음극재의 스웰링현상은 왜 발생하나요?

Question

음극재에 많이 쓰이는 천연흑연은 부풀어오르는 스웰링현상이 많이 발생한다고 하던데요

그렇다면 왜 음극재의 천연흑연을 재료로 사용할경우 스웰링현상이 발생확률이 높은이유가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 김석진 과학전문가입니다.

음극재의 천연흑연은 고체로 사용되지만, 스웰링 현상이 발생하는 이유는 내부 구조와 화학적 특성 때문입니다. 천연흑연은 탄소 원자로 이루어진 계층 구조로 되어있으며, 각 계층 사이에 분자들이 들어갈 수 있는 공간이 있습니다.

천연흑연을 음극재로 사용할 때, 리튬 이온 배터리와 같은 화학 반응을 통해 이온들이 흑연 구조 내로 들어가며 천연흑연은 이온을 흡수합니다. 이러한 과정에서 천연흑연의 계층 구조가 부풀어 오르면서 스웰링 현상이 발생합니다. 이렇게 스웰링 현상이 발생하면 음극재의 구조가 변형되어 성능 저하 및 안정성 문제를 초래할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.

천연흑연은 층상구조를 가지고 있습니다. 층상구조는 흑연의 단위 원자가 평행하게 배열된 구조로, 층과 층 사이의 결합이 매우 약합니다. 리튬 이온이 음극재에 도달하면, 층과 층 사이에 침투하여 흑연의 구조를 변형시킵니다. 이때 층과 층 사이의 결합이 끊어지고, 흑연이 부풀어오르는 스웰링 현상이 발생합니다.

Answer 3

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.

음극재에 사용되는 천연흑연은 일반적으로 고온에서 반응을 일으키면서 부풀어오르는 스웰링 현상이 발생할 수 있습니다. 이는 천연흑연의 구조와 특성에 기인한 것입니다.

천연흑연은 형태적으로 시트 구조를 가지고 있습니다. 이 시트 구조는 그래핀이라는 2차원 구조로 이루어져 있으며, 산소나 기타 화학물질과의 상호작용에 의해 시트 사이에 간극이 형성될 수 있습니다.

음극재로 사용되는 천연흑연은 이러한 구조적 특성 때문에 고온에서 화학적 반응이 일어나면서 천연흑연 내부의 기체가 확장되고 부풀어오르는 현상이 발생합니다. 이러한 스웰링 현상은 음극재의 물리적 특성과 전기화학적 활성을 개선시키는 데 도움을 줄 수 있습니다.

Answer 4

안녕하세요. 이충흔 과학전문가입니다.

스웰링 현상은 리튬 이온 배터리 셀 전극의 발열이나 발화로 인 해 가스가 생성되거나, 또는 과전압에 의한 전해액의 분해로 인하여 가스가 생성되는 경우 등과 같이 주로 셀 내부의 가스 생성으로 인해 발생할 수 있습니다.

Answer 5

안녕하세요. 류경범 과학전문가입니다.

음극재의 스웰링 현상은 배터리 충전 과정에서 발생합니다.

충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하게 되는데, 이 과정에서 음극재의 소재인 흑연 층 사이로 들어가면서 흑연이 팽창해 부피가 늘어나게 되고 이러한 흑연의 팽창은 시간이 지날수록 구조 변화를 일으켜 배터리의 용량이 줄어드는 원인이 됩니다.

실리콘 음극재를 사용하는 경우에도 비슷한 현상이 발생합니다. 실리콘 음극재는 충전 시간을 단축시키고 하이니켈을 더 잘 견딜 수 있지만, 스웰링 현상은 동일하게 발생하게 됩니다.