나트륨 이온 전지는 풍부한 자원, 높은 안전성, 우수한 저온 성능 등의 장점으로 인해 대규모 에너지 저장 분야에서 큰 잠재력을 입증했습니다. 전지의 핵심 소재인 음극은 에너지 밀도, 사이클 성능, 초기 쿨롱 효율과 같은 주요 지표에 직접적인 영향을 미칩니다. 독특한 무질서한 결정 구조와 풍부한 기공을 가진 하드 카본은 나트륨 이온 전지에 적합한 음극 소재로 자리 잡았습니다. 하드 카본의 흑연 중간층, 폐쇄된 미세 기공, 그리고 표면 결함 부위는 효율적인 나트륨 저장을 가능하게 하여 고용량 이점을 제공합니다. 현재 산업화의 핵심은 하드 카본 전구체의 선정에 있습니다.
일반적으로 사용되는 경질 탄소 전구체에는 코코넛 껍질, 전분, 대나무, 짚과 같은 바이오 기반 고분자 재료와 무연탄, 아스팔트, 페놀 수지와 같은 화학 원료가 포함됩니다. 다양한 전구체에서 추출한 경질 탄소 제품은 성능 차이가 크며, 원료 공급원의 차이로 인해 비용 구조도 크게 달라집니다.
이 글에서는 코코넛 껍질, 전분, 대나무, 짚 등 4가지 주요 바이오매스 전구체를 분석하여 각각의 장단점을 평가합니다!
1 코코넛 껍질: 고성능이지만 수입 의존적
장점: 다공성이 높고, 회분 함량이 낮으며, 산업화가 완료되었습니다.
야자수에서 채취한 코코넛의 안쪽 껍질인 코코넛 껍질은 활성탄, 공예품, 그리고 신에너지 배터리 산업에 사용됩니다. 일본의 쿠라레는 탄화, 파쇄, 알칼리 처리, 열 정제, CVD 등의 공정을 통해 코코넛 껍질 기반 하드 카본을 상용화했습니다.
단점: 공급 제한, 수입 의존:
국내 생산량이 부족하고 경도가 낮습니다. 코코넛은 주로 인도네시아, 필리핀, 스리랑카, 인도에서 재배됩니다. 중국의 주요 생산지는 하이난(국내 생산량 99%)이지만, 연간 생산량은 배터리 수요의 약 6GWh에 불과하여 향후 나트륨 이온 배터리 수요에 크게 미치지 못합니다. 하이난산 코코넛은 열대 지역에 비해 일조량이 약해 경도가 낮습니다.
수입 위험: 2024년 후반부터 탄화된 코코넛 껍질의 가격이 급등하면서 국내 기업의 공급망이 불안정해졌습니다.
수율이 낮음: 코코넛 껍질에서 하드 카본을 생산하는 수율은 20%-25%에 불과하며, 1GWh의 배터리를 생산하는 데는 약 1,500톤의 하드 카본이 필요하여 막대한 양의 원자재가 필요합니다.
2 전분: 풍부한 공급원이지만 복잡한 가공 과정
장점: 안정적인 시장, 저렴한 비용.
전분은 옥수수, 고구마 등에서 추출한 가장 풍부한 재생 가능 바이오소재 중 하나로, 광범위한 공급망을 제공하며 단일 공급자에 대한 위험 부담이 없습니다. 전형적인 다당류인 전분은 탄소 함량이 높고 가격이 저렴합니다. 천연 구형 구조는 코코넛 껍질보다 균일성이 우수하고(불순물 함량 감소) 생분해성이 뛰어나 경질 탄소(hard carbon)의 경쟁력 있는 전구체로 활용될 수 있어 환경 친화성 측면에서 우위를 점합니다.
단점: 복잡한 합성, 높은 비용:
전분은 고순도 유기 고분자입니다. 특정 합성법을 통해 맞춤형 경질 탄소 형태를 구현할 수 있지만, 공정이 복잡합니다. 예를 들어, 중국의 BSTR은 전분 및 기타 바이오매스 재료를 사용하는데, 여기에는 개질, 열분해, 탄화, 표면 처리 등의 단계가 포함되며, 이로 인해 비용이 증가합니다.
