KR100841587B1 - 활성탄, 그 제조방법, 분극성 전극, 및 전기 이중층 축전기 - Google Patents

활성탄, 그 제조방법, 분극성 전극, 및 전기 이중층 축전기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 과립상의 등방성 피치(pitch)로 제조된, 정전 용량이 큰 활성탄, 그의 제조방법 및 분극성 전극 및 전기 이중층 축전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적은 과립상의 등방성 피치로 제조된 활성탄으로써 달성될 수 있다. 이러한 활성탄은 바람직하게는, 과립상의 등방성 피치를 부분적으로 산화하여 상기 피치를 불융(infusible)화하고 화학 물질로 활성화하거나, 과립상의 등방성 피치를 열처리하고 화학 물질로 활성화하거나, 또는 과립상의 등방성 피치를 불융화하고 열처리한 후, 피치를 화학 물질로 활성화함으로써 제조될 수 있다. 본 발명의 활성탄은, 결합제 및 전기전도성 충진제와 혼합되어 전기 이중층 축전기에 유용한 분극성 전극을 형성한다.

Description

활성탄, 그 제조방법, 분극성 전극, 및 전기 이중층 축전기{ACTIVATED CARBON, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, POLARIZABLE ELECTRODE, AND ELECTRIC DOUBLE LAYER CAPACITOR}
도 1은 본 발명의 활성탄을 축전기의 전극에 적용한 한 예를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 활성탄을 축전기의 전극에 적용한 다른 예를 나타낸 개략도이다.
본 발명은 과립상의 등방성 피치(pitch)로 제조된 활성탄, 그 제조방법, 분극성 전극 및 전기 이중층 축전기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 활성탄을 분극성 전극으로 만들어, 이를 집전 장치 및 전해질과 결합함으로써, 정전 용량이 크고 충전 및 방전시 저팽창성이 뛰어난 축전기를 제조할 수 있다.
최근 몇년간, 백업(backup) 전원, 보조 전원 등으로서 전기 이중층 축전기에 대한 이목이 집중되어 왔다. 활성탄의 전기 이중층 축전기용 전극으로서의 성질에 착안한 개발이 광범위하게 이루어지고 있다. 일반적으로, 활성탄을 분극성 전극으로 사용하는 전기 이중층 축전기는 정전 용량이 뛰어나기 때문에, 이러한 축전기는 전자공학 분야의 발전을 유도하고, 전기 장치의 축전기 용도로서의 수요가 급격히 성장되고 있다. 최근에는 종래의 메모리 백업 전원 등의 소형화가 이루어지고 있으며, 또한 모터 등의 보조 전원에 사용되는 큰 정전 용량의 제품의 개발도 수행되고 있다.
예로서, 고체 전극 및 전해질 용액의 상이한 두 층이 서로 접촉되는 경우, 그 계면에 양극, 음극 전하가 짧은 간격으로 배열, 분포된다. 전극 사이에 전압이 인가되어 전극이 하전되면, 전해질 용액에서는 전하를 보상하기 위하여 이온들이 배열된다. 이러한 이온 배열 또는 분포층이 전기 이중층이다. 전기 이중층 형성의 결과로 생성된 전극 계면의 정전 용량을 이용하는 장치가 전기 이중층 축전기이다.
이제까지, 전기 이중층 축전기(콘덴서)로서 실린더형, 적층형, 코인(coin)형 구조를 가진 것들이 공지되어 있다. 도 1은 코인형 구조의 전기 이중층 축전기의 도식적인 개략도를 나타낸다. 도 1에서, 참조번호 (1) 및 (2)는 알루미늄 메쉬(mesh) 등으로 제조된 집전 장치이며; (3) 및 (4)는 분극성 전극; (5)는 폴리프로필렌 부직포 등으로 제조된 세퍼레이터(separator); (6)은 폴리프로필렌 등으로 제조된 가스켓(gasket)이며; (7)은 알루미늄 또는 스텐레스 스틸로 제조된 케이스(case)이다. (1) 및 (2)는 각각 분극성 전극 (3) 및 (4)에 접촉되어, 각 분극성 전하에 대한 집전 장치로 되며, 또한 외부 회로에 대한 접속단자로서의 기능도 할 수 있다. 이와 같이, 전기 이중층 축전기는 케이스 내에 분말 또는 섬유상의 활성탄으로 제조된 한쌍의 분극성 전극, 및 그 사이에 배치된 다공성 및 이온 투과성의 세퍼레이터를 가진다. 분극성 전극 및 세퍼레이터는 전해질 용액으로 습윤된다. 필요에 따라, 집전 장치는 분극성 전극 및 케이스의 사이에 삽입되거나 전극에 용착된다. 케이스의 경우, 상부 덮개 및 하부 케이스 사이의 개구부는 전해질 용액이 새어나오지 않도록 밀봉 부재로 밀봉된다.
전기 이중층 축전기는 일반적으로 전지에 비해 순간적인 충전 및 방전 특성이 뛰어나며, 반복 충전 및 방전 특성에 열화가 적게 일어나고, 충전 및 방전시에 과전압을 제공하지 않는다. 따라서, 전기 이중층 축전기는 전기 회로를 간단화할 수 있는 특징을 갖는다. 또한, 전기 이중층 축전기의 잔존 정전 용량을 쉽게 알 수 있으며, 광범위한 내구 온도 특성을 가진다. 이러한 전기 이중층 축전기는 마이크로 컴퓨터 또는 IC의 메모리, 타이머 부분 또는 다른 제어부의 백업 전원, 전기설비의 전원, 정전시 전원, 차량용 전원 등의 용도로서 연구되어 왔다. 이러한 사용은 이미 일부 실시되고 있다. 전기 이중층 축전기에는 경량 및 소형화가 요구되어 왔다. 즉, 단위 체적 당 및 단위 중량 당, 전기 이중층의 정전 용량의 향상이 요구되어 왔다.
전기 이중층 축전기의 정전 용량을 향상시키기 위해서는, 구성 부재를 연구하는 것이 중요하다. 예로서, 구성 부재의 하나인 분극성 전극용 재료에 있어서는, 재료가 큰 비표면적과 큰 겉보기 비중을 가지고, 전기화학적으로 불활성이며, 저항이 작아야 하는 것 등이 중요하다. 이러한 조건을 만족하는 재료로는 활성탄이 적절하며, 이와 같은 활성탄의 예로는 목분과 같은 식물성 재료를 탄화 및 활성화하여 수득되는 활성탄 분말이 있다는 것이 CMC 출판, "EDLC 기술 및 재료"(1998, 10, 26일 발행된 1판) p 68에 기재되어 있다.
