KR0183287B1 - Method of manufacturing precursor for carbon material - Google Patents
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Abstract
본 발명은 각종 탄소재료의 전구체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는, 탄소수 10 이상의 방향족 화합물을 염화알루미늄과 니트로벤젠으로 이루어진 공촉매하에서 상온 반응시킨 다음, 300℃ 이하까지 온도를 상승시키면서 중축합 반응시켜 석유계 핏치를 제조하고, 이를 다시 500℃ 이상의 온도에서 탄소화 또는 흑연화시키는 탄소재료용 전구체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법으로 제조된 전구체는 리튬 2차 전지용 전극 또는 활성탄소섬유의 제조에 특히 바람직하다.The present invention relates to a method for producing precursors of various carbon materials, and more specifically, to an aromatic compound having 10 or more carbon atoms at room temperature under a cocatalyst consisting of aluminum chloride and nitrobenzene, and then raising the temperature to 300 ° C. or lower. The present invention relates to a method for preparing a precursor for a carbon material by polycondensation reaction while producing a petroleum pitch and carbonizing or graphitizing the same at a temperature of 500 ° C. or higher. Precursors prepared by the process of the invention are particularly preferred for the production of electrodes for lithium secondary batteries or activated carbon fibers.
Description
제1도는 본 발명에 따라 탄소재료용 전구체를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.1 is a process diagram schematically showing a method for producing a precursor for a carbon material according to the present invention.
제2도는 본 발명에 따라 제조된 핏치(pitch)의 열중량 분석 결과를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis of pitches prepared according to the present invention.
제3도는 본 발명에 따라 제조된 탄소재료용 전구체의 광학구조(편광현미경) 분석 결과를 나타낸 사진이다.3 is a photograph showing the optical structure (polarization microscope) analysis results of the precursor for carbon material prepared according to the present invention.
제4도는 본 발명에 따라 제조된 탄소재료용 전구체의 X-선회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of the precursor for a carbon material prepared according to the present invention.
제5도는 본 발명에 따라 제조된 탄소재료용 전구체의 라만(Raman) 분광 분석 결과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the Raman spectroscopic analysis of the precursor for carbon material prepared according to the present invention.
본 발명은 각종 탄소재료의 전구체를 제조하는 방법 및 이의 용도에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는, 파라핀계 탄화수소를 방향족계 탄화수소로 개질시키는 석유화학 공정에서 얻어지는 탄소수 10 이상의 방향족 화합물(원유의 0.1부피%, 이하 C10 +라 함)을 공촉매하(30중량부 이하의 염화알루미늄과 30중량부 이하의 니트로벤젠)에서 상온 반응(1차반응)시킨 다음, 300℃ 이하까지 온도를 상승시키면서 열처리하는 중축합 반응(2차반응)을 통하여 바람직한 특성을 갖는 석유계 핏치를 제조하고, 이를 다시 500℃ 이상의 고온에서 탄소화 또는 흑연화시켜 다양한 용도의 탄소재료로 사용될 수 있는 전구체를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing precursors of various carbon materials and uses thereof, and more particularly, to aromatic compounds having 10 or more carbon atoms (0.1 volume of crude oil) obtained in a petrochemical process for reforming a paraffinic hydrocarbon to an aromatic hydrocarbon. %, Hereinafter referred to as C 10 + ) at room temperature reaction (primary reaction) in a cocatalyst (up to 30 parts by weight of aluminum chloride and up to 30 parts by weight of nitrobenzene), and then heat treatment while raising the temperature to 300 ° C or lower. Through the polycondensation reaction (secondary reaction) to produce a petroleum pitch having the desired characteristics, and then carbonized or graphitized at a high temperature of more than 500 ℃ to prepare a precursor that can be used as a carbon material for various uses It is about.
최근 환경오염에 대한 관심이 고조되면서 대기오염의 주범으로 알려진 자동차 배기가스 문제가 심각하게 논의되고 있으며 1994∼1996년 사이에 시행된 미국의 대기 정화법(Clean Air Act)에서는 주요 자동차 배출 가스인 탄화수소를 현재 배출 수준에서 30% 감축하는 것을 비롯 질소 산화물과 부유 분진은 60%씩 감소시키도록 되어 있다.Recently, with the growing interest in environmental pollution, the issue of automobile exhaust gas, which is known to be the main cause of air pollution, has been seriously discussed. The Clean Air Act of the United States, which was implemented between 1994 and 1996, is a major vehicle emission hydrocarbon. In addition to a 30% reduction in current emission levels, nitrogen oxides and suspended particulates are expected to be reduced by 60%.
