배터리/음극재/흑연

 이차 전지 활물질은 결합재나 용매와 혼합하여 집진체의 알루미늄 박(양극)또는 동박(음극)에 도포하고 건조한 후, 압착 과정을 통해 밀도를 높임으로써 전극이 됩니다. 여기에서는 음극 활물질(충전 시 리튬 이온을 받아 방전 시에 전자를 방출하는 재료)중 하나인 흑연 재료의 제조 공정을 소개합니다. 흑연 재료에는 크게 천연 흑연과 인공적으로 합성된 인조 흑연이 있습니다.

천연 흑연은 인조 흑연과 비교해서 저렴한 가격으로 흑연화도가 높고 리튬 이온을 많이 흡장 할 수 있어 전지의 대용량화에 유리하지만, 입자 모양이 인편상(鱗片状, 비늘형태)인 것이 많고 밀도가 낮기 때문에 전극 밀도가 낮아 전지 용량을 키우는 것은 어렵습니다. 또 집전체 상에서 평면상에 배열하기 쉽기 때문에, 전해질과 습윤성이 나쁩니다. 하지만 천연 흑연의 이러한 문제를 해결하면 인조 흑연을 사용보다 원료 비용을 대폭 줄인 리튬 이온 이차 전지의 대용량화 가능성이 높아지므로, 자동차 용도의 기대가 큽니다. 천연 흑연의 문제 해결에는 전극 밀도 향상 대책으로서 입자의 구형화(압밀화), 습윤성 개선 방안으로서 표면 개선이 이용됩니다.

한편 인조 흑연은 제조 에너지가 매우 크기 때문에 고가입니다. 또, 흑연화도는 천연 흑연보다 떨어집니다. 그러나 인조 흑연은 조성(흑연화도가 다른 영역을 입자 내부에 분산 등) 또는 형상 제어가 가능하다는 큰 이점을 갖고 있으며 흑연화도가 지나치게 높지 않기 때문에 전해액의 분해 억제도 쉽습니다. 이러한 특성을 가진 인조흑연을 사용함으로써 전극 밀도를 크게 할 수 있기 때문에 대용량 배터리에 쓰이고 있습니다. 인조 흑연의 경우, 흑연화의 전(前) 공정과 흑연화 이후의 처리에 고도의 분체 기술이 필요합니다. 또 활물질의 고성능화에는 입자 표면의 결정 상태를 제어하는 공정이 불가결합니다.

흑연은 물의 습윤성이 매우 좋지 않아 유기 용제를 이용하여 채집체에 도공한 슬러리를 제작할 수밖에 없습니다. 수계의 용매로 대체하는 방법도 있지만 혼합이 힘들고 일반적으로는 원자 입자 자체를 물에 젖기 쉽게 하는 방법을 사용합니다.