JP-A-11-135380호는 석유 피치로부터 추출된 중간상(meso phase)을 냉각 및 고화함으로써 수득된 중간상 수지를 사용한, 즉 상기 언급된 활성탄과 다른 재료로 된 활성탄의 제조방법, 및 상기 활성탄으로 제조된 분극성 전극 및 전기 이중층 축전기를 기재하고 있다.
JP-A-10-199767호는, 석유 코우크(coke) 또는 석탄 피치 코우크를 함유하는 재료를 불활성 기체 분위기 하에서 탄화시킨 후, 이 탄화된 재료를 알칼리 금속 수산화물로 활성화하여, 정전 용량이 높은 전기 이중층 축전기용 탄소 재료를 제조하는 방법이 제안되고 있다. 또한, Nikkan Kogyo Newspaper Publishing Company(1999)에 의해 출판된 "전기 이중층 축전기 및 축전 시스템" p 82~84에서는, 석유 코우크, 중간상 탄소 섬유(MCF) 또는 불융화(infusible) 염화 비닐을 600~900℃에서 미리 열처리하고, 이 처리된 재료를 수산화 칼륨으로 활성화함으로써 수득되는 고용량 활성탄을 기재하고 있다. 상기 활성탄으로 제조된 전극은 충전시 그 두께가 1.5배~3배로 팽창된다는 것 또한 기재되어 있다. JP-A-11-317333호는 전기 이중층 축전기 전극으로서 큰 정전 용량을 나타내는 재료를 기재하고 있으며, 전압이 인가될 때 전극의 두께가 상기와 같이 팽창된다는 것을 설명하고 있다.
그러나, 이들 간행물에 기재된 활성탄은 이방성(anisotropic) 피치 즉, 중간상 피치 및 페놀 수지, 또는 석유 피치로부터 제조된 활성탄으로, 등방성 피치로 제조된 본 발명의 활성탄과는 원료가 상이하다.
전기 이중층 축전기에 사용되는 활성탄의 정전 용량은 그의 비표면적에 비례한다고 한다. 실제로, 정전 용량을 증대시키기 위하여 비표면적을 증가시키려는 시도에 따른 개발이 이루어져 왔다. 그러나, 최근 연구에서는 정전 용량을 높이기 위해서는, 비표면적 이외의 요인의 연구도 중요하다는 것이 제안되고 있다("전기화학(DENKI KAGAKU)" vol. 66, No. 12, p. 1311~1317(1988) 참조). 이러한 목적을 위해서는 비표면적을 향상시키는 것 뿐만 아니라, 사용되는 재료 또는 제조 조건의 연구도 중요하다.
JP-A-11-293527호에는, 활성탄의 재료로서 등방성 피치를 사용하는 것을 기재하고 있다. 상기 공보에서는 광학적 등방성 유형인 피치의 불융화된 섬유를 평균 입자 직경 5㎛~50㎛로 분쇄하고, 이를 알칼리로 활성화시켜 수득된 활성탄 섬유를 사용하여 정전 용량이 큰 전기 이중층 축전기를 제작하는 것을 기재하고 있다. 그러나, 상기 공보에 기재된 것과 같은 광학적 등방성 유형인 피치 섬유의 방사성(spinnability)을 유지하기 위해서는, "TANSO" No. 193, p. 180~185(2000)에 기재된 것과 같이, 활성탄의 원료로서 광학적 등방성 피치의 방사성의 저하를 일으키는 과중합된 물질 또는 휘발 물질의 생성을 억제하거나, 연화점을 미세하게 조절하는 것이 필요하다. 또한, 방사 단계에 이은 섬유 또는 부직포의 권취(winding) 단계에서 요구되는 강도를 유지하는 것이 필요하다.
상기 기재된 바와 같이, 이러한 상기 공보에 기재된 전기 이중층 축전기에서 분극성 전극으로서 사용되는 활성탄을 수득하기 위해서는, 상기 언급된 문제들을 가능한 한 회피하도록 하는, 방사 가능한 광학적 등방성 피치를 안정적으로 제조하는 것이 중요하다. 또한, 이와 같은 방사 가능한 광학적 등방성 피치를 안정적으로 제조하는 공정 및 상기 피치를 섬유화하는 공정을 수행하는 것이 필수적이다. 따라서, 복잡한 공정이 요구된다. 이로 인해, 제조 비용이 높게 된다. 공보에 개시된 방법들이 산업적으로 유리한 방법이라고 말하기는 어렵다. 섬유는 이방성 형상을 가지며, 방사시에도 배향성을 가져서, 섬유 장축 및 섬유 단축의 반응성이 서로 다르다. 따라서, 섬유의 불융화시에 섬유 표면으로부터 도입되는 산소량이 섬유의 단축 방향 및 장축 방향에서 상이할 수 있다. 섬유가 활성화될 때는 섬유의 활성화의 정도(예로서, 구조 변화)가 섬유 단축 방향과 장축 방향에서 상이할 수 있다. 섬유는 이방성 형상을 가지기 때문에, 가공성이 좋지 않을 수 있다.
충전시 크게 팽창하게 되는 재료로 제조된 전극의 팽창에 의해 축전기가 변형되어, 밀봉된 개구부로부터 전해질 용액이 흘러나올 수 있다. 따라서, 팽창을 억제하는 축전기 구조, 또는 전극 팽창에 대한 잉여 체적을 고려하는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명의 첫 번째 목적은, 큰 정전 용량을 가지고, 전극이 적게 팽창되는 활성탄 및, 섬유화 공정 또는 복잡한 공정이 필요하지 않은 활성탄의 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 두 번째 목적은, 이러한 활성탄을 이용하여 제조된 분극성 전극 및 전기 이중층 축전기를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 열성적으로 연구하였다. 그 결과, 본 발명자들은 섬유화가 필요하지 않은, 등방성 피치로 제조된 과립상의 활성탄을 이용함으로써, 상기 목적을 달성할 수 있음을 알아내었다. 이에 따라, 본 발명자들은 본 발명을 성취하였다. 즉, 본 발명은 과립상의 등방성 피치로 제조된 활성탄이다.