이에 대한 대처 방안의 하나로 전기자동차의 조기 실용화가 요구되고 있으며 이를 위해서는 한 번 충전 후, 주행거리가 길고 충전 시간이 짧으며 고출력 에너지 밀도와 충방전 반복 수명이 긴 새로운 2차 전지의 개발이 필수적이다. 아울러, 정보화, 멀티미디어 시대의 급격한 도래로 휴대용 전화기, 노트북 컴퓨터 등의 수요가 폭발적으로 증가하는 추세에 이들의 주요 핵심 부품인 고성능 충전용 2차 전지의 개발이 시급한 실정이다.As one of the countermeasures, early commercialization of electric vehicles is required. For this purpose, it is necessary to develop a new secondary battery having a long driving distance, a short charging time, a high output energy density and a long charge / discharge repeat life after a single charge. . In addition, as the demand for portable telephones, notebook computers, etc. is exploding due to the rapid arrival of information and multimedia eras, the development of high performance rechargeable secondary batteries, which are their main components, is urgently needed.
이러한 추세에 맞추어 기존의 니켈, 수소, 카드늄계 2차 전지로부터 그 성능이 크게 개선된 리튬계 2차 전지로의 연구 개발이 최근 들어 주류를 이루고 있으며 특히, 리튬 2차 전지의 아노드(anode)재로 각광받기 시작한 탄소전극의 성능 향상에 관련한 폭 넓은 연구가 국내외 연구자들에 의해 현재 진행되고 있다. 지금까지는 전극 성능을 결정짓는데 탄소전극의 구조 형태(morphology) 및 결정 구조가 중요한 요인으로 작용하는 것으로 알려져 있으며, 그 한 예로, 전극재인 탄소 결정의 적층 크기(Lc002)가 100∼200Å에서 충전 용량이 최소치를 나타내고, 이보다 작거나 클 경우 충전 용량이 증가한다고 알려져 있다[Morinobu Endo, Jun-ichi Nakamura, Yutaka Sasabe, Tetsuya Takahashi and Michio Inagaki, TANSO, No. 165, 282∼287(1994)].In line with these trends, research and development from conventional nickel, hydrogen, and cadmium-based secondary batteries to lithium-based secondary batteries whose performance has been greatly improved has been the mainstream, and particularly, anodes of lithium secondary batteries. A wide range of researches on the performance improvement of carbon electrodes, which have been in the spotlight, are being conducted by domestic and foreign researchers. Until now, it is known that the structure morphology and crystal structure of the carbon electrode are important factors in determining the electrode performance. For example, the lamination size (Lc002) of the carbon crystal, which is an electrode material, is 100 to 200 mW. It is known to have a minimum value and to increase the charging capacity if smaller or larger than this [Morinobu Endo, Jun-ichi Nakamura, Yutaka Sasabe, Tetsuya Takahashi and Michio Inagaki, TANSO, No. 165, 282-287 (1994).
이에 본 발명자들은 탄소전극의 구조 형태와 결정화도가 최종 전지제품의 성능, 특히 충방전 용량에 대한 중요한 영향 인자가 됨에 착안하여, 보다 값싼 재료를 이용하여 원하는 구조 형태의 새로운 탄소전극용 전구체를 개발하여 제공함으로써 보다 우수한 성능의 2차 전지를 실용화하는데 그 가능성을 확인하고자 하였으며, 아울러 제조된 탄소재료 전구체의 조성으로부터 흡착 성능이 보다 개선된 대기정화용 흡착제나 화학반응공정의 촉매제로 부각되고 있는 활성탄소섬유(active carbon fiber)로의 사용 가능성을 확인하고자 하였다.Therefore, the inventors have focused on the fact that the structure and crystallinity of the carbon electrode are important factors for the performance of the final battery product, in particular, the charge / discharge capacity. In order to confirm the possibility of practical use of secondary battery with better performance, the activated carbon fiber has emerged as an adsorbent for atmospheric purification or catalyst for chemical reaction process, which has improved adsorption performance from the composition of carbon material precursor manufactured. (active carbon fiber) to check the possibility of use.
