올해 2월, 공업정보화부 웹사이트는 2022년 중국 리튬 이온 배터리 산업 운영 현황을 발표했습니다. 전국 리튬 이온 배터리 생산량은 750GWh로 전년 대비 130% 이상 증가했습니다. 그 중 에너지 저장 리튬 배터리 생산량은 100GWh를 넘어섰습니다. 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등 리튬 배터리 1차 소재의 생산량은 각각 약 185만 톤, 140만 톤, 130억 평방미터, 85만 톤으로 모두 전년 대비 60% 이상의 성장률을 기록했습니다. 산업 규모는 더욱 확대되어 총 생산액이 1조 2,000억 위안을 돌파했습니다.
앞으로 저탄소 동력인 전기 자동차가 지속적으로 시장에 보급되고 에너지 저장 리튬 배터리 비용이 지속적으로 하락함에 따라 에너지 저장 분야에 적용되는 리튬 배터리의 비중이 증가할 것입니다. 리튬 배터리 산업은 광범위한 발전 전망을 가지고 있으며, 이는 전해질 시장의 지속적인 성장을 촉진 할 것입니다.
전해질은 주로 리튬 염, 유기 용매, 첨가제의 세 부분으로 구성됩니다. 전해질의 비용은 상대적으로 작지만 리튬 이온 배터리의 종합적인 성능을 결정합니다. 현재 전해질 용매 중 95%는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 등 탄산염 에스테르입니다. 선형 탄산염 에스테르는 용매 질량의 약 60%를 차지하며, 주로 디메틸 탄산염(DMC), 디에틸 탄산염(DEC), 에틸 메틸 탄산염(EMC)으로 나뉩니다. 이러한 용매의 비율은 배터리 유형에 따라 크게 다릅니다. 일반적으로 삼원계 배터리에서는 EMC가 더 높은 비율을 차지하고 리튬 인산철 배터리에서는 DMC가 더 높은 비율을 차지합니다.
전자 등급 탄산염 산업 체인 및 공정 경로
탄산염 에틸/프로필 아크릴레이트 공정 경로
에폭시 에틸/프로필 및 이산화탄소 첨가 방법 - 이 반응 과정에는 이산화탄소가 사용됩니다.
최근 몇 년 동안 “CCUS” 전략이 시행되면서 재활용 CO2를 활용하여 탄산염을 생산하는 것이 특히 리튬 이온 배터리의 응용 분야에서 새로운 개발 접근 방식이 되었습니다.
에폭시 에틸/프로필과 이산화탄소의 첨가 반응을 통해 탄산염 에틸/프로필 아크릴레이트를 제조하는 반응은 발열 반응이며 부피 감소를 초래합니다. 화학 평형 관점에서 볼 때 저온 및 고압 조건은 반응 진행에 유리합니다. 반응의 성공적인 수행을 위해서는 적절한 촉매를 선택하는 것이 중요합니다.
이 반응을 위한 시스템은 주로 균질 촉매 시스템과 이종 촉매 시스템으로 구성됩니다. 현재 국내 탄산염 에틸/프로필 아크릴레이트 생산 방식에서는 3세대에 걸친 촉매 기술이 개발되었습니다. 그러나 예외 없이 모두 기술적 문턱이 낮은 균질 촉매를 사용하고 있습니다. 대부분의 국내 제조업체는 1세대 촉매를 사용하고 있으며, 일부 국내외 제조업체는 2세대 및 3세대 촉매를 주로 사용하고 있습니다. 국내 제품의 경우 색상과 불순물 함량 측면에서 2세대, 3세대 촉매를 사용해 생산한 제품에 비해 품질이 현저히 떨어집니다. 새로 개발한 4세대 이종 촉매는 반응 과정에서 촉매 성분이 생성물에 유입되지 않아 촉매 분리가 필요 없고 균질 촉매와 반응 생성물 간의 분리 공정이 단순화됩니다.
또한 4세대 촉매는 나노 물질로 강화되어 상용 이온 교환 수지에 비해 열 안정성(분해 온도)이 15°C 이상 향상되고 화학적 팽창이 5% 미만으로 감소했습니다. 그러나 촉매 비활성화에 대한 평가는 여전히 과제로 남아 있으며, 현재 중국에서 이 촉매를 사용하는 제조업체는 한 곳뿐이고 대다수의 제조업체는 여전히 균질 촉매를 선택하고 있습니다.
디메틸 탄산염(DMC) 공정 경로
에스테르 교환법은 현재 DMC 산업의 주류 공정으로, 에스테르 교환법 합성 장치의 총 용량은 전체 DMC 생산 능력의 87% 이상을 차지합니다. 이 공정은 생산 안전성이 높고 수율이 높으며 산업화 수준이 높습니다. 또한 공동 생산 설비는 최소 4가지 종류의 탄산염 용매를 생산할 수 있어 부가가치가 높습니다. 에스테르 교환 방식은 중국의 주류 공정 경로이며 프로필렌 옥사이드 경로와 에틸렌 옥사이드 경로의 두 가지 경로로 나눌 수 있습니다.