본 발명의 다른 측면은, 과립상의 등방성 피치가 화학 물질로 활성화되는, 활성탄의 제조방법이다.
본 발명의 또다른 측면은, 상기 활성탄과, 적어도 결합제 및 전기전도성 충진제를 혼합하여 제조된 분극성 전극이다.
본 발명의 또다른 측면은, 본질적으로 한쌍의 분극성 전극, 및 각 분극성 전극에 설치된 집전 장치, 및 전해질 용액으로 구성된 전기 이중층 축전기로, 여기에서 적어도 하나의 분극성 전극은 상기 언급된 분극성 전극이다.
바람직한 구현예의 상세한 설명
본 발명의 활성탄은 과립상의 등방성 피치로 제조되어야 한다. 이러한 등방성 피치는 천연 피치 또는 합성 피치로부터 수득할 수 있다. 천연 피치의 예는, 석유 코우크, 석탄 코우크, 피치 코우크 등의 코우크; 석유 피치, 석탄 피치 등의 피치; 및 석유 증류 잔사, 나프타 열분해 잔사, 에틸렌 바닥(bottom)유, 액화 석탄유, 콜타르(coal tar)와 같은 중유를 포함한다. 합성 피치의 예는 나프탈렌 또는 안트라센과 같은 방향족 화합물로부터 수득된 중합체를 포함한다.
등방성 피치를 제조하기 위해, 다음 방법들을 사용할 수 있다: 콜타르 피치 또는 석유의 분해 잔사유를 350~500℃에서 중간상의 소구체가 생성될 때까지 가열하고, 용제를 사용하여 중간상을 포함하는 용제 불용성 성분들을 추출제거한 후, 수득물을 다시 350~500℃에서 가열처리하는 방법; 니트로 화합물을 연화점 상승제 또는 중합 촉진제로서 이용하는 방법; 및 타르나 피치 등에 중합 촉진제로서 니트로 화합물을 첨가하고, 산소 또는 오존을 함유하는 기체를 취입하면서 수득물을 100~400℃에서 가열처리하는 방법 등. 공정을 간소하게 하기 위하여, 석탄 피치 코우크 또는 석유 코우크 등에 산소 함유 기체 및 임의의 중합 촉진제를 도입하면서 이들을 가열처리하는 것이 바람직하다. 이와같이 제조된 등방성 피치는 통상 200℃ 이상의 연화점을 갖는다.
본 발명의 가장 큰 특징은, 활성탄의 원료로서 과립상의 등방성 피치를 사용하는 것이다. 본 발명에서, 과립상의 등방성 피치는 평균 입자 직경이 10㎜ 이하, 바람직하게는 5㎜ 이하인 고형의 등방성 피치를 말한다. 본 발명에서 사용된 "과립상"이라는 표현은, 평균입자가 400㎛ 이하, 20㎛ 이하, 또는 10㎛ 이하 등의 미세한 분말도 포함한다. 등방성 피치를 이와 같은 과립 형태로 만들기 위해서는, 제조시 등방성 피치를 노즐을 통해 통과시키는 방법, 또는 등방성 피치를 덩어리 형태로 취하여 분쇄하는 등의 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 과립상의 등방성 피치를 사용함으로써 활성탄의 제조공정이 간단하게 되고, 제조 비용이 저감된다. 또한, 활성탄이 높은 정전 용량을 발현할 수 있도록 하며, 전극으로의 가공성, 및 저팽창성을 좋게 할 수 있다. 또한, 피치를 덩어리 형태로 취하여 분말 형태로 분쇄하는 공정을 채택하는 경우, 상기 공정은 이하에 설명되는 불융화 전, 열처리 전, 활성화 전, 또는 활성화 후에 실시될 수 있다. 바람직하게는, 상기 공정은 불융화 전 또는 활성화 전에 실시된다.
본 발명의 활성탄을 전기 이중층 축전기의 분극성 전극으로 만드는 경우, 활성탄의 비표면적은 50㎡/g~4000㎡/g인 것이, 활성탄이 높은 정전 용량을 발현하기 때문에 바람직하며, 보다 바람직하게는 100㎡/g~2500㎡/g이다. 이러한 비표면적은 예로서, 질소 흡착에 기초한 공지된 BET 방법에 의해 측정될 수 있다. 또한, 활성탄의 표면 관능기의 총량은 바람직하게는 2.5meq/g 이하로 설정된다. 2.5meq/g 이상의 경우, 축전기의 내구성이 저하될 수 있다. 또한, 활성탄의 표면 관능기의 총량은 염산으로 적정함으로써 용이하게 구할 수 있다.
본 발명의 활성탄에 있어서, 라만(Raman) 스펙트럼에서 비결정성 탄소의 D 밴드(1250㎝-1 부근)를 나타내는 피크의 절반 밴드 폭은, 흑연 탄소의 D 밴드(1300㎝-1 부근)를 나타내는 피크의 절반 밴드 폭 보다 바람직하게는 1~4배 더 크다. 비결정성 탄소의 D 밴드 피크 및 흑연 탄소의 D 밴드 피크는 1550㎝-1 부근 및 1350㎝-1 부근의 각 피크들을 가우스 함수를 사용하여 커브-피팅(curve-fitting) 처리하고, 이들을 4개로 나누어, 즉 비결정성 탄소의 D 밴드를 나타내는 피크, 흑연 탄소의 D 밴드를 나타내는 피크, 비결정성 탄소의 G 밴드를 나타내는 피크, 및 흑연 탄소의 G 밴드를 나타내는 피크로 나누어 수득할 수 있다. 즉, 532nm의 파장을 갖는 Nd3+ :YAG 레이저 및 CCD를 여기(exciting) 광 및 검출기로 각각 사용하는 경우, 비결정성 탄소의 D 밴드를 나타내는 피크의 절반 밴드 폭은 흑연 탄소의 D 밴드를 나타내는 피크의 절반 밴드 폭에 비해 더욱 바람직하게는 1~3.5배 크다.