한편, 활상탄소섬유의 기능은 활성화에 의해서 생성되는 미세공의 크기와 기질의 물리화학적 특성에 의해 결정된다고 알려져 있다. 예를 들면, 페놀수지계 활성탄소섬유의 미세공을 조절하여 벤젠과 시클로헥산을 선택 분리하는 방법이 보고된 바 있으며, 또한 PAN(Poly acrylonitrile)계 활성탄소섬유를 사용하는 경우 활성화도가 낮으면 최종 제품에 질소가 잔류되어 흡착 및 촉매제로 특이한 선택성을 나타내어, 이를 NOx 또는 SOx의 흡착제로 이용한 예도 보고되었다(일본특개소 제51-132193호).On the other hand, the function of the carbon fiber is known to be determined by the size of the micropores generated by the activation and the physical and chemical properties of the substrate. For example, a method of selectively separating benzene and cyclohexane by controlling the micropores of phenolic resin-based activated carbon fibers has been reported. Also, in the case of using PAN (Poly acrylonitrile) -based activated carbon fibers, if the activation is low, the final Nitrogen remains in the product, resulting in specific selectivity as an adsorbent and catalyst, and an example of using this as an adsorbent for NOx or SOx has also been reported (Japanese Patent Laid-Open No. 51-132193).
지금까지는 탄소재료용 전구체를 제조하기 위해서는 주로 석유화학공정 잔사유나 콜타르로부터 일정한 구조와 분자량을 갖는 핏치 유분을 용매 추출하고, 이를 다시 열처리하여 제조하여 왔다. 추출을 위해서는 다량의 용제가 사용되므로 부수적인 경비가 요구되며, 이는 탄소화 과정을 제외한 탄소재료 제조공정에 따른 전체 비용의 절반이 넘게 소요되어 생산 제품의 가격상승에 커다란 요인이 되어 왔다.Until now, in order to prepare precursors for carbon materials, pitch oils having a constant structure and molecular weight are mainly solvent-extracted from petrochemical process residue oil or coal tar, and manufactured by heat treatment. As a large amount of solvent is used for the extraction, ancillary expenses are required, which is more than half of the total cost of the carbon material manufacturing process except for the carbonization process, which has been a significant factor in the price increase of the produced product.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 일본의 미쯔비시 가스(주)에서는 복잡하고 중질한 공정 잔사유로부터 원하는 핏치 유분을 용제 추출하는 대신 순수한 화합물질들(예를 들면, 나프탈렌, 메틸나프탈렌, 안트라센 등)로부터 원료 핏치를 합성하여 비교적 균일한 물성을 지니는 탄소재료용 전구체를 제조하는 독특한 방법을 개발하였다. 그러나, 여기에는 종래의 방법에 비해 원료 물질의 가격이 비싸고 조업중 초강산인 HF/BF3를 사용하여야 하는 공정 안전상의 이유로 특별한 장비가 추가적으로 구비되어야만 하는 등의 경제적 부담을 안고 있다[ I. Mochida, K. Shimizu, Y. Korai, H. Otsuka, Y. Sa kai and S. Fujiyama, Carbon, 28, 311(1990)]. 이 밖에도 질소를 함유한 탄소재료를 제조하기 위하여 퀴놀린(quinoline 또는 isoquinoline)을 중축합시켜 핏치를 제조하고, 상기 핏치를 이용하여 탄소섬유를 제조하는 방법이 있으나, 이 또한 원료 물질(퀴놀린)의 가격이 비싼 결점으로 인해 상업적 가치에는 그 한계가 있다[I. Mochida, K. H. An and Y. Korai, Carbon, 33, 1069∼1079(1995)].In order to solve this problem, Mitsubishi Gas Corp. of Japan uses raw material pitches from pure compounds (e.g., naphthalene, methylnaphthalene, anthracene, etc.) instead of solvent extraction of desired pitch fractions from complex and heavy process residues. Was developed to produce a unique method for preparing precursors for carbon materials having relatively uniform physical properties. However, there is an economic burden such as the need for additional equipment for the process safety reasons that the raw material is more expensive than the conventional method and the super acid HF / BF 3 must be used during operation [I. Mochida , K. Shimizu, Y. Korai, H. Otsuka, Y. Sa kai and S. Fujiyama, Carbon, 28, 311 (1990)]. In addition, there is a method of manufacturing a pitch by polycondensing quinoline (quinoline or isoquinoline) in order to manufacture a carbon-containing carbon material, and the carbon fiber using the pitch, but also the price of the raw material (quinoline) This expensive drawback has limited commercial value [I. Mochida, KH An and Y. Korai, Carbon, 33, 1069-1079 (1995).
