KR101350445B1 - 탄소 재료의 후처리 방법 및 그에 의해 제조되는 커패시터전극용 탄소 재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 재료, 바람직하게는 활성탄의 후처리 방법 및 그에 의해 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료, 바람직하게는 활성탄에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄소 재료 100 중량부에 퀴놀린 100 중량부 이상, 바람직하게는 100 내지 150 중량부를 첨가하여 혼합한 후, 이 혼합물을 열처리함으로써 정전용량이 높은 탄소 재료를 제공하는 후처리 방법 및 그에 의해 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료에 관한 것이다.

커패시터, 전극, 탄소, 후처리, 퀴놀린, 활성탄

Description

탄소 재료의 후처리 방법 및 그에 의해 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료{A method of post-heat treatment of carbon material and a carbon material for electrode of capacitor prepared by the same}

본 발명은 탄소 재료, 바람직하게는 활성탄의 후처리 방법 및 그에 의해 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료, 바람직하게는 활성탄에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄소 재료 100 중량부에 퀴놀린 100 중량부 이상, 바람직하게는 100 내지 150 중량부를 첨가하여 혼합한 후, 이 혼합물을 열처리함으로써 정전용량이 높은 탄소 재료를 제공하는 후처리 방법 및 그에 의해 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료에 관한 것이다.

커패시터의 정전용량은 전극의 표면적, 단위 면적당의 전극 저항 등에 의해 주로 지배된다. 따라서, 실용적인 측면에서는 전극을 구성하는 재료의 단위 체적당 정전용량을 높게 하고, 전기 이중층 커패시터의 체적을 적게 하기 위하여 전극 재료 자체의 밀도를 높이는 것이 중요하다.

커패시터 전극용 탄소 재료로서 주로 사용되는 활성탄은, 통상적으로 석탄, 석탄 코크스, 목재, 야자껍질, 피치 등의 원료 물질을 수증기, 가스 등의 산성 조 건하에서 활성화시키거나, 또는 수산화칼륨과 같은 강산화력을 갖는 약품에 의해 활성화시켜 제조된다.

일본공개특허 평6-144817호에는 활성탄의 정전용량을 높이는 방법이 개시되어 있다. 이 특허에서는 높은 비표면적의 활성탄을 제조하기 위해 탄소원료와 수산화칼륨 등의 활성화제를 1:2 내지 1:8의 중량비율로 공급하고, 불활성 가스 분위기 또는 감압 하에서 450∼550℃ 이하의 온도로 연속처리를 행한 후, 다시 불활성 가스 분위기 하에서 600∼1000℃ 이하의 온도로 연속 활성화 처리함으로써 높은 비표면적의 활성탄을 연속식으로 제조하는 방법을 개시하고 있다.

그러나, 이 제조방법으로 제조된 활성탄의 경우, 초기 정전용량은 양호하나 반복 충방전에 따른 정전용량의 감소가 너무 커서 바람직하지 못하며. 결국 정전용량이 열악한 저급 활성탄으로 분류된다.

따라서, 간단한 후처리를 통하여 커패시터 전극용 탄소 재료, 바람직하게는 활성탄의 정전용량을 높일 수 있는 기술에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 본 발명의 목적은, 화학활성법 또는 스팀활성법 등에 의하여 제조된 커패시터 전극용 탄소 재료의 정전용량을 높일 수 있는 간단하고 효율적인 탄소 재료의 후처리 방법 및 그에 의해 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 첫번째 측면에 따르면, (1) 탄소 재료 100 중량부에 퀴놀린 100 중량부 이상을 첨가하여 혼합하는 단계; 및 (2) 상기 (1)단계에서 얻어진 혼합물을 600 ℃ 이하의 온도에서 열처리하는 단계를 포함하는 탄소 재료의 후처리 방법이 제공된다.

또한 본 발명의 두번째 측면에 따르면, 본 발명의 상기 후처리 방법에 의하여 제조되며, 질소의 함량이 3중량% 내지 8중량%인 것을 특징으로 하는 커패시터 전극용 탄소 재료가 제공된다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 있어서, 상기 탄소 재료로는 활성탄이 바람직하게 사용되며, 상기 활성탄은 석탄, 석탄 코크스, 목재, 야자껍질, 피치 등의 원료 물질을 수증기, 가스 등의 산성 조건하에서 활성화시키거나(스팀활성법), 또는 수산화나트륨, 수산화칼륨과 같은 강산화력을 갖는 약품에 의해 활성화시켜(화학활성법) 제조될 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 원료 물질과 수산화칼륨(KOH)을, 원료물질:KOH = 4:1의 중량비로 혼합한 후, 700 ℃에서 열처리하여 얻어진 활성탄을 상기 탄소 재료로서 사용한다.