프로필렌 산화물 경로:
이는 프로필렌 옥사이드(PO), 이산화탄소(CO2), 메탄올(ME)을 결합하여 디메틸 카보네이트(DMC)와 프로필렌 글리콜(PG)을 생산하는 새로운 공정입니다. 반응은 두 단계로 진행되며, CO2와 프로필렌 옥사이드가 반응하여 프로필렌 카보네이트를 형성한 다음 프로필렌 카보네이트와 메탄올 간의 에스테르 교환 반응으로 디메틸 카보네이트와 프로필렌 글리콜을 생성합니다.
첫 번째 단계는 촉매 효과로 프로필렌 산화물과 이산화탄소가 반응하여 탄산 프로필렌이 형성되는 과정입니다. 반응 방정식은 다음과 같습니다:
PO + CO2 → PC
두 번째 단계는 탄산프로필렌과 메탄올의 반응을 통해 탄산디메틸과 프로필렌글리콜을 생성하는 단계입니다. 반응 방정식은 다음과 같습니다:
PC + ME → DMC + PG
이 에틸렌 카보네이트 합성 공정은 중국에서 비교적 성숙되어 있으며 현재 배터리 등급 DMC의 주요 생산 공정 경로입니다.
에틸렌 산화물 경로:
이 공정은 미국의 텍사코가 개발한 새로운 공정으로, 에틸렌옥사이드(EO), 이산화탄소(CO2), 메탄올을 결합하여 디메틸카보네이트(DMC)와 에틸렌글리콜(EG)을 생산합니다. 반응은 CO2와 에틸렌 옥사이드의 반응으로 탄산에틸렌을 형성한 다음 탄산에틸렌과 메탄올의 에스테르 교환 반응으로 디메틸 탄산염과 에틸렌 글리콜을 생성하는 두 단계로 진행됩니다.
디메틸 카보네이트를 생산하는 에스테르 교환법은 온화한 반응 조건에서 작동하고 상대적으로 적은 설비 투자가 필요하기 때문에 경제적, 사회적 이점이 있습니다. 또한 부산물인 에틸렌글리콜(EG)은 PO 방식의 프로필렌글리콜(PG)에 비해 시장 안정성이 우수합니다.
디메틸 카보네이트를 생산하기 위한 EO 에스테르 교환 방법의 반응식은 다음과 같습니다:
(CH2)2O + CO2 → (CH2O)2CO
(CH2O)2CO + CH3O → (CH2O)2CO + CH2OHCH2OH
이 공정은 이질적인 지지 촉매를 활용할 수 있어 에스테르 교환 공정에서 동종 촉매와 메탄올 나트륨을 분리하는 문제를 완전히 해결할 수 있습니다.
에틸 메틸 카보네이트(EMC) 공정 경로
현재 중국에서는 DMC와 에탄올을 사용하는 에스테르 교환 공정이 일반적으로 채택되고 있습니다. DMC와 에탄올 에스테르 교환을 위한 원료는 쉽게 구할 수 있으며, 부산물인 메탄올은 DMC 생산의 원료로 사용할 수 있습니다. 이 공정은 특히 DMC 제조업체가 EMC를 생산하는 데 적합합니다. 이 공정은 원료 및 중간 제품의 독성이 낮고, 반응 중에 발생하는 “3대 폐기물'이 없으며, 장비 투자가 적고, 공정이 간단하며, 제품 순도가 높고, 생산 공정 단축, 제품 라인 확장 및 비용 절감 등의 이점이 있습니다.
DMC와 에탄올 에스테르 교환 반응은 다음과 같이 표현할 수 있습니다:
CH3OCOOCH3 + C2H5OH → CH3OH + C2H5OCOOC2H5 + CH3OCOOC2H5
EMC 합성을 위한 DMC와 에탄올 에스테르 교환 반응은 가역적인 반응이며, 평형 상수가 EMC 합성을 위한 DMC와 DEC 에스테르 교환 반응에 비해 더 큽니다. 이 반응은 알칼리 금속 탄산염 또는 알칼리 금속 유기염을 촉매로 사용합니다. DMC의 양이 적당하면 주로 EMC가 생성됩니다. 에탄올이 과잉이면 에탄올이 EMC와 추가로 반응하여 DEC를 생성합니다.
도겐 전해질 공정 기술의 장점
촉매 업그레이드: EC 장치에는 동종 3세대 촉매가 사용되며, DMC/EMC 장치에는 이기종 촉매가 사용됩니다.
종합적인 열 활용: 히트 펌프 정류 기술로 증기를 절약하고 저온 열 등급을 종합적으로 활용합니다.
제품 품질 업그레이드: EC/DMC/EMC/DEC는 모두 배터리 등급 제품 품질 표준으로 업그레이드되었으며, 에틸렌글리콜 부산물은 폴리에스테르 등급 제품 품질 표준을 충족합니다.
