연필심에서 배터리까지, 다재다능한 광물 흑연!

흑연은 검을 흑(黑), 납 연(鉛)으로 순수한 탄소로만 이루어진 검은색의 무른 광물이며, 다른 말로는 석묵이라고 합니다. 우리 주변에서 흑연을 쉽게 찾아볼 수 있는데요, 그것은 바로 연필과 샤프심입니다.

흑연은 다이아몬드와 똑같이 탄소로만 이루어져 있어요. 그런데 다이아몬드의 구조와 달리 판 모형의 구조를 가지고 있으며, 이러한 구조가 겹겹이 쌓여 층상을 이루고 있습니다. 이때 특유의 판 모양 층상구조가 2차 전지 핵심인 리튬이온배터리의 음극재 역할을 하게 되는 것입니다.

리튬이온배터리는 충전 시에는 양극에 있던 리튬 이온이 음극으로 이동하고, 방전 시에는 음극에 있던 리튬 이온이 양극으로 이동하게 됩니다.

즉, 양극재에서 나온 리튬 이온을 음극재가 저장한 후 재방출하여 전기에너지를 발생시키는 원리라고 할 수 있습니다.

이때 흑연이 리튬 이온을 층 사이사이에 안정적으로 저장할 수 있어서 음극재 원료로 적합하여 흑연을 사용하게 되었습니다.

천연 흑연의 경우, 리튬 이온이 들어가면 미세하기 부피가 늘어나고 배터리의 충방전이 반복되면 흑연 구조가 조금씩 바뀌며 리튬 이온 저장능력도 떨어지게 됩니다.

그런데 인조 흑연은 내부 구조가 비교적 균일하고 안정적이어서 배터리 수명이 길고, 급속충전이 가능하다는 장점이 있어 천연 흑연의 단점을 보완하기 위해 음극재에 인조 흑연을 사용하고 있습니다.

음극재의 대표 원재료인 '흑연'의 발전과 활용을 기대하겠습니다!