따라서 본 발명의 목적은 증류나 용제 추출 등의 별도의 과정없이 싼 가격(10만원/톤)의 석유화학공정 부산물(C10+)을 직접 원료로 사용하여 고부가 탄소제품의 제조 및 이의 제조시 촉매의 양과 열처리 온도 및 시간을 조절하여 성능이 보다 우수한 다양한 형태의 탄소재료용 전구체의 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to prepare a high value-added carbon product and a catalyst in the production of the same by using a low price (100,000 won / ton) petrochemical process by-product (C 10+ ) directly as a raw material without a separate process such as distillation or solvent extraction. The present invention provides a method for producing various types of precursors for carbon materials having better performance by controlling the amount, heat treatment temperature, and time.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 탄소재료용 전구체를 특정 용도로 사용하는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention to provide a method for using the precursor for the carbon material prepared by the above method for a specific use.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 탄소수 10 이상의 방향족 화합물을 염화알루미늄과 니트로베젠으로 이루어진 공촉매하에서 상온 반응시킨 다음, 300℃ 이하까지 온도를 상승시키면서 중축합 반응시켜 석유계 핏치를 제조하고, 이를 다시 500℃ 이상의 온도에서 탄소화 또는 흑연화시키는 것으로 이루어진다.The method of the present invention for achieving the above object is to produce a petroleum pitch by reacting an aromatic compound having at least 10 carbon atoms at room temperature under a co-catalyst made of aluminum chloride and nitrobezen, and then polycondensing the reaction while raising the temperature to 300 ° C or lower. And again carbonizing or graphitizing at a temperature of 500 ° C. or higher.
이하 본 발명의 방법을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the method of the present invention will be described in more detail.
원유를 정제하여 얻어지는 경질유분(나프타)의 일부는 석유화학제품(벤젠, 톨루엔, 자일렌)이나 휘발유 배합 시료의 제조를 목적으로 개질공정을 거치게 되는데, 이때 일정 탄소수 이상(탄소수 10이상)의 방향족 화합물이 부산물로 얻어진다. 이는 원래 용도로는 사용될 수 없는 부반응물에 해당되지만 분자량이 비교적 균일하고, 조성이 일정하며 시료 자체의 방향족화도가 약 57% 정도로 커 탄소재료용 중축합 탄소화공정의 원료로 사용하기에 적합한 장점을 지니고 있다.Some of the light oil (naphtha) obtained by refining crude oil undergoes a reforming process for the production of petrochemical products (benzene, toluene, xylene) or gasoline blended samples, wherein aromatics having a certain carbon number (more than 10 carbon atoms) The compound is obtained as a byproduct. This is a side reaction that cannot be used for its original purpose, but its molecular weight is relatively uniform, its composition is constant, and its aroma is about 57%, so it is suitable for use as a raw material for polycondensation carbonization process for carbon materials. It has
이에 본 발명자들은 낮은 원가의 C10+가 탄소재료 원료로서 우수한 물성에 착안하여 이의 개발과 제조에 노력하였다. 먼저, 공촉매의 농도와 반응 온도를 조절하여 원료 물질의 중축합 반응 속도를 변화시킴으로써 그 구조를 변화시켜 다양한 형태의 탄소재료용 핏치를 제조할 수 있었다. 이렇게 제조된 핏치는 탄소화과정을 거쳐 리튬 2차 전지 음극용 탄소전극 및 활성탄소섬유용 전구체를 제조하는데 사용될 수 있다.Accordingly, the present inventors have made efforts to develop and manufacture C10 + having a low cost as a raw material for carbonaceous materials and having excellent physical properties. First, by varying the polycondensation reaction rate of the raw material by adjusting the concentration of the cocatalyst and the reaction temperature, the structure of the carbon material could be manufactured by changing the structure thereof. The pitch thus prepared may be used to manufacture a carbon electrode for a lithium secondary battery negative electrode and a precursor for activated carbon fiber through a carbonization process.
본 발명에 따르면, C10+100중량부에 대하여 0.01∼30중량부의 염화알루미늄(AlCl3)과 0.01∼30중량부의 니트로벤젠 공촉매하에서 상온 반응시킨다. 이때, 염화알루미늄이 30중량부를 초과하면 반응생성물 중 알루미늄 성분을 제거하는데 어려움이 있고, 0.01중량부 미만이면 반응효과가 거의 미비하여 효율이 저하되는 단점이 있으며, 니트로벤젠이 30중량부를 초과하면 반응생성물 중 질소함량이 과다하게 되어 요구물성에 적합치 않고, 0.01중량부 미만이면 공촉매로써의 반응보조 효과가 미비한 문제점이 있다.According to the present invention, 0.01 to 30 parts by weight of aluminum chloride (AlCl 3 ) and 0.01 to 30 parts by weight of nitrobenzene cocatalyst are reacted at room temperature with respect to 100 parts by weight of C 10+ . At this time, when aluminum chloride exceeds 30 parts by weight, it is difficult to remove the aluminum component from the reaction product, and when the amount is less than 0.01 parts by weight, the reaction effect is almost insignificant and the efficiency is lowered. If the nitrogen content in the product is excessively unsuitable for the required physical properties, and less than 0.01 part by weight, there is a problem in that the reaction assisting effect as a cocatalyst is insufficient.
