전지 음극용 피치흑연 코팅, 실리콘-탄소 복합재 및 나트륨전지 하드카본 개발용

석유 코크스나 침상 코크스를 분쇄·구형화한 뒤 2800–3000°C에서 흑연화하여 인조흑연을 제조합니다. 규칙적인 결정 구조와 높은 비용량, 긴 수명을 갖지만 PC계 용매 등의 공삽입 위험을 줄이기 위해 비정질 탄소 코팅이 필요합니다.

구동용 전지의 주류인 고상 공정은 흑연과 피치를 90:10–95:5 중량비로 혼합한 후 연화점 이상에서 함침하고 800–1100°C 질소 분위기에서 탄화합니다. 혼합 중 응집을 방지하는 200–280°C의 연화점, 높은 잔탄율 및 균일 코팅을 위한 낮은 QI가 핵심입니다.

RefineU 잔탄율 ≥58%의 PE-200은 고상 코팅에서 연화점과 탄소 수율의 균형을 제공합니다. PE-250과 PE-280(각각 ≥67%, ≥73%)은 높은 초기 효율과 수명을 추구하는 용도에 적합합니다. 균일성이 중요한 고급 EV용에는 PE-150 액상 코팅을 2차 공정으로 적용할 수 있습니다.

구형 천연흑연은 인조흑연보다 높은 비용량과 낮은 비용이 장점이지만 표면의 기공, 결함 및 활성 가장자리가 전해액 부반응과 불안정한 SEI를 유발하여 초기 효율과 수명을 떨어뜨릴 수 있습니다. 피치 코팅은 이를 개선하는 핵심 표면공정입니다.

불균일하게 분포한 기공은 고상 코팅만으로 충분히 채우기 어렵습니다. 액상 공정은 피치를 THF, 톨루엔 또는 아세톤에 용해하고 흑연과 혼합한 뒤 용매를 증발시켜 결함 부위에 피치를 부착시키며, 800–1100°C 탄화로 균일한 탄소층을 형성합니다. 낮은 연화점, 낮은 QI 및 낮은 회분이 중요합니다.

RefineU PE-150(145–155°C)은 QI ≤0.5%, 회분 ≤0.1%로 구형흑연의 균일 코팅에 적합합니다. 전용 저온 열제어와 조성 관리로 저연화점 제품의 로트 안정성을 관리합니다. 연구개발용 kg 단위 샘플로 고객 용매 시스템과의 적합성을 평가할 수 있습니다.

실리콘의 이론 비용량은 4200 mAh/g으로 흑연(372 mAh/g)의 약 11배입니다. 다만 리튬화 시 최대 300%의 팽창으로 입자 분쇄와 전극 손상, SEI 재형성에 따른 리튬 소모가 발생할 수 있습니다. 나노실리콘과 흑연·하드카본을 복합화하고 유연한 피치 유래 탄소층을 적용하는 방식이 활용됩니다.

피치 유래 탄소층은 적절한 유연성과 강도로 실리콘 팽창을 완충하고 입자 이탈을 줄이는 동시에, 실리콘보다 높은 전도성을 통해 내부 입자의 전하 전달을 지원합니다.

실리콘-탄소 복합재는 일반적으로 2단계 공정을 적용합니다. 고상 공정에서는 RefineU PE-280(잔탄율 ≥73%)으로 고수율의 주 코팅층을 형성하고, 액상 공정에서는 PE-150으로 나노실리콘을 정밀 코팅합니다. 나노실리콘, SiOx 및 Si@C와의 적합성 및 피치 배합을 연구하며 고객과 공동 개발합니다.

나트륨이온전지는 풍부하고 저렴한 나트륨 자원을 활용하여 저비용 저장장치 및 보급형 전기차에 적용됩니다. 나트륨 이온은 흑연에 안정적으로 삽입되기 어려워, 무질서한 층상 구조와 풍부한 기공을 지닌 난흑연화성 하드카본이 상용 음극으로 사용됩니다.

하드카본에서는 피치가 코팅층이 아닌 주 전구체로 사용됩니다. 저연화점 피치의 전산화 가교 및 고온 탄화로 넓은 층간거리와 나노 기공을 구현할 수 있습니다. 피치계 하드카본은 47–73%의 탄소 수율(코코넛 껍질 탄소 약 20%), 낮은 원료비 및 양산 적합성이 장점입니다.

RefineU 낮은 연화점과 전산화 반응성을 갖춘 PE-150은 하드카본 전구체 연구에 활용됩니다. 용융 단계에서 질소계 전구체를 도입하여 최종 sp² 네트워크에 질소를 유지하고 가역 용량을 높이는 개질을 연구합니다. 대학 및 음극 소재 기업과 양산 공정을 공동 개발할 수 있습니다.