천연흑연과 인조흑연은 어떻게 다르며 인조흑연은 어떠한 공정으로 만드는것인가요?

Question

흑연을 보면 일반적인 천연흑연이 있으며 인조흑연이 있다고 들었습니다.

우선 인조흑연은 어떠한 원리로 만드는것인지 그리고 인조흑연과 천연흑연은 어떻게 결정구조가 다르며 이 둘의 특징과 쓰임새는 어떻게 다른건가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 과학전문가입니다.

천연흑연은 자연에 흑연 상태로 존재하는 광물을 통해 얻습니다. 탄소 성분이 오랜 시간 동안 고온·고압 상태로 층층이 쌓인 판상형 형태를 이루고 있죠. 천연흑연은 인조흑연에 비해 흑연화도가 높고 저가이며, 높은 리튬 이온 저장용량을 나타냅니다. 하지만 입자 형상이 침상 혹은 판상구조를 보이고 불규칙한 구조로 인해 표면적이 크고 edge 면의 노출이 많아서 전지에 적용 시 전해질의 침투나 분해반응에 의해 edge 면이 박리나 파괴되어 비가역 반응이 크게 일어난다는 특징이 있습니다. 그래서 높은 용량을 보이는 특성에 반해 고충전출력 특성은 인조흑연에 비해 떨어집니다.​

충방전은 판상형 사이의 틈으로 리튬 이온이 이동하면서 전류가 흐르게 되는 것인데, 천연흑연은 전류의 이동경로가 양옆 2곳밖에 없어 충전과 방전 효율이 떨어집니다. 또 배터리를 계속 사용하게 되면 층이 벌어져 부풀게 되는 스웰링 현상도 자주 발생하게 됩니다.

인조흑연은 리튬 이온의 이동 경로가 많아, 효율이 높아 급속충전에 유리하다는 장점이 있습니다. 또 천연흑연보다는 안정적인 구조를 지녀 스웰링 현상이 상대적으로 적게 일어나기 때문에 배터리로 사용될 때 수명이 길다는 특징이 있습니다.

​인조흑연의 원료는 석유계 타르로 만들어진 코크스, 석탄계 타르로 만들어진 코크스가 있습니다. 그 두 코크스의 특성이 약간 다른데, 그중 바늘 형태를 띠는 침상코크스가 주된 원료로 사용됩니다. 코크스는 사이즈가 크기 때문에 적당한 크기와 모양으로 가공하는 공정(분쇄-조립)과 열처리(흑연화) 공정을 거치면 인조흑연이 됩니다.

하지만 용량 유지율 면에서는 인조흑연이 천연흑연에 비해 우수한 편이고 빠르게 충전할 수 있다는 특징이 있습니다.

​인조흑연은 2,500 ℃ 이상의 고열을 가해서 흑연의 결정 구조를 만들기 때문에 천연흑연보다 안정적인 결정구조를 가집니다. 그래서 리튬 이온의 반복적인 충방전에도 결정구조의 변화가 작아서 상대적으로 수명이 깁니다. 일반적으로 인조흑연계 음극활물질은 천연흑연보다 2~3배 정도 수명이 길기 때문에 오랜 수명을 필요로 하는 배터리에 사용될 수 있습니다.

​인조흑연은 고온을 이용해 흑연화하는 과정을 거치기 때문에 필수적으로 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있습니다. 고열을 사용하기 때문에 제조비용이 많이 들어가기 때문이죠.

​그렇지만 인조흑연의 빠른 충전속도로 인해 많은 기업들이 천연흑연보다 인조흑연을 선택하고 있습니다. 우리나라에서는 포스코케미칼이 인조흑연을 제조하고 있습니다. 값싸고 좋은 제품을 만들어서 중국에 비해 경쟁력을 가지게되면 좋겠습니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.

인조흑연은 석탄, 석유 코크스, 석회석 등의 원료를 고온으로 가열하여 제조합니다. 이때, 원료에 포함된 탄소 원자들이 서로 결합하여 흑연의 결정구조를 형성하게 됩니다.

인조흑연과 천연흑연의 결정구조는 크게 두 가지 측면에서 차이가 있습니다. 첫째, 인조흑연의 결정 구조는 더 균일합니다. 둘째, 인조흑연의 결정 구조는 더 큰 크기를 갖습니다.

이러한 결정구조의 차이로 인해 인조흑연과 천연흑연은 다음과 같은 특징과 쓰임새의 차이를 보입니다.

천연흑연은 윤활제, 전극, 브러시 등의 용도로 주로 사용됩니다. 인조흑연은 내화물, 전자재료, 항공우주재료 등의 용도로 주로 사용됩니다.

인조흑연은 천연흑연에 비해 강도, 내마모성, 내열성이 우수하기 때문에 내화물, 전자재료, 항공우주재료 등의 용도로 적합합니다. 또한, 인조흑연은 천연흑연에 비해 가격이 저렴하기 때문에 경제적입니다.

Answer 3

안녕하세요. 정철 과학전문가입니다.

인조 흑연은 석유 코크스, 미치코크스를 이용하여 전기 저헝로에서 가열하여 흑연화 하여 제조 합니다.

결정구조는 거의 비슷한것으로 알고 있습니다.

Answer 4

안녕하세요. 박준희 과학전문가입니다.

일반적으로 결정의 발달도는 인조흑연이 천연흑연에 비해 뒤떨어진다고 합니다. 원료는 석유코크스, 피치코크스이며 분말상인 인조 흑연을 그대로 전기저항로에서 3,000˚C 전후로 가열해서 흑연화합니다. 전극, 전기 브러시 등은 위의 원료로 성형, 소성해서, 일단 탄소체로서 이것을 전기로에서 흑연화하죠. 천연 흑연에 비해 순도가 높고, 전기용, 화학용, 기계용 등으로 용도가 광범위하며 특히 초순도인 것은 원자력 공업에 있어서의 흑연 감속재로써 새로이 사용되고 있습니다.

감사합니다.