그 다음, 상기 반응물을 분당 1∼4℃의 속도로 300℃ 이하의 온도까지에서 승온시킨 후, 2시간 이상 열처리시킨다. 상기 승온속도는 급작스런 반응진행에 의한 구조변형(불균일)을 방지하기 위해 유지되는 것이 바람직하며, 최종 온도가 300℃를 초과하면 반응물이 급격히 탄소화(고형화)되는 현상이 나타난다.The reaction is then heated to a temperature of 300 ° C. or less at a rate of 1-4 ° C. per minute and then heat treated for at least 2 hours. The temperature increase rate is preferably maintained in order to prevent structural deformation (nonuniformity) due to the rapid reaction progress, the reaction is rapidly carbonized (solidifying) appears when the final temperature exceeds 300 ℃.
상기 반응 후, 잔류되는 염화알루미늄은 염산 수용액으로 수차례 세척하여 제거시키며, 기타 잔여 공촉매는 메탄올로 세척한다. 이후, 생성된 반응물을 약 60℃에서 진공건조시켜 원하는 특성, 예를 들어 약 200℃의 연화점, 약 1.1의 C/H비(상기 특성은 탄소재료용 전구체로 탄소화 시키기 적합한 개질핏치 물성에 바람직함)를 나타내는 핏치를 얻는다.After the reaction, the remaining aluminum chloride is removed by washing several times with aqueous hydrochloric acid solution, and other residual cocatalyst is washed with methanol. The resulting reactant is then vacuum dried at about 60 ° C. to a desired property, such as a softening point of about 200 ° C., and a C / H ratio of about 1.1. (The above properties are preferred for modified pitch properties suitable for carbonizing with precursors for carbon materials. Pitch).
이렇게 제조된 핏치를 500℃ 이상의 온도조건에서 1시간 이상 탄소화 또는 흑연화 처리하여 리튬 2차 전지용 전극의 제조에 사용하거나, 방사시켜 활성탄소섬유 제조에 사용될 수 있는 탄소재료 전구체를 제조할 수 있다. 이때, 상기 온도조건이 500℃ 미만이면 탄소화 또는 흑연화가 진행되지 않으며, 상기 온도를 상승시킬수록 최종 생성물의 구조나 물성은 탄화정도가 증대되며, 아울러 결정크기가 커지고 적층 간격이 좁아지는 등 다양하게 변화한다.The pitch thus prepared may be carbonized or graphitized for at least 1 hour at a temperature of 500 ° C. or higher for use in the production of an electrode for a lithium secondary battery, or by spinning to produce a carbon material precursor that may be used for the production of activated carbon fibers. . At this time, if the temperature condition is less than 500 ℃ carbonization or graphitization does not proceed, and as the temperature is increased, the structure or physical properties of the final product increases the degree of carbonization, and also the crystal size increases and the lamination interval is narrowed To change.
한편, 본 발명에 따르면 공촉매로 사용된 니트로벤젠의 농도를 조절할 경우에는 최종 제품에 도입되는 질소의 양도 제어할 수 있어서 특별한 선택성을 갖는 탄소재료를 제조할 수도 있다. 약 20중량부의 니트로벤젠을 사용하여 제조된 탄소재료의 경우, 2중량% 내외의 질소 성분을 함유함으로써 상술한 바와 같은 흡착 및 촉매제로써의 중요한 가치를 지니게 된다. 또한, 탄소화 온도 조건을 변화시켜 원하는 용도에 따라 최종 생성물의 구조적인 형태나 물성(질소성분 함량) 등을 조절할 수 있다.Meanwhile, according to the present invention, when adjusting the concentration of nitrobenzene used as the cocatalyst, it is possible to control the amount of nitrogen introduced into the final product, thereby producing a carbon material having special selectivity. In the case of a carbon material produced using about 20 parts by weight of nitrobenzene, the nitrogen content of about 2% by weight has an important value as adsorption and catalyst as described above. In addition, by changing the carbonization temperature conditions it is possible to adjust the structural form or physical properties (nitrogen content) of the final product according to the desired use.