과립상의 등방성 피치로부터 제조된 본 발명의 활성탄을 수득하기 위해서는, 과립상의 등방성 피치를 활성화하는 것으로 충분하다. 그러나, 높은 정전 용량을 수득하기 위해서는, 화학 물질을 이용한 활성화를 채택하는 것이 바람직하다. 본 발명의 활성탄의 제조방법에서, 피치의 표면을 부분적으로 산화하여 피치를 불융화하면(피치를 구성하는 그레인(grain)들이 그레인 표면의 산화에 의해 서로 붙지 않도록 하면), 과립체들간의 융착을 방지할 수 있다. 따라서, 활성화시에 피치가 용해되지 않도록 과립상의 등방성 피치를 미리 불융화한 후, 상기 피치를 화학 물질로 활성화하는 것이 바람직하다. 평균 입자 직경이 약 20㎛인 경우, 불융화 상태로의 전환의 기준인 피치 내 함유된 산소량은 등방성 피치의 분말도(입도)에 따라 달라지나, 바람직하게는 1.5~10중량%이다. 산소량이 10중량% 이상인 경우, 불융화시 피치의 수율이 크게 저하될 수 있다. 산소량이 1.5중량% 미만인 경우, 그레인들이 서로 융착할 수 있다.
불융화 방법은 특별히 한정되지는 않지만, 예로서 산소 함유 기체 존재하에서 피치를 가열하는 방법을 들 수 있다. 불융화 조건은 요구되는 산소 도입량, 등방성 피치의 양, 산소 기체의 분압비, 기체 유속, 온도 등에 의해 좌우된다. 일반적으로, 피치의 온도를 예로서 공기 등의 산소 함유 기체의 존재하에서, 800℃ 미만까지, 바람직하게는 250~600℃의 온도 범위로 승온시키고, 5분~15시간 정도 유지한다. 불융화 후 피치의 수율은 산소 기체의 분압비와 같은 조건에도 의존하지만, 600℃를 초과하는 경우 저하될 수 있다.
불융성의 과립상 등방성 피치는, 그대로 활성화될 수도 있으나, 휘발성 성분을 제거하기 위해, 또는 체적 당 정전 용량 향상을 위해, 불활성 기체 분위기 하에서 600℃~1000℃의 범위로 열처리될 수 있다. 열처리 온도가 고온인 경우, 충전시 전극 팽창이 커지거나, 또는 활성화가 용이하게 진행되지 않는다. 바람직하게는, 과립상의 등방성 피치를 상기 조건 하에서 불융화하고, 그 후 상기 조건에서 열처리 한 후 피치를 화학 물질로 활성화하여 활성탄으로 제조한다.
활성화 방법의 예는, 예로서 수증기, CO2 기체, 공기, 또는 LPG와 같은 연소 기체를 태운 경우 발생되는 기체, 또는 이들의 혼합 기체와 같은 산화기체로 활성화를 수행하는 방법; 및 염화 아연, 수산화 칼륨, 수산화 나트륨, 인산, 염화 칼슘, 황화 칼륨, 또는 황산과 같은 화학 물질을 첨가함으로써 활성화를 수행하는 방법이 있다. 활성화는 바람직하게는 불활성 기체, CO2 기체, 또는 수증기 함유 불활성 기체의 기류 내에서 수행된다. 불활성 기체의 기류 내에서의 활성화가 안전성 면에서 바람직하다. 이는 이러한 활성화가 연소와 같은 폭발 또는 동시 발생 반응을 방지할 수 있기 때문이다. 활성화 온도가 너무 낮으면, 활성화의 진행이 느려서 긴 활성화 시간이 요구된다. 활성화 온도가 너무 높으면, 수득되는 활성탄을 전기 이중층 축전기의 분극성 전극으로 사용하는 경우에, 생성된 세공들의 직경이 너무 클 수 있다. 따라서, 활성화 온도는 바람직하게는 600~950℃이며, 보다 바람직하게는 600~850℃이다.
활성화를 수행하기 위해 기체를 사용하는 경우, 바람직한 활성화 조건의 예는 사용된 기체의 종류 또는 기체의 분압 비에 따라 다르지만, 예로서 피치를 산화 기체 분위기 중에서 500~1000℃로 1~8시간 가열하는 조건이다. 활성화 온도가 500℃ 미만이면, 피치의 방향족화가 불충분하여 전기전도성이 불충분하게 되기 때문에, 실질적으로 수득할 수 있는 정전 용량이 낮을 수 있다. 한편, 활성화 온도가 1000℃ 초과이면, 활성화의 조절이 어려워서 균질한 활성탄을 수득하지 못할 수 있다.
피치가 화학 물질로 활성화되는 경우, 상기 화학 물질의 예들은 염화 아연, 염화 칼슘 및 염화 마그네슘과 같은 금속 염화물; 인산, 황산 및 염산과 같은 무기 산; 황산수소 칼륨, 황산수소 나트륨, 황산수소 암모늄, 인산수소 2나트륨, 인산수소 2칼륨, 인산수소 2암모늄, 인산수소 칼륨, 인산수소 나트륨, 및 인산수소 암모늄과 같은 무기산의 수소염; 황산 칼륨, 황산 나트륨, 황산 암모늄, 인산 칼륨, 인산 나트륨 및 인산 암모늄과 같은 염; 탄산 나트륨, 탄산 칼륨, 탄산 칼슘, 및 탄산 마그네슘과 같은 탄산염들; 및 황화 칼륨, 칼륨 티오시아네이트, 수산화 칼륨 및 수산화 나트륨과 같은 염들을 포함한다.
화학물질을 이용한 활성화를 본 발명에 채택한 경우, 높은 정전 용량을 제공하기 위해서는, 적어도 일부가 알칼리 금속 원소 함유 화합물, 알칼리 토금속 원소 함유 화합물, 염화아연, 황산, 또는 인산인 화학 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 화학물질로서 수산화 칼륨 또는 수산화 나트륨을 사용하는 것이 더 바람직하다. 화학물질을 이용한 활성화는 바람직하게는 500~900℃에서, 보다 바람직하게는 600~800℃에서 수행된다. 사용된 화학 물질의 양이 너무 적으면, 활성화도가 낮아서 정전 용량이 작게 되는 경향이 있다. 사용량이 너무 많으면, 피치가 과도하게 활성화되어 활성탄의 겉보기 밀도가 작게 되고, 체적 당 정전 용량이 작게 되는 경향이 있다. 따라서, 화학 물질의 양은 등방성 피치 100중량부에 대해, 바람직하게는 100~400중량부, 보다 바람직하게는 110~240중량부이다.
