2.2.2. 천연흑연, 인조흑연
[그림] 음극재 종류 및 특징
(출처 : SNE, KDB산업은행, 키움증권)
음극재 종류와 특징을 보면 천연흑연, 인조흑연, 실리콘계 등으로 크게 구분한다. 전기차용 배터리 생산이 늘어나면서 수명이 상대적으로 짧은 천연흑연과 인조흑연을 섞어서 쓰기 시작하고 용량을 늘리기 위해서 실리콘을 일부 첨가하는 추세이다.
음극재 제조 프로세스를 보면 천연흑연과 인조흑연은 큰 차이가 있다. 천연흑연은 광산에서 채취하면 되지만 인조흑연은 석탄으로 제조한 코크스(Cokes)를 원료로하여 Pitch와 흑연화 촉진제를 혼합하여 생산한다. 가장 큰 차이점은 천연흑연은 탄화(1000℃)만 진행하나 인조흑연은 탄화 공정후 흑연화(3000℃) 공정을 통해 최종 인조흑연으로 완성된다.
그림은 광산에서 채취한 천연흑연을 분쇄해서 입자 형상을 구형으로 만든다. 구형화라는 것은 천연흑연 경우 날카로운 형상인데 배터리 소재로 사용하기에는 리튬하고 반응성이 떨어지기 때문에 둥글둥글 하게 만드는 작업을 구형화라고 한다. 인조흑연 경우는 바늘같이 날카롭게 생긴 원료인 니들 코크를 이용해서 원형 형태로 만드는 방식이다. 그 다음 입자 크기를 분급하여 크기를 일정하게 만든다. 세정을 하고 탄화 이후 밀도를 놀이는 고밀도화를 진행한다. 또한 수명 개선을 위해서 피치 코팅을 하여 음극재 입자 표면을 단단하게 만드는 공정으로 마무리된다. 음극재 모델별로 약간의 차이가 날 수 있지만 기본 공정은 비슷하게 구성되어 있다. 천연흑연과 인조흑연의 차이는 천연흑연은 어떻든 흑연 상태이기 때문에 흑연화 3천도까지 열을 가할 필요가 없고, 인조흑연은 흑연을 만들어야 하므로 3천도까지 열을 가하는 흑연화 공정이 꼭 필요하다.
음극재 제조 공정에서 핵심 공정인 소성, 탄화, 흑연화에 대해서 대표적인 일본 카본 기업인 토까이카본(Tokai Carbon)의 인조흑연 만드는 과정을 보면, 흑연은 기본적으로 전극봉을 만드는 과정에서 활물질을 같이 만드는 이런 형태로 되어 있다. 천도 탄화 과정을 전극봉을 제조시 음극재를 같이 넣어서 음극재를 위에 넣는 방식으로 해서 같이 소성을 한다. 탄화, 흑연화 경우는 7 ~ 10일이상 소요되기 때문에 전극봉을 만드는 에너지를 가지고 음극재를 같이 만드는 방식을 이용하면서 제조하는 방식이다. 다만 이 방식은 음극재 생산량 증설 시 전극봉 생산량에 종속 되기 때문에 전극봉 생산을 늘리지 않는 이상 음극재 생산량을 늘리기 어려운 문제가 있을 수 있다. 흑연화 경우 3천도까지 온도를 상승시킬 때 아치슨로(Acheson process)를 사용하고 전극봉을 흑연화할 때 음극재도 같이 흑연화하는 방식을 취하고 있다. 전극봉을 제조하지 않는 기업은 별도 소성로를 제작하여 천연흑연과 인조흑연을 제조할 수 있다.
다음 공정은 분쇄 분급이다. 분쇄를 하고 나면 입자의 사이즈들이 0.1에서 100까지 전체적으로 퍼져 있게 된다. 원하는 사이즈를 타겟으로 평균 입자 사이즈를 유지하기 위해서 이렇게 분쇄를 하는 것이다.
1차 분쇄후 2차 분쇄를 하면 한쪽으로 50% 정도 모이게 된다. 그리고 분급을 적용하면 100% 원하는 사이즈의 입자 크기를 만들어 낼 수 있다. 이런 방식은 양극재, 음극재 같은 파우더류에는 전부 다 적용되는 제조 방식이다. 충전 방전이 진행될 때 리튬이온이 분리막을 통과해서 음극재 사이 빈공간을 리튬이온이 들어가는 원리를 인터칼레이션 (Intercalation[우2] )이라고 한다. 빈 공간에 리튬입자가 들어가면 전체적으로 팽창하게 된다.
[그림] 인터칼레이션 (Intercalation[우3] )
이런 팽창의 문제는 음극재에서 일반적으로 나타나는 문제점이고 각종 소재를 첨가할 때, 대표적으로 실리콘에서도 이 현상이 나타난다. 이 부분이 음극재의 가장 중요한 문제점이고 해결해야 될 과제이다.
천연흑연은 저렴하고 가성비가 뛰어나다. 사이클하고 에너지 밀도는 인조흑연이 좀 더 유리하다.
[그림] 천연흑연 인조흑연 비교
(출처 : SNE리서치, LG화학, IBK투자증권)
인조흑연의 경우에는 고에너지 밀도화가 가능하지만 충방전시 스웰링 현상이 있어 지속력이 약하다. 그래서 최근 천연흑연과 인조흑연을 혼합된 믹스 제품이 많이 사용되는 추세이다.
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