따라서, 본 발명은 탄소재료 전구체의 원료인 C10+가 저가이면서도 원유의 0.1부피%라는 막대한 양임을 감안한다면, 고부가 가치를 창출하는 경제적인 수익면 뿐만 아니라 연료유의 고형 탄소 제품화를 통해 연소시 다량의 발생이 우려되는 대기오염물질을 감소시키는 등의 환경보호차원에서도 커다란 잇점이 있는 공정 개발인 것이다.Accordingly, the present invention is much the combustion if the raw material of the carbon material precursor C 10+ Considering that vast amount of 0.1% by volume of low-cost, yet crude oil, as well as the economic bottom line to create a high added value by the fuel oil is a solid carbon commercialized It is a process development that has great advantages in terms of environmental protection, such as reducing air pollutants that are concerned about the occurrence of.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.
[실시예 1]Example 1
100중량부의 C10+를 취한 후, 여기에 30중량부의 염화알루미늄 분말을 첨가하고 20중량부의 니트로벤젠을 서서히 첨가하면서 상온에서 반응시킨다. 반응이 거의 끝난 시점에서 분당 2℃의 승온 속도로 온도를 250℃까지 높여 주면서 가열한다. 이렇게 얻어진 생성물 중에 포함되어 있는 염화알루미늄은 0.2 노르말농도의 염산수용액으로 수 차례에 걸쳐 세척하고 잔재해 있는 니트로벤젠을 제거하기 위하여 메탄올로 2∼3회 세척한 다음, 약 60℃에서 진공 건조시킨다. C10+와 개질 핏치 시료의 수율 및 연화점, 그리고 원소분석의 결과를 하기 표 1에 기재하였다. 연화점의 측정에는 메틀러(Mettler)사의 FD80모델을 사용하였다. 표 1에서 시료명, 예를 들어, NB20-250은 니트로벤젠 20중량부의 공촉매하에서 제조되어 250℃에서 중축합 과정을 거친 시료를 의미한다.After 100 parts by weight of C 10+ is taken, 30 parts by weight of aluminum chloride powder is added thereto and reacted at room temperature while slowly adding 20 parts by weight of nitrobenzene. At the end of the reaction, the temperature is increased to 250 ° C. at a rate of temperature rise of 2 ° C. per minute. The aluminum chloride contained in the product thus obtained was washed several times with 0.2 normal aqueous hydrochloric acid solution, washed 2-3 times with methanol to remove residual nitrobenzene, and then vacuum dried at about 60 ° C. The yield and softening point of the C 10+ and modified pitch samples, and the results of elemental analysis are shown in Table 1 below. The softening point was measured using a METTLER FD80 model. In Table 1, the sample name, for example, NB20-250 refers to a sample prepared under a cocatalyst of 20 parts by weight of nitrobenzene and subjected to polycondensation at 250 ° C.
[실시예 2]Example 2
상기 실시예 1에서 니트로벤젠 20중량부 대신에 30중량부을 첨가하여 동일 과정으로 탄소재료용 개질 핏치를 제조하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.Instead of 20 parts by weight of nitrobenzene in Example 1 was added 30 parts by weight to prepare a modified pitch for the carbon material in the same process, the results are shown in Table 1 below.
[실시예 3]Example 3
상기 실시예 1에서 분당 2℃의 승온속도로 280℃까지 온도를 높여 주며 열처리한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.In Example 1 was carried out in the same manner except that the temperature was increased to 280 ℃ at a temperature increase rate of 2 ℃ per minute, and the heat treatment, the results are shown in Table 1 below.
[실시예 4]Example 4
상기 실시예 3에서 니트로벤젠 20중량부 대신에 30중량부를 첨가한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.Except that the addition of 30 parts by weight instead of 20 parts by weight of nitrobenzene in Example 3 was carried out in the same manner, the results are shown in Table 1 below.
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 개질 온도가 증가할 수록 핏치의 탄화 정도(C/H)가 증가함을 알 수 있었고, 아울러 공촉매로 사용된 니트로벤젠의 함량이 증가함에 따라 탄화 정도는 물론 핏치내 질소(N)성분 함량 역시 증가함을 알 수 있었다. 대부분의 시료의 경우 향후 탄소재료 전구체로써의 활용이 기대되는 적정 범위의 탄화 정도(약 1.1의 C/H비와 약 200℃의 연화점)을 나타내고 있음이 확인되었다.As can be seen from Table 1, it was found that the carbonization degree (C / H) of the pitch increases as the reforming temperature increases, and the degree of carbonization increases as the content of nitrobenzene used as the cocatalyst increases. Of course, the nitrogen (N) content in the pitch was also found to increase. Most of the samples showed the appropriate range of carbonization (a C / H ratio of about 1.1 and a softening point of about 200 ° C), which is expected to be used as a carbon material precursor in the future.
