10. 인조 흑연 음극

 카본에는 소프트 카본과 하드 카본이 있는데, 이 중 소프트 카본을 열처리하여 흑연을 만든다. 2000℃ 이상의 고온에서 흑연화 열처리하면 층상구조의 흑연이 만들어진다. 흑연의 각 층에는 카본 원자가 육각형 구조를 이루고 있다. 이것을 honey-comb 구조라고 한다. 6개의 카본 원자가 육각형 모양을 만드는데, 충전을 하면 육각형의 가운데에 리튬 원자가 들어간다. 흑연화 열처리 온도가 높을수록 결정이 발달하여 용량이 높아진다.

 수소 전기차의 수소 탱크를 만들 때 사용하는 것이 카본 섬유 복합재료이다. 카본 섬유는 일본 의존도가 높은 대표적인 소재인다. 카본 섬유는 양파 껍질 모양의 결정 구조를 가지고 있는데, 전지에는 리튬 원자가 출입해야 하므로 양파 껍질 구조의 흑연이 아닌 방사선 구조의 흑연을 사용해야 한다. 이런 흑연의 결정 구조는 카본의 원료인 선구체(precursor)에 따라 달라진다. 방사선 구조의 흑연 음극을 만들기 위해서는 Mesophase Carbon(MC)을 선구체로 하는 카본을 사용해야 한다.

니켈 수소 전지 사업에서 투자 회수를 마친 Sanyo는 다양한 전지 사업을 위하여 1994년 리튬 이온 전지 시장에 진출한다. Sanyo는 휴대용 전자기기 시장에서 니켈 수소 전지와 용량 측면에서 경쟁이 가능하도록 음극을 하드 카본의 2배 용량을 가진 흑연으로 교체하였다. 흑연은 전해액 용매인 PC(propylene carbonate) 분자 일부와 반응하여 초기 용량이 급감하는 co-intercalation 현상이 문제였다. Sanyo는 PC보다 분자 크기가 작은 EC(ethylene carbonate)로 전해액 용매를 교체한다. 이 EC는 상온에서 고체상태인데, 이를 상온에서 액체로 만들기 위하여 DMC, DEC 등의 유기 용매를 섞어 융점과 점도를 조절했다.

 흑연 음극의 도입으로 리튬 이온 전지는 니켈 수소 전지와 용량 경쟁이 가능하게 되었다. 흑연 음극의 분말 모양은 성능에 큰 영향을 미친다. Panasonic은 MCMB(Mesophase Carbon Micro-Bead)라는 공 모양의 흑연 분말을 만들었고, 도시바 전지는 MCF(Mesophase Carbon Fiber)라는 바늘 모양의 흑연 분말을 만들었다. MCMB와 MCF에서 MC는 카본의 원료를 말하고, MB와 F는 모양을 지칭한다.

 일본은 1997년 흑연 음극 기술을 완성한다. 국내에서 흑연 음극을 제조하는 회사는 POSCO 케미칼이 유일하다. 그러나 POSCO 케미칼은 천연 흑연만 만든다. 일본에서 인조 흑연 음극이 개발된 지 20년이 지났지만 아직 국내에서는 인조 흑연을 만들지 못하는 것이다. 이는 국내 소재 기술의 한계를 보여주는 대표적인 예이다. 2019년 8월 일본이 한국을 백색국가 리스트에서 제외한 이후 소재 국산화에 대한 목소리가 높아지고 있다. 소재 국산화는 모방 연구이다. 돈과 시간만 있으면 모방 연구로 소재를 만드는 것은 가능하다. 이 때 장애물은 '특허'이다. 대부분의 소재는 특허로 보호되어 있기 때문에, 특허을 가진 업체로부터 소재를 구매하는 것이다. 

 모방 연구, 국산화 연구를 한다고 해서 연구를 다했다고 생각해서는 안 된다. 연구 개발에 투자해야 하는 이유는 세계 최초의 소재를 개발하는 것에 그 목적이 있다. 우리는 전지에서 세계 최초의 개발품이 없다. 모방 연구를 연구인 것으로 착각한 것이다. 일본에 대한 소재 의존도를 줄이려면 먼저 연구 혁신이 일어나야 한다. 과감한 투자는 그다음 단계이다. 나라별 소재 기술 수준은 노벨상 수로 비교할 수 있다.

[엔지닉의 요약정리!]