음극소재(cathode material)는 배터리 수명에 중요한 역할을 하는 소재이다. 현재 음극소재로 많이 사용하고 있는 것은 흑연(graphite)이다. 흑연의 뒤를 이을 소재로 손꼽히는 것이 바로 실리콘(Si)이다. 실리콘은 흑연에 비해 에너지 밀도가 약 10배나 높고 충방전 속도도 빠르다.
흑연은 아주 규칙적인 구조로 되어 있고 탄소(Carbon)가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 구조로, 충전 시, 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 흑연 층 사이사이로 들어가면서 리튬이온이 들어간 흑연은 조금 팽창한다.
리튬이온 배터리는 충전과 방전을 반복하면서 지속적으로 사용할 수 있지만 오래 사용하다 보면 처음 구입했을 때 보다 사용 시간이 점점 줄어들게 된다. 리튬이온이 들어가는 음극이 시간이 지날수록 열화가 되어 구조가 무너지기 때문이다. 아무리 튼튼한 제품이라도 오래 사용하다 보면 낡고, 고장이 나듯 배터리도 수명이 조금씩 줄어들게 된다. 음극의 부피 변화는 자연스러운 현상으로 안전성에 문제가 있는 건 아니며 그 만큼 사용시간이 줄어들게 되는 것이다.
음극의 부피 변화는 용량에도 영향을 미치는데 제품을 설계할 때에는 배터리 내부에서 발생할 구조적인 변화를 어느 정도 반영하여 설계한다. 팽창을 많이 하는 소재를 사용하게 되면, 부피 변화를 미리 예상해 공간을 많이 만들지 못하기 때문에 상대적으로 용량이 줄어들게 된다. 반면, 부피가 덜 팽창하는 소재를 사용하면 많은 공간을 만들 수 있어 높은 용량을 가질 수 있게 된다.[1]
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