천연흑연과 인조흑연

휴대기기와 전기차의 공급이 늘면서 배터리의 수요가 급증하고 있다. 이로 인해 전 세계에서 고성능의 에너지 저장장치의 개발이 진행되고 있는데, 그중 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 긴 수명 특성 등의 장점으로 인해 가장 매력적인 소재로 각광받고 있다.
배터리는 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성된다. 그중 음극 성능이 배터리의 용량에 큰 영향을 미치기 때문에 현재까지 많은 종류의 음극이 개발되어 왔다. 흑연, 무정형 탄소, 그래핀, 실리콘, 주석, LTO, 티타늄, 전이 금속 등 많은 소재가 연구되고 있지만, 그중에서 흑연이 가장 매력적인 음극 소재로 여겨지고 있다. 이유는 여러 가지가 있다. 뛰어난 가역 용량, 우수한 전도성, 우수한 전위차 그리고 가장 중요한 가격까지도.

Graphite specimen, 위키피디아

흑연은 크게 두 가지로 나뉜다. 천연 흑연과 인조 흑연이다. 흑연계는 자연에서 생성되어 채굴되는 천연흑연(natural graphtie)과 석탄계 및 석유계 피치 등을 2,500 ℃ 이상으로 열처리하여 제조되는 인조흑연(artificial, synthetic graphite)이 있다.

천연 흑연

천연흑연은 자연에 존재하는 흑연을 채굴해서 정제 과정을 거친 후 배터리에 알맞게 공정을 가한 후, 흑연 음극재로 생산된다. 자연에 흑연 상태로 존재하는 것을 가져와 사용하기 때문에 인조흑연과는 특성이 다소 다르다.
천연흑연은 인조흑연에 비해 흑연화도가 높고 저가이며, 높은 리튬이온 저장용량을 나타낸다. 그러나 불규칙한 구조로 인해 표면적이 크고 edge면이 그대로 노출이 되기 때문에 전지에 적용 시 전해질의 침투나 분해 반응에 의해 edge면이 박리나 파괴되어 비가역 반응이 크게 일어난다. 전해액과의 습윤성이 좋지 않고 낮은 전극밀도를 가지게 된다. 그러나 최근 천연흑연의 구형화 및 피치 코팅 등 표면처리를 통해 천연흑연의 초기 충·방전 효율을 90% 이상으로 향상하면서 가격 경쟁력이 있는 천연흑연의 사용 비중이 증가했다.
하지만 배터리의 수요가 늘어나면서 자연에서 채굴하는 흑연만으로는 수요를 감당할 수 없게 되었다. 천연흑연은 일부의 나라(중국, 멕시코, 체코, 브라질 등)에서만 채취가 가능한 한정된 자원이라는 문제가 있다. 따라서 천연흑연을 대체할 높은 성능을 내는 인조흑연을 개발할 필요가 있다.

인조 흑연

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.