한편, 상기 실시예 1 및 2에서 제조된 핏치의 탄화 수율을 알아보고자 열중량분석 실험을 수행하여 그 결과를 제2도에 나타내었다. 시료 NB20-250(실시예 1)은 500℃, 600℃ 조건에서 각각 51중량%, 25중량%, 시료 NB30-250(실시예 2)은 각각 66중량%, 43중량%의 탄화 수율을 나타내어 공촉매로 사용된 니트로벤젠의 함량이 30중량부 범위내에서는 그 함량의 증가에 따라 개질 핏치의 수율이 더 커짐을 알 수 있었다. 참고로 시료의 탄화 수율 계산식은 다음과 같다.Meanwhile, thermogravimetric analysis was performed to determine the carbonization yield of the pitches prepared in Examples 1 and 2, and the results are shown in FIG. Sample NB20-250 (Example 1) exhibited carbonization yields of 51 wt% and 25 wt%, respectively, at 500 ° C and 600 ° C conditions, and sample NB30-250 (Example 2) at 66 wt% and 43 wt%, respectively. As the content of nitrobenzene used as a catalyst was within the range of 30 parts by weight, it was found that the yield of the modified pitch increased as the content increased. For reference, the formula for calculating the yield of carbonization is as follows.
탄화 수율(중량%) = 탄화후 시료 질량/탄화전 시료 질량 × 100Carbonization yield (% by weight) = sample mass after carbonization / sample mass before carbonization × 100
[실시예 5 내지 12][Examples 5 to 12]
본 실시예들은 상기 실시예 1 및 2의 250℃ 조건에서 제조된 핏치를 500℃, 1000℃ 및 2400℃에서 각각 탄소화 또는 흑연화 처리하여 얻어진 탄소재료 전구체 시료를 대상으로 실험을 수행하였다.The examples were performed on carbon material precursor samples obtained by carbonizing or graphitizing the pitch prepared at 250 ° C. of Examples 1 and 2 at 500 ° C., 1000 ° C. and 2400 ° C., respectively.
실시예 5 내지 8의 탄소 전구체의 수율 및 연화점, 그리고 원소분석 등의 결과를 하기 표 2에 기재하였다. 하기 표 2에 기재된 시료명, 예를 들어 NB20-250/500은 상기 실시예 1에서 니트로벤젠 20중량부의 공촉매하에서 250℃까지 열처리하여 얻은 개질 핏치를 500℃에서 탄소화 처리하여 얻은 탄소재료 전구체 시료를 의미한다.The yields, softening points, and elemental analysis of the carbon precursors of Examples 5 to 8 are shown in Table 2 below. The sample name shown in Table 2, for example, NB20-250 / 500 is a carbon material precursor sample obtained by carbonizing the modified pitch obtained by heat treatment to 250 ℃ under 20 parts by weight of nitrobenzene in the cocatalyst in Example 1 Means.
상기 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 사용된 공촉매(니트로벤젠)의 함량과 탄소화 온도 조건을 변화시키면서 이때 원하는 용도에 맞추어 최종 생성물(탄소재료 전구체)내의 질소성분 함량 등이 조절될 수 있음이 확인되었으며, 상기 결과의 경우 최종 탄소제품내에 약 2중량%의 질소성분을 함유시킴으로써 전술한 바와 같이 일반 화학공정이나 환경설비 등에서 촉매나 흡착제의 용도로 인정받기 시작한 활성탄소섬유로써의 그 활용 가치가 기대된다.As can be seen from Table 2, while changing the content of the cocatalyst (nitrobenzene) used and the carbonization temperature conditions, the nitrogen content in the final product (carbon material precursor) and the like can be adjusted according to the desired use at this time In this case, by using about 2% by weight of nitrogen in the final carbon product, the utilization value as an activated carbon fiber, which has started to be recognized as a catalyst or an adsorbent in general chemical processes or environmental facilities as described above. Is expected.
