KITECH 생산기술 전문지

흑연은 탄소의 결정질 동소체 중 하나로써, sp2 혼성으로 결합된 탄소 원자가 평행하게 배열되어 있는 그래핀 (graphene)이 평평하게 쌓인 층으로 구성되어 있다. 흑연은 높은 녹는점 (약 3900°C)과 화학적 불활성을 가지고 있어 고온 또는 부식성 물질이 필요한 산업용 응용분야인 금속 가공에서의 내화물, 원자력 발전소의 중성자 감속재 등 다양한 분야에서 활용되고 있다 [1]. 특히, 흑연은 높은 전기전도성을 가지고 있으며 리튬 이온을 층 사이에 삽입할 수 있는 특성을 가지고 있어 리튬이온전지의 음극재로도 활용되고 있다. 최근에는 전기자동차와 대규모 에너지 저장 장치 등 리튬이온전지의 활용영역 및 시장의 지속적으로 성장함에 따라 리튬이온전지용 흑연의 수요도 급격하게 증가하고 있는 상황이다. 리튬이온전지용 흑연은 천연흑연과 인조흑연으로 나뉘며, 천연흑연은 천연 흑연 광산 에서 채굴되어 정제 과정을 거쳐 얻어지고 인조흑연은 석유계 잔류물을 가공하여 생산된다. 일반적으로 천연흑연은 높은 가역용량을 나타내지만 안정성이 낮으며, 인조흑연은 가역용량이 낮지만 안정성이 높은 특성이 있기 때문에 리튬이온전지 제조 시에는 이 둘의 혼합물로 사용되고 있다 [2]. 이러한 흑연은 리튬이온전지 산업에 있어서 핵심적인 광물이지만, 이에 대한 공급은 중국 의존도는 매우 높은 실정이다. 특히, 전 세계 천연 흑연 생산량에서 중국은 약 70~80%를 차지하고 있으며, 리튬이온전지용 천연 흑연 정제의 90% 이상을 중국이 담당하고 있다 [2]. 인조 흑연 생산 역시 중국이 주요 생산지이며 이는 천연 흑연의 정제 및 인조흑연 생산에서의 에너지 비용 및 환경 파괴 등 다양한 측면에서의 영향을 받기 때문이다. 이에, 영국 지질 조사국(British Geological Survey)은 흑연을 공급 부족 위험이 높은 물질로 분류하고 있으며 [3], 미국 지질 조사국 (United States Geological Survey) 또한 흑연을 전략적이고 중요한 광물로 분류하였다 [4]. 최근, 리튬이온전지 제조업체들은 음극 소재에서 천연 흑연 대비 인조 흑연의 비율을 점점 더 높이고 있으며, 2030년에는 전체 음극 소재 중 약 70%가량이 인조 흑연일 것으로 예측된다 [5]. 하지만, 천연 흑연에 비하여 인조 흑연은 석탄/석유계 부산물을 사용하여 3000°C 이상의 고온의 열처리 공정을 통해 생산되므로 1kWh당 7.5-9.9kg의 CO2를 배출하고, 생산 속도가 느리며 비용이 높다는 문제점이 있다. 따라서, 앞으로 지속적으로 성장할 것으로 보이는 리튬이온전지용 인조흑연 시장에서 주도권을 확보하기 위해서는 저렴하고 지속 가능하고 무독성인 원료를 활용하여 고품질의 인조흑연을 생산할 수 있는 혁신적인 기술의 개발이 필요하다.

키워드 인조흑연, 촉매흑연화, 바이오매스, 리튬이온전지