화학 물질 첨가시, 화학 물질은 고체 형태 그대로 활성탄과 혼합될 수 있거나, 또는 수용액 상태로 활성탄에 첨가될 수 있다. 두 말할 필요도 없이, 수용액 상태의 물질을 첨가하는 경우와 고체 형태의 물질을 첨가하는 경우는 동일한 효과를 나타낼 수 있다. 활성화시, 화학물질을 용해시키면서 활성탄과 적극적으로 혼합하는 것이 바람직하다. 이러한 조작은 활성탄의 활성도가 균일하게 되도록 할 수 있어, 정전 용량이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 활성화 온도를 유지하는 시간은 20시간 이하, 바람직하게는 10시간 이하이다.
본 발명의 활성화 공정을, 200℃ 이하에서 등방성 피치와 화학물질의 과립상 혼합물의 적어도 표면을 습윤상태로 하는 피치의 습윤화 공정과, 400℃ 이하에서 상기 습윤 상태를 소실시켜 고체 상태로 하는 피치의 고화 공정, 및 400℃ 초과의 온도에서 고체 상태를 유지하면서 열처리하는 피치의 열처리 공정을 통하여 수행하는 경우, 제조 장치의 부식이 감소될 수 있다. 따라서, 상기와 같은 경우가 바람직하다. 250℃ 이하에서 상기 습윤 상태를 소실시키는 것이 더 바람직하다. 본 발명에서 언급된 "피치의 표면이 습윤상태"라는 표현 또는 이와 유사한 표현은, 피치와 화학물질의 혼합물의 표면이 고체 상태로 유지되어지지만, 표면을 육안으로 관찰할 경우 습윤되어 보인다는 것을 의미한다. "상기 습윤 상태를 소실시켜 고체 상태로 한다"는 표현 또는 이와 유사한 표현은 고체의 표면이 건조한 상태라는 것을 의미한다.
CO2 기체, 수증기 기체 함유 CO2 기체, 불활성 기체 등을 수득된 활성탄 내로 도입하며, 이어서 상기 활성탄을 물 세척, 산 세척, 알칼리 세척, 분쇄, 과립화, 건조 등의 정제 공정, 또는 이차 가공 공정으로 공급한다. 정제 공정에서, 중금속의 양은 100ppm 이하, 바람직하게는 50ppm 이하인 것이 바람직하다. 잔존 금속의 양이 많으면, 금속이 합선을 일으킬 수 있어 바람직하지 못하다. 이와 같이, 수득된 활성탄은 카본 블랙과 같은 전기전도성 충진제, 및 결합제와 혼합하여 페이스트 상태로 만들고, 이 페이스트를 집전 장치에 도포한다. 그 후, 수득물을 프레스하여 코팅(coat) 전극을 만든다. 페이스트 또는 건조 상태에서 혼련된 재료를 시트 형태로 성형한다. 수득된 시트를 시트 전극으로서 사용한다. 혼합시, 필요에 따라 알콜 또는 N-메틸피롤리돈과 같은 유기용매, 물과 같은 용매, 분산제, 각종 첨가제들 등을 사용할 수 있다. 이러한 전극은 전기 이중층 축전기의 적어도 하나의 분극성 전극에 적합하게 사용된다. 체적 당 높은 정전 용량을 갖는 매우 유용한 전기 이중층 축전기를 수득하기 위해서는, 분극성 전극들의 각 전극밀도가 바람직하게는 0.3g/㎤ 이상, 보다 바람직하게는 0.5g/㎤ 으로 설정한다.
결합제의 예는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로 에틸렌, 비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리트리플루오로클로로 에틸렌, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 니트릴 고무, 클로로프렌 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리에스테르, 폴리아미드 및 폴리카보네이트를 포함한다. 상기 결합제는 분말 형태 또는 에멀젼 상태로 첨가될 수 있다.
본 발명에 사용된 전극용 용매의 예는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 및 프로필렌 카보네이트와 같은 카보네이트; 아세토니트릴 및 프로피오니트릴과 같은 니트릴; γ-부티로락톤, α-메틸-γ-부티로락톤, β-메틸-γ-부티로락톤, γ-발레로락톤 및 3-메틸-γ-발레로락톤과 같은 락톤; 디메틸설폭사이드 및 디에틸설폭사이드와 같은 설폭사이드; 디메틸포름아미드, 및 디에틸포름아미드와 같은 아미드; 테트라하이드로푸란 및 디메톡시에탄과 같은 에테르; 및 디메틸 설포란 및 설포란과 같은 설포란류를 포함한다. 이들 유기 용매들은 단독으로 사용될 수 있거나, 또는 상기 용매들로부터 선택된 둘 이상의 용매를 포함하는 혼합 용매가 사용될 수 있다.
이러한 유기 용매에 용해되는 전해질의 예는 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필 암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 트리메틸에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 디에틸디메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, N-에틸-N-메틸피롤리디늄 테트라플루오로보레이트, N,N-테트라메틸렌피롤리듐 테트라플루오로보레이트 및 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 테트라플루오로보레이트와 같은 암모늄 테트라플루오로보레이트; 테트라에틸 암모늄 퍼클로레이트, 테트라메틸 암모늄 퍼클로레이트, 테트라프로필 암모늄 퍼클로레이트, 테트라부틸 암모늄 퍼클로레이트, 트리메틸에틸 퍼클로레이트, 트리에틸메틸 암모늄 퍼클로레이트, 디에틸디메틸 암모늄 퍼클로레이트, N-에틸-N-메틸피롤리디늄 퍼클로레이트, N,N-테트라메틸렌피롤리듐 퍼클로레이트 및 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 퍼클로레이트와 같은 암모늄 퍼클로레이트; 테트라에틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트, 테트라메틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트, 테트라프로필 암모늄 헥사플루오로포스페이트, 테트라부틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트, 트리메틸에틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트, 트리에틸메틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트 및 디에틸디메틸 암모늄 헥사플루오로포스페이트와 같은 암모늄 헥사플루오로포스페이트; 리튬 헥사플루오로포스페이트; 및 리튬 테트라플루오로보레이트를 포함한다.
전해질의 농도는 바람직하게는 0.5 내지 5몰/리터(M/L), 특히 바람직하게는 1 내지 2.5M/L이다. 전해질의 농도가 0.5M/L 미만이면, 정전 용량이 저하될 수 있다.
