습식제련법을 활용한 저품위 흑연 고순도화 기술개발

Abstract

2차전지, IT 기기의 핵심원료인 천연흑연은 우리나라에서는 전혀 생산되지 않으며, 대부분의 수요물량을 중국에 의존하고 있다. 자원·소재 안보 강화를 위해 흑연원료물질의 부가가치 향상 기술확보가 필요하다. 본 연구에서는 천연흑연정광(탄소품위 : 90%이상, 구형도 0.8이상)의 2차전지 음극재 원료물질로서의 활용을 위해 입자표면개질을 포함한 구형화 공정 및 흑연정광 내 함유된 회분 제거를 위한 습식정제공정을 구축하고자 하였다. 구형화 공정 구축을 위해 입자 표면개질과 고속회전이 가능한 장비(NOBILTA-130, NHS-0)을 활용하여 장비 구동속도(3,000 ~ 12,000rpm)를 주 변수로하여 실험을 진행하였으며, 10,000rpm에서 구형도 0.916, 12,000rpm에서 구형도 0.936의 실험 결과를 보였고, 구형화 후 건식분급을 통해 5㎛ 이하의 미립 플레이크를 분리·제거하여 구형도는 0.947, 평균입도 16.362㎛의 2차전지 음극재 적용에 적합한 균질한 입자크기를 갖는 구상흑연을 획득하였다. 구형화 후 흑연정광 시료에 시약급 황산, 염산, 수산화나트륨을 활용하여 침출법을 통해 흑연정광 내 회분제거 실험을 실시하였으며, 탄소품위 및 불순물(회분)의거동을 확인하였다. 실험 조건은 알칼리 정제실험에서는 오토클레이브를 활용하여 시약농도(수산화나트륨 농도 : 1, 2, 3N), 반응온도(150, 200, 250℃), 반응시간(0.5, 1시간)를 변수로 두고, 광액농도 10%, 반응압력은 증기압으로 하여 실험을 진행하였다. 산 정제실험은 일반적인 침출반응기를 활용하여 시약종류(황산, 염산), 시약농도(2, 3, 4N), 반응온도(50, 70, 100℃), 반응시간(0.5, 1, 2, 3시간)을 변수로 하고, 광액농도 10%, 반응압력은 상압으로 하여 실험을 진행하였다. 알칼리 단일정제 실험결과, 3N 농도조건에서 불순물 제거율 66.0%, 탄소 품위 97.8%로 가장 좋은 결과를 보였고, 산 단일정제 실험결과, 황산 2N 농도조건에서 불순물 제거율 45.9%, 탄소품위 96.5%로 가장 높았으나, 본 연구의 목표인 99.9% 이상의 탄소 품위에는 도달하지 못해 각 단일정제법에서 도출한 최적조건을 활용해 산-알칼리 교차정제 실험을 수행하였으며, 황산-수산화나트륨 순의 교차정제 실험에서 불순물 제거율 95.9%, 탄소품위 99.7%로 기존 단일정제법보다 불순물 제거율이 최대 50%까지 상승하는 것을 확인하였으며, 99.9% 고순도 흑연제조를 위해 흑연층 내부의 불순물을순차적으로 제거하기 위해 산-알칼리 다단정제 실험을 실시하였으며, 최대 5단까지실험을 진행하였다. 실험 결과, 2~3회 정제 시 99.9~99.95%, 4~5회 정제 시 99.95~99.99%의 초고순도 정제가 가능하였고, 불순물 제거율 또한 95.2%~99.7%까지 제거되어, 산-알칼리 시약을 활용한 습식정제법으로 2차전지 음극재 원료 스펙에 부합하는 흑연원료 제조가 가능함을 알 수 있었다.