본 발명에서 사용가능한 활성탄은 1000 ㎡/g 내지 2500 ㎡/g 정도의 비표면적을 갖는 것이 일반적이나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 상기 탄소 재료와 혼합되는 퀴놀린의 양은 탄소 재료 100 중량부당 100 중량부 이상이다. 퀴놀린의 사용량이 탄소 재료 100 중량부당 100 중 량부 미만이면 퀴놀린이 탄소 재료에 충분히 접촉하지 못하게 되어 퀴놀린과 활성탄 간의 효과적인 반응을 기대하기 어렵다. 한편, 퀴놀린 첨가에 의한 탄소 재료의 정전용량 개선효율을 극대화하기 위해서는 탄소 재료 100 중량부당 100 내지 150 중량부의 퀴놀린이 사용되는 것이 바람직하다.

상기 탄소 재료와 퀴놀린의 혼합에는 혼련기 등과 같은 공지의 혼합 설비 내지 방법이 제한없이 사용될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 탄소 재료와 퀴놀린의 혼합물은 600 ℃ 이하의 온도에서 열처리를 거치게 되는데, 열처리 온도는 300 ℃ 내지 600 ℃인 것이 정전용량 개선 효율의 측면에서 보다 바람직하다. 열처리 온도가 600℃를 초과하면 탄소 재료와 퀴놀린에 의하여 생성된 질소 반응물이 활성탄 내에 고정되기 보다는 열분해되어 손실되기 쉬우므로 바람직하지 못하다.

본 발명의 후처리 방법에 따르면, 퀴놀린 존재하에서의 열처리에 의하여 질소 관능기 및 질소 구조체에 의한 기공을 포함하는 탄소 재료가 얻어지는데, 이러한 탄소 재료는 바람직하게는 3중량% 내지 8중량%의 질소 함량을 가지며, 정전용량이 우수하기 때문에 커패시터 전극용 재료로서 특히 적합하다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1~7 및 비교예 1~4]

비표면적이 1328 ㎡/g인 활성탄 100 중량부에 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 양의 퀴놀린을 첨가하여 충분히 혼합한 후, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 온도로 1 시간 동안 박스 로 내에서 열처리하였다.

열처리 후 얻어진 활성탄의 물성을 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

물성측정방법

- 질소 함량: 열전도도법에 의거 CHNOS 분석기를 사용하여 측정.

- 비표면적: BET 법에 의거 BET 측정 장비를 사용하여 측정.

- 정전용량: 정전류법에 의거 충방전 장비를 사용하여 측정.

	퀴놀린 함량 (중량부)	열처리온도 (℃)	질소 함량 (중량%)	비표면적 (㎡/g)	정전용량 (F/cc)
실시예 1	100	500	3.27	1598	65.4
실시예 2	125	500	6.91	1644	67.7
실시예 3	150	500	8.10	1685	68.3
실시예 4	175	500	7.94	1621	68.1
실시예 5	125	300	6.57	1387	63.2
실시예 6	125	400	7.94	1825	66.8
실시예 7	125	600	3.27	1276	65.4
비교예 1	0	500	1.65	1211	60.8
비교예 2	75	500	2.56	1365	61.9
비교예 3	125	열처리 안함	2.12	1328	62.5
비교예 4	125	700	0.47	1054	59.4

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예 1~7의 경우, 비교예 1∼4에 비하여 모두 우수한 정전용량을 나타내었다. 반면, 활성탄 100 중량부당 퀴놀린 첨가량이 100 중량부 미만인 경우(비교예 1 및 2), 및 퀴놀린 첨가량은 100 중량부 이상이더라도 열처리를 하지 않거나(비교예 3) 또는 600℃를 초과하는 온도에서 열처리한 경우(비교예 4) 모두 만족스럽지 못한 낮은 정전용량을 나타내었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 정전용량이 높은 커패시터 전극용 탄소 재료를 간단하고 또한 효율적으로 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. (1) 활성탄 100 중량부에 퀴놀린 100 중량부 이상을 첨가하여 혼합하는 단계; 및 (2) 상기 (1)단계에서 얻어진 혼합물을 600 ℃ 이하의 온도에서 열처리하여 퀴놀린으로부터 유래된 질소를 3중량% 내지 8중량% 포함하는 탄소 재료를 얻는 단계를 포함하는, 커패시터 전극용 탄소 재료의 후처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 활성탄 100 중량부당 퀴놀린의 첨가량이 100 내지 150 중량부인 것을 특징으로 하는 후처리 방법.
3. 제1항에 있어서, 열처리 온도가 300 ℃ 내지 600 ℃인 것을 특징으로 하는 후처리 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 후처리 방법에 의하여 제조된 커패시터 전극용 탄소 재료.
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