상기 기재한 것과 같이, 본 발명의 활성탄은 결합제 및 전기전도성 충진제와 용매내에서 혼합되어, 수득된 용액을 공지된 방법에 의해 코팅 전극 또는 시트 전극과 같은 분극성 전극으로 제조함으로써 사용될 수 있다. 전기 이중층 축전기는 한 쌍의 그러한 분극성 전극, 각 분극성 전극에 설치된 집전 장치, 및 전해질 용액으로 구성될 수 있으며, 코팅 전극 또는 시트 전극이 적어도 하나의 분극성 전극으로서 사용될 수 있다. 전기 이중층 축전기에 있어서, 기계적 강도의 관점에서 충전 및 방전후의 분극성 전극들의 팽창률은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 본 발명의 전기 이중층 축전기에 있어서, 충전 및 방전 후의 이의 분극성 전극들의 팽창률은 바람직하게는 40% 이하, 보다 바람직하게는 0~20%이다. 따라서, 전기 이중층 축전기는 저팽창성 면에서 뛰어나다.
전기 이중층 축전기의 예의 개요도는 도 1에 나타낸 바와 같다. 도 2는 본 발명의 전기 이중층 축전기의 또 다른 예를 나타내고 있다. 참조번호 8과 9는 각각 압력 조절 스프링 및 압력판을 나타낸다. 이하에서, 본 발명은 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명될 것이다. 그러나, 본 발명이 이들 실시예에 제한되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
석탄 피치 코우크로부터 수득된, 산소 농도 1.5%의 등방성 피치(연화점: 297℃)를 불융화하고 분쇄하여, 평균 입자 크기가 20㎛인 등방성 피치 분말을 제조하였다. 수득된 불융화 등방성 피치 분말(산소 농도: 3.0%) 6g 및 분쇄된 수산화 칼륨 12g을 Hastelloy로 제조된, 내경 47㎜의 원통형 반응관 내에 넣었다. 상기 계의 온도를, 질소류 내에서(유속: 300㎖/분) 200℃/시간의 속도로, 200℃에서 700℃로 상승시켰다. 그 후, 상승된 온도를 1시간 동안 유지하여 등방성 피치를 활성화하였다. 관 내의 내용물이 슬러리 상태로 존재하는 동안, 즉 오븐 온도가 390℃에 도달한 후, 내용물을 30분 동안 교반하였다. 활성화 후, 내용물을 냉각하고, CO2기체를 반응관 내로 도입하였다.
그 후, 질소 기체를 순수(pure water)가 담긴 병 내로 통과시키고, 수증기 함유 질소기체를 반응관 내로 도입하였다. 수성 알칼리 세척, 물 세척, 및 0.1N 염산 용액 세척을 수행하고, 이어서 물 세척을 반복하여 금속 성분들을 제거하였다. 그 후, 세척된 생성물을 열풍 건조기 및 진공 건조기로 건조시켜 활성탄을 수득하였다. 활성탄의 비표면적을 측정하였다. 그 결과는 2060㎡/g이었다. 또한, 에탄올 내의 소듐 에톡사이드의 0.1M/L 용액 25㎖를 활성탄 500㎎에 첨가하였다. 이 용액을 16시간 동안 교반한 후, 용액을 여과하고 0.1N 염산으로 적정하였다. 이런 방법으로, 활성탄 단위 중량 당 활성탄 표면의 모든 관능기들의 양을 계산하였다. 그 결과는 1.9meq/g이었다. 활성탄의 라만 스펙트럼을 Kaiser사 제품인 라만 분광광도계 Holoprobe 532(여기광: 532nm 파장의 Nd3+: YAG 레이저, 검출기: 전하 커플된 장치, 및 레이저 파워: 4~10mW)로 측정하였다. 가우스 함수를 사용하여 피크 분할을 수행하였다. 비결정성 탄소의 D 밴드를 나타내는 피크의 절반 밴드폭을 흑연 탄소의 D 밴드를 나타내는 피크의 절반 밴드폭으로 나누었다. 수득된 값(이하에서 D 비율이라고 약술함)은 2.8이었다. N=3의 조건하에서 상기 측정을 수행하였다. 이의 평균 값을 채택하였다.
이 활성탄에 폴리테트라플루오로에틸렌["Teflon 6J"(상표명; DUPONT-MITSUI FLUOROCHEMICALS 제품)] 및 전기전도성 충진제["Denka Black"(상표명; Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha 제품)]를, 활성탄: 폴리테트라플루오로에틸렌: 전기전도성 충진제의 비가 81: 10: 9(중량비)가 되도록 첨가하였다. 상기 혼합물 을 혼련하여 시트로 만들었다. 이 시트를 천공하여 직경 11㎜인, 원형의 분극성 전극을 수득하였다. 이 전극들을 진공 건조하여, 이슬점이 -80℃ 이하인 글로브(glove) 박스로 옮겼다. 이후의 셀 제작에 관련된 작업을 상기 글로브 박스 내에서 수행하였다. 분극성 전극들의 전극 밀도를 계산하기 위하여, 건조 후 전극들의 두께 및 중량을 측정하였다.
사용하기 위한 전해질 용액은 프로필렌 카보네이트 내의 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트의 1M/L 용액을 사용하였다. 분극성 전극들을 진공내에서 30분 동안 전해질 용액에 침지시켰다. 세퍼레이터로서, 천공하여 직경을 13㎜로 만든 유리 여과기["GB100R"(상표명: Toyo Roshi Kaisha, Ltd. 제품] 두 개를 사용하였다. 이들 부재들 및 Hohsen Corp.의 HS 셀 제품을 사용하여 축전기를 만들었다. 제작된 축전기를 충전 전압 2.7V 및 충전 전류 3mA로 충전시켰다. 그 후, 1mA 전류가 수득될 때까지, 축전기를 2.7V의 일정 전압으로 충전시켰다. 이후, 상기 축전기를 3mA의 일정 전류로 방전시켰다. 이 과정을 반복하였다. 6번째 반복시의 1.2V 에서 1.0V 로의 경사(inclination)로부터, 축전기의 정전 용량을 구하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. 충전 및 방전 후, 상기 전극들을 빼내어 다음 식으로부터 전극들의 팽창률을 계산하였다:
(충전 및 방전 후 전극 두께 - 전해질 용액 내로의 침지 전의 전극 두께)/(전해질 용액 내로의 침지 전의 전극 두께)
실시예 2
계의 온도를 3시간 동안 200℃에서 800℃로 상승시키고, 상승된 온도를 2시 간 동안 유지시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 활성탄을 제조하였다(수율: 74%). 전극 밀도, 정전 용량, 비표면적 및 총 관능기수에 관한 결과들 및 D 비율을 표 1에 나타내었다.
