천연흑연

천연흑연과 인조흑연

천연흑연(natural graphite)은 천연적으로 산출되는 흑연이다. 통상 분말이며 강압(强壓)으로 성형시키면 비중이 2를 넘는 것을 간단히 만들 수 있는 이점은 있으나 원자로용으로 고려할 때 두드러진 이방성이 있으며 층간(層間)화합물로 되기 쉽고 특히 방사선 손상과 기계적 성질이 약하다는 결점이 있다.

자연에서 산출되는 흑연은 토상흑연과 인상흑연으로 대별된다. 인상흑연은 다시 성인(成因)과 결정형에 의해 조연계 흑연과 석연계흑연으로 나누어지는데, 이 둘을 합쳐 그냥 인상흑연이라고 하는 경우가 많다. 천연흑연은 산지에 따라, 외관, 순도, 가격 등 여러 종류가 있는데, 그에 맞추어서 도가니, 연필심, 아교상흑연, 전극, 전기브러시, 탄소벽돌, 마그네시아카본벽돌, 알루미나카본벽돌 등의 원료로 사용된다.

배터리 사용

천연흑연은 자연에 존재하는 흑연을 채굴해서 정제 과정을 거친 후 배터리에 알맞게 공정을 가한 후 인조흑연 음극재로 생산된다. 자연에 흑연 상태로 존재하는 것을 가져와 사용하기 때문에 인조흑연과는 특성이 다소 다르다.

천연흑연은 땅 속에서 탄소 성분이 오랜 시간동안 고온·고압 상태로 층층이 쌓인 판상형 형태를 보인다. 판상형 사이의 틈으로 리튬이온이 이동하면서 전류가 흐르게 되는 것인데, 천연흑연은 전류의 이동경로가 양 옆 2곳밖에 없어 충전과 방전 효율이 떨어진다. 또 배터리를 계속 사용하게 되면 층이 벌어져 부풀게 되는 스웰링 현상도 자주 발생하게 된다.

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 반응에의해 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 충방전 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.

동영상

1995년부터 2020년까지 세계 최대 천연흑연 생산국

참고자료

• 〈천연흑연〉, 《네이버 지식백과》
• 〈천연 흑연〉, 《네이버 지식백과》

같이 보기

• 흑연
• 인조흑연
• 그래핀

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