합할 수 있는 유연하고 신축성이 있는 높은 면적 대비 용량을 갖춘 슈퍼 캐퍼시터의 실증에서 이미 사용되고 있다.

⑥ 경량 디바이스용 초박형 집전 장치

기존의 배터리는 전극과 외부 회로 간의 전자의 흐름을 촉진하기 위해 두께가 20~80µm인 금속박 집전 장치(구리, 알루미늄, 니켈 등)를 사용한다. 이러한 금속은 전하를 축적하지 않기 때문에, 배터리의 전체적인 에너지 밀도를 낮춘다. 더욱이 부식되어 셀의 내부 저항과 수명에 악영향을 미친다.

한편, 그래핀은 더욱 뛰어난 대체 집전 장치이다. 전도성이 높고 밀도가 낮으며 가혹한 동작 조건 아래에서도 안정적으로 작동한다. 그래핀은 표면에 파문이나 주름이 있는 막으로 쉽게 변환되기 때문에 활성 물질과의 전기적 접촉이 향상하여 셀 저항이 더욱 감소된다.

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