실시예 3
산소농도가 5%이고, 연화점이 262℃이며, 평균 입자 직경이 12㎛인, 불융화된 등방성 피치를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 활성탄을 제조하였다. 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 4
실시예 3에 사용된 등방성 피치를 석영 유리 보트에 올려 놓고, 이 보트를 내경이 4.7㎝인 관형 반응로에 도입하였다. 반응로의 온도를 질소류(유속: 500㎖/분) 내에서 200℃/시의 속도로 700℃까지 상승시키고, 이 상승된 온도를 2시간동안 유지하였다. 그 후, 피치를 냉각시키고, 평균 직경 6㎛인 분말로 분쇄하였다. 이에 따라, 열처리된 등방성 피치를 수득하였다(수율: 80%). 활성화는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 활성탄을 수득하였다. 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 5
실시예 4의 열처리된 등방성 피치의 온도를 200℃/시의 속도로 200℃에서 650℃로 상승시키고, 이를 2시간 동안 유지하여 활성화를 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 활성탄을 제조하였다(수율: 73%). 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 6
실시예 1에서 사용된 등방성 피치의 온도를 200℃/시의 속도로, 600℃로 상승시킨 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법을 수행하여 열처리된 등방성 피치를 수득하였다(수율: 84%). 이 물질을 실시예 1과 동일한 방법으로 활성화시켜 활성탄을 제조하였다(수율: 65%). 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 7
실시예 1에서 사용된 물질의 온도를 200℃/시의 속도로, 800℃까지 상승시킨 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법을 수행하여, 열처리된 등방성 피치를 수득하였다(수율:79%). 이 물질을 실시예 1과 동일한 방법으로 활성화시켜 활성탄을 제조하였다(수율:79%). 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 8
산소농도가 3%이고, 연화점이 297℃인, 불융화된 등방성 피치의 온도를 200℃/시의 속도로, 950℃로 상승시킨 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법을 수행하여 열처리된 등방성 피치를 수득하였다(수율: 74%). 이 물질을 실시예 1과 동일한 방법으로 활성화시켜 활성탄을 제조하였다. 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 9
불융화되지 않은 등방성 피치(산소 농도: 1.5%)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 활성탄을 제조하였다(수율:75%). 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 10
불융화되지 않은 등방성 피치(산소 농도: 1.5%)의 온도를 200℃/시의 속도로, 700℃로 상승시키고, 이 온도를 2시간 동안 유지하여 열처리된 등방성 피치를 수득하였다. 이 물질을 실시예 1과 동일한 방법으로 활성화시켜 활성탄을 제조하였다. 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 11
실시예 1의 등방성 피치 5g에 분쇄된 수산화 칼륨 10g을 첨가한 후, 상기 피치를 질소류(유속: 300㎖/분) 내에서 교반하면서, 피치의 온도를 2℃/분의 승온 속도로 160℃로 상승시켰다. 따라서, 피치의 표면은 습윤상태로 되었다. 상기 피치를 그 후 160℃에서 2시간동안 유지하여, 습윤 상태를 소실시켜 피치를 고체 상태로 만들었다. 덩어리 형태의 시료를 질소류(유속: 50㎖/분) 내에서 SUS304로 만들어진 판 위에 놓았다. 피치의 온도를 200℃/시의 속도로 700℃로 상승시켰다. 상승된 온도를 그 후 1시간 동안 유지시켜 활성화를 완료하였다. 활성화의 완료시까지, 피치의 형태는 고체였다. 활성화 후, 피치를 냉각하고 관형 반응로 내에 CO2 기체를 도입하였다. 그 후, 질소기체를 순수가 담긴 공기 세척 병내로 통과시키고, 수증기 함유 질소 기체를 반응관 내로 도입하였다. 수성 알칼리 세척, 물 세척, 및 0.1N 염산 용액 세척을 수행하고, 이후 물 세척을 반복하였다. 그 후, 세척된 생성물을 열풍 건조기 및 진공 건조기에서 건조하여 활성탄을 수득하였다. 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다. 활성탄을 습식 분해하고, 유도 결합 플라즈마(ICP) 측정장치(Jarrell Ash의 제품인 ICP 광학 방출 분광계 IRISAP)를 사용하여, 활성탄 내에 함유된 금속의 양 및 실시예 1의 활성탄 내에 함유된 금속의 양을 측정하였다. 이 결과들을 표 2에 나타내었다.
실시예 12
실시예 4에 사용된 등방성 피치의 온도를 200℃/시의 속도로 200℃에서 600℃로 상승시키고, 피치를 600℃에서 5시간 동안 유지하여 피치를 활성화시킨 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 활성탄을 제조하였다(수율: 82%). 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 13
분쇄된 수산화 나트륨 12g (등방성 피치 100중량부에 대해 200중량부)을 활성화제로서 실시예 4에 사용된 물질에 첨가하고, 수득된 혼합물의 온도를 2시간 동안 200℃에서 600℃로 상승시킨 후, 이 상승된 온도를 2시간 동안 유지시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 활성탄을 제조하였다(수율: 91%). 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 14
평균 입자 직경이 10㎜인 등방성 피치(산소 농도: 1.5%) 6g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 활성탄을 제조하였다. 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 15
사용된 수산화 칼륨의 양을 6g(등방성 피치 100중량부에 대해 100중량부)으로 한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 활성탄을 제조하였다(수율:85%). 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 16
사용된 수산화 칼륨의 양을 9g(등방성 피치 100중량부에 대해 150중량부)으로 한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 활성탄을 제조하였다(수율: 71%). 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 17
실시예 1의 등방성 피치 6g을 사용하고, 수산화 칼륨 24g(등방성 피치 100중량부에 대해 400중량부)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 활성탄을 제조하였다(수율: 48%). 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 18
실시예 4에 사용된 등방성 피치의 온도를 200℃/시의 속도로, 200℃에서 500℃로 상승시키고, 500℃에 도달한 직후 피치를 냉각시켜 활성화시킨 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 활성탄을 제조하였다(수율: 87%). 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 19
실시예 4에 사용된 등방성 피치 5g을 석영 유리 보트에 올려놓고, 이 보트를 직경 4㎝의 관형 반응로 내에 도입하였다. 상기 계를 수증기와 질소의 혼합 기체류 내에서 4시간 동안 850℃로 유지시켰다. 수증기 및 질소의 유속을 각각 0.15㎖/분 및 100㎖/분(25℃에서의 환산값들임)으로 조절하였다(수율: 48%). 수득한 생성물을 냉각시키고, 물로 세척한 후, 건조하여 활성탄을 수득하였다. 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
비교예 1
탄화된 코코넛 껍질 10g을 석영 유리 보트 위에 놓고, 이 보트를 직경 4㎝의 관형 반응로 내에 도입하였다. 이 계를 수증기 및 질소의 혼합기체류 내에서 1시간 동안 700℃로 유지시켰다. 수증기의 분압 비율을 0.67로 조절하였다. 수득된 생성물을 냉각시키고, 물로 세척한 후, 건조하여 활성탄을 수득하였다(수율: 72%). 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다. 결과가 증명해 주듯이, 실시예 1 내지 19의 활성탄의 정전 용량이 비교예 1의 코코넛 껍질 유형의 활성탄의 정전 용량보다 높았다.