한편, 제3도의 (a) 및 (b)에는 편광현미경을 통하여 나타낸 실시예 5(NB20-250/500; 제3a도), 실시예 6(NB30-250/500; 제3b도)의 광학구조를 사진으로 나타내었다. 실시예 5는 모자이크 광학 구조를 실시예 6은 등방성광학 구조를 보이고 있다. 이는 상기 표 2의 결과와 같은 것으로, 사용된 공촉매의 함량과 반응 온도 조건을 변화시킴에 따라 최종 탄소제품의 광학(편광)구조가 조절될 수 있음을 확인한 것이며, 아울러 적절한 2.81중량%의 질소성분 함량을 보이고 있는 실시예 6의 경우 등방성 광학 구조를 나타내므로써 단섬유 형태인 활성탄소섬유로의 제조 및 활용에 더욱 적합하리라 판단된다.On the other hand, in Fig. 3 (a) and (b), the optical structures of Example 5 (NB20-250 / 500; Fig. 3a) and Example 6 (NB30-250 / 500; Fig. 3b) shown through a polarizing microscope Is shown in the photo. Example 5 shows a mosaic optical structure and Example 6 shows an isotropic optical structure. This is the same as the result of Table 2, it was confirmed that the optical (polarization) structure of the final carbon product can be adjusted by changing the content of the cocatalyst used and the reaction temperature conditions, and the appropriate 2.81% by weight of nitrogen In the case of Example 6 showing the component content of the isotropic optical structure is determined to be more suitable for the production and utilization of activated carbon fibers in the form of short fibers.
부가적으로, 공촉매(니트로벤젠)함량과 열처리온도의 변화에 따른 탄소재료 전구체의 결정구조를 파악하고자, 1000℃ 및 2400℃에서 각각 흑연화시킨 시료; 실시예 9(NB20-250/1000), 실시예10 (NB30-250/1000), 실시예 11(NB20-250/2400) 및 실시예 12(NB30-250/2400)에 대해 각각의 X-선 회절분석(DIMAX 1200) 및 라만분광분석(KNOVA 305) 결과를 하기 표 3에 나타내었고, 특히 상기 실시예 11 및 12는 제4도 및 제5도에 그래프로 도시하였다.In addition, in order to grasp the crystal structure of the carbon material precursor according to the change of the cocatalyst (nitrobenzene) content and the heat treatment temperature, the sample graphitized at 1000 ℃ and 2400 ℃, respectively; Respective X-rays for Example 9 (NB20-250 / 1000), Example 10 (NB30-250 / 1000), Example 11 (NB20-250 / 2400) and Example 12 (NB30-250 / 2400) The results of diffraction analysis (DIMAX 1200) and Raman spectroscopy (KNOVA 305) are shown in Table 3 below, and in particular, Examples 11 and 12 are graphically shown in FIGS. 4 and 5.
상기 표3으로부터 알 수 없는 바와 같이, 2400℃에서 흑연화시킨 경우, 공촉매인 니트로벤젠의 농도에 따라 그 결정구조 형태가 큰 차이를 보였으며, 공촉매 함량이 20중량부인 시료에 비해 30중량부인 시료의 결정성(결정크기)이 크게 낮음으로써, 상술한 결과들과 마찬가지로 반응조건을 조절함에 따라 용도에 따른 최종 탄소제품의 결정 구조를 손쉽게 조절할 수 있음이 확인되었다. 이러한 현상은 제4도의 X-선 회절의 회절각(26°)에서의 피크(peak)가 변하며, 제5도의 라만 분광의 1580㎝ 부근에서의 피크 크기가 역시 크게 변화하는 것으로 부터도 잘 알 수 있다. 상기 표 3은 이들을 수치값으로 환산하여 명시한 것이며, 이 중 특히 적층 간격값의 경우 상술한 충방전 용량이 뛰어난 리튬 2차 전지용 탄소전극재의 전구체로써 만족할 만한 수준의 결과를 보임을 알 수 있다.As can be seen from Table 3, when graphitized at 2400 ℃, the crystal structure was shown a large difference according to the concentration of nitrobenzene as a cocatalyst, 30 wt% compared to the sample having a cocatalyst content of 20 parts by weight. As the crystallinity (crystal size) of the denier sample was significantly low, it was confirmed that the crystal structure of the final carbon product according to the application could be easily adjusted by controlling the reaction conditions as in the above-described results. This phenomenon results in a change in the peak at the diffraction angle (26 °) of the X-ray diffraction of FIG. 4, and 1580 cm of the Raman spectroscopy of FIG. It is also well understood that the magnitude of the peak in the vicinity also changes significantly. Table 3 shows these in terms of numerical values, and in particular, in the case of the lamination interval value, it can be seen that the result of the satisfactory level as a precursor of the carbon electrode material for lithium secondary battery excellent in the above-described charge and discharge capacity.
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