3 대나무: 활성탄 산업 참여를 통한 재생 가능 자원
장점: 빠른 성장, 풍부한 자원, 성숙한 처리.
대나무는 중국에서 가장 많이 재배되고 경제적으로 가치 있는 대나무 종 중 하나로, 5~8년이면 성숙합니다. 진링 산맥에서 양쯔강 유역, 그리고 대만까지 널리 자라고 있으며, 황하 유역에서도 일부 재배되고 있습니다. 생산 비용이 저렴하여 관리가 용이합니다. 대나무에서 경질 탄소를 생산하는 과정은 인조 흑연과 유사하지만 흑연화 공정은 거치지 않고 전구체 전처리, 탄화, 후처리 과정을 거칩니다. Yuanli Co.와 같은 활성탄 회사들은 탄화 공정과 같은 중복 공정을 통해 대나무 기반 경질 탄소 시장에 진출했습니다.
단점: 일관되지 않은 원자재 품질:
대나무의 연령과 원산지의 차이는 불순물 함량(회분 함량: 3-5%)에 영향을 미칩니다. 생장 중 토양 흡수로 인해 높은 회분 함량이 발생하므로 집중적인 산 세척(반복 또는 고농도 처리)이 필요합니다.
4 짚: 풍부하지만 균일한 솔루션이 필요합니다
장점: 농업 폐기물, 매우 낮은 비용.
쌀, 밀, 옥수수와 같은 작물의 줄기와 잎을 깎아 만든 짚은 중국에 풍부하게 존재합니다(2023년 기준 연간 10억 톤 이상). 전통적으로 비료나 연료로 사용되어 추가 비용이 거의 발생하지 않습니다. Shengquan Group과 같은 기업은 용매 기반 바이오리파이닝 기술을 사용하여 짚에서 리그닌과 셀룰로스를 추출하고, 이를 통해 균일한 경질 탄소 전구체용 바이오 수지를 생산합니다.
단점: 복잡한 구성, 높은 불순물:
짚은 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌으로 구성되어 있으며, 그 비율은 작물과 생장 조건에 따라 다릅니다. 또한 재(예: SiO₂), 무기염, 그리고 살충제가 포함되어 있는데, 이는 탄화 과정에서 불순물 상을 형성하여 전기화학적 성능을 저하시킬 수 있습니다.
어떤 바이오매스 경질탄소가 우세할까?
코코넛 껍질의 성능부터 전분의 순도, 대나무의 풍부함, 짚의 가격 경쟁력까지, 각 전구체는 고유한 강점을 가지고 있습니다. 미래의 하드 카본 시장은 다양한 경로가 공존하는 양상을 보일 것으로 예상됩니다.
단단한 탄소 전구체 경쟁: 코코넛 껍질, 전분, 대나무, 짚, 어느 것이 더 전망이 좋을까?
나트륨 이온 전지는 풍부한 자원, 높은 안전성, 우수한 저온 성능 등의 장점으로 인해 대규모 에너지 저장 분야에서 큰 잠재력을 보여주었습니다.
배터리의 핵심 소재인 음극은 배터리의 에너지 밀도, 사이클 성능, 1차 쿨롱 효율과 같은 주요 지표에 직접적인 영향을 미칩니다. 하드 카본은 독특한 무질서한 결정 구조와 풍부한 기공으로 인해 나트륨 이온 배터리 음극 소재의 주요 선택 소재로 자리 잡았습니다. 하드 카본의 흑연 중간층, 폐쇄된 미세 기공, 그리고 표면 결함 부위는 나트륨을 효율적으로 저장하고 높은 용량 이점을 제공합니다. 현재 산업화의 핵심은 하드 카본 전구체 선정에 집중되어 있습니다.
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