비교예 2
천연 중간상 피치["MPM-BL"(상표명: Adchemco Corp.사 제품)] 10g을 석영 유리 보트 위에 놓고, 이 보트를 직경 4㎝의 관형 반응로 내에 도입하였다. 이 계의 온도를 질소류(유속: 500㎖/분) 내에서 4시간 동안 800℃로 상승시켰다. 상승된 온도를 2시간 동안 유지시켰다. 그 후, 이 계를 냉각시켜 열처리된 중간상 피치를 수득하였다(수율: 72%). 실시예 1과 동일하게 활성화를 수행하여 활성탄을 제조하였다. 상기 언급한 항목들에 대한 결과를 표 1에 나타내었다. 결과가 증명해 주듯이, 실시예 1 내지 19의 활성탄의 전극 팽창 비율이 비교예 2의 중간상 피치형 활성탄의 전극 팽창 비율보다 낮았다.
Figure 112001018430124-pat00004
Figure 112001018430124-pat00002
본 발명에 의해, 과립상의 등방성 피치로 제조된 활성탄, 및 그의 제조방법을 제공하는 것이 가능하다. 본 발명의 활성탄을 분극성 전극으로 만들고, 이 전극들을 전류 전극 및 전해질 용액과 조합함으로써, 정전 용량이 크고, 충전시 전극의 저팽창성이 뛰어난 축전기를 제조할 수 있다.

Claims (27)

  1. 평균 입자 직경이 10㎜ 이하인 과립상의 등방성 피치(pitch)로 제조되며, 비표면적이 100㎡/g~4000㎡/g이고, 라만(Raman) 스펙트럼에서 비결정성 탄소의 D 밴드를 나타내는 피크의 절반 밴드 폭이 흑연 탄소의 D 밴드를 나타내는 피크의 절반 밴드 폭의 1~4배인 것을 특징으로 하는 활성탄.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 표면 관능기의 총량이 2.5meq/g 이하인 것을 특징으로 하는 활성탄.
  5. 삭제
  6. 과립상의 등방성 피치를 화학 물질로 활성화하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  7. 과립상의 등방성 피치를 불융화한 후, 화학 물질로 활성화하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  8. 과립상의 등방성 피치를 열처리한 후, 화학 물질로 활성화하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  9. 과립상의 등방성 피치를 불융화하고, 열처리한 후, 화학 물질로 활성화하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 열처리 온도가 600℃~1000℃인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  11. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화학 물질의 적어도 일부가 알칼리 금속 원소를 포함하는 화합물, 알칼리 토금속 원소를 포함하는 화합물, 염화아연, 황산 또는 인산인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  12. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화학 물질은 수산화 칼륨 또는 수산화 나트륨인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  13. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화학 물질을 이용한 활성화 온도는 500~900℃인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  14. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 사용된 화학물질의 양은 등방성 피치 100중량부에 대해 100 내지 400 중량부인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  15. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성화 공정이, 200℃ 이하에서 등방성 피치의 적어도 표면을 습윤 상태로 하는 피치의 습윤화 공정, 400℃ 이하에서 습윤 상태를 소실시켜 고체상태로 만드는 피치의 고화 공정, 및 400℃ 초과의 온도에서 고체 상태를 유지하면서 고체를 열처리하는 피치의 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  16. 제 1 항에 기재된 활성탄과, 적어도 결합제 및 전기전도성 충진제를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 분극성 전극.
  17. 제 16 항에 있어서, 페이스트 상의 혼합물을 도포함으로써 수득된 코팅(coat) 전극인 것을 특징으로 하는 분극성 전극.
  18. 제 16 항에 있어서, 혼합물을 시트(sheet)상으로 성형하여 수득된 시트 전극인 것을 특징으로 하는 분극성 전극.
  19. 제 16 항에 있어서, 전극밀도가 0.3g/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 분극성 전극.
  20. 한 쌍의 분극성 전극, 각 분극성 전극에 설치된 집전 장치, 및 전해액으로 본질적으로 구성된 전기 이중층 축전기로서, 상기 분극성 전극들 중 하나 이상이 제 16 항에 따른 분극성 전극인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 축전기.
  21. 제 20 항에 있어서, 충전 및 방전 후의 분극성 전극의 팽창률이 40% 이하인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 축전기.
  22. 제 10 항에 있어서, 상기 화학 물질은 수산화 칼륨 또는 수산화 나트륨인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  23. 제 11 항에 있어서, 상기 화학 물질은 수산화 칼륨 또는 수산화 나트륨인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  24. 제 12 항에 있어서, 상기 화학 물질을 이용한 활성화 온도는 500~900℃인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  25. 제 12 항에 있어서, 사용된 화학물질의 양은 등방성 피치 100중량부에 대해 100 내지 400 중량부인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  26. 제 12 항에 있어서, 상기 활성화 공정이, 200℃ 이하에서 등방성 피치의 적어도 표면을 습윤 상태로 하는 피치의 습윤화 공정, 400℃ 이하에서 습윤 상태를 소실시켜 고체상태로 만드는 피치의 고화 공정, 및 400℃ 초과의 온도에서 고체 상태를 유지하면서 고체를 열처리하는 피치의 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
  27. 제 12 항에 기재된 제조방법에 따라 제조된 활성탄과, 적어도 결합제 및 전기전도성 충진제를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 분극성 전극.
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