인조흑연

천연흑연과 인조흑연

인조흑연(artificial graphite , 人造黑鉛)은 석유, 코크스 등을 필러로 하고 콜타르 등을 바인더로 하여 2,500~3,000℃로 가열하여 인공적으로 만든 흑연으로 천연 비늘 모양의 흑연에 가깝다. 흑연화 온도나 원료에 따라 약간의 차이는 있지만 천연물에 비하면 결정자는 수100Å 정도로 다소 작고 규칙성도 적다. 수 µ의 단위입자의 집합으로 된 다공질체이며 통기율(通氣率)이 크다.

개요

인조흑연은 핏치 코크스, 석유 코크스를 원료로 피치와 타르 등의 점결제를 가해 고온에서 흑연화 시킨 합성물을 말한다. 즉, 코크스 등의 충전제와 콜타르 등의 결합제를 혼합하고 성형, 소성, 흑연화 시킨 블록형태의 제품이 오래 전부터 인조 흑연재료로 알려져 왔으나, 최근에는 New Carbon이라고 불린다. 제품으로 유리상탄소, 탄소섬유, 탄소복합재료 등도 이 범주에 속하며, 형태도 블록상 이외에 판상, 필름상, 다포상, 분말상 등 다양해지고 있다. 인조흑연 재료의 구체적인 제품으로는 경량성, 내열성, 전기 및 열전도성, 화학적 안정성, 고강도 등이 매우 우수하여, 전기제강용 인조흑연 전극과 알루미늄 제련용과 기타 전해로용 전극, 방전 가공용 전극, 실리콘 반도체 및 광섬유 등의 제조용 고순도 도가니, 리튬 이온 2차전지 음극재용 흑연분말 등 매우 다양하게 응용되고 있다.

배터리 사용

인조흑연은 리튬이온의 이동 경로가 많아, 효율이 높아 급속충전에 유리하다는 장점이 있다. 인조흑연은 2,500 ℃ 이상의 고열을 가해서 흑연의 결정 구조를 만들기 때문에 천연흑연보다 안정적인 결정구조를 가지므로 리튬이온의 반복적인 충방전에도 결정구조의 변화가 작아 상대적으로 수명이 길다. 일반적으로 인조흑연계 음극재는 천연흑연보다 2~3배 정도 수명이 길다 하지만 생산과정에서 고열을 이용하기 때문에 비용이 높다는 문제점이 있다.

지금까지 높은 성능을 내는 인조흑연을 생산하기 위해 많은 시도가 이뤄졌다. MCMB(Mesocarbon microbeads), 피치, unburned carbon from fly ash, 무연탄, 코크스 단계에서 충방전 하는 방법 등 이 중 MCMB는 높은 가역용량과 우수한 사이클 성능 고출력 성능까지 갖고 있어서 산업계에서 사용되기도 했지만 복잡하고 값비싼 제작 공정 때문에 대규모로 생산하기 힘들어 가격 경쟁력이 낮다는 단점이 있었다. 그래서 증가하는 배터리 수요를 감당하기 위해서는 값싸고 풍부한 물질이 필요했다. 현재는 분체형 인조흑연이 주로 사용되고 있다.

관련업체

인조흑연 음극재를 생산하는 업체는 중국 업체로는 샨샨(上海杉杉)과 일본 업체로는 히타치, JFE, 미쓰비시, 쇼와덴코 등이 있으며 국내 업체는 포스코케미칼이 세계 6번째로 관련 제품을 생산하는 지위를 얻게 된다.

• 포스코케미칼 : 국내 인조흑연 음극재 생산업체이다. 포스코케미칼은 2020년 7월 인조흑연 음극재 생산공장 착공식을 가졌다. 2023년 완공을 목표로 연산 1만6000톤(t)규모의 인조흑연 생산 공장을 조성하는 것이다. 이는 60kw급 전기차 기준 약 42만대의 전기차 배터리에 공급할 수 있는 양이다. 인조흑연의 원료는 콜타르를 가공해 만드는 침상코크스다. 콜타르는 포스코케미칼의 자회사인 피엠씨텍(PMCTECH)에서 가공돼 침상코크스로 변신한다. 이후 침상코크스가 분쇄-조립-흑연화 공정을 거치게 되면 인조흑연이 된다. 쉽게 말하면 침상코크스를 적정한 사이즈로 갈아내 원하는 상태로 뭉쳐낸다. 이후 생성된 기본 형상을 섭씨 3000도 이상 고온에서 가열하면 전기차 배터리 음극재에 사용되는 인조흑연이 되는 것이다.

참고자료

• 〈인조흑연〉, 《네이버 지식백과》
• 〈인조흑연〉, 《네이버 지식백과》
• 김동규 기자, 〈포스코그룹이 집중하는 '인조흑연 음극재'…장점은〉, 《뉴스1》, 2020-07-11
• 구태우 기자, 〈포스코케미칼, 세계 6번째 인조흑연 제조사 될까〉, 《더벨》, 2020-07-06

같이 보기

• 흑연
• 천연흑연
• 그래핀

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