KR101408206B1 - 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법 - Google Patents

전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법 Download PDF

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Abstract

전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법이 개시되어 있다. 본 발명은, 활성탄 표면에 작용기를 부여하고 불순물을 제거하는 활성탄 전처리 단계; 상기 활성탄 전처리 단계를 마친 활성탄을 요소화합물을 통해 표면에 펩티드 결합반응을 유도하는 반응단계; 및 합성된 표면을 탄소성분으로 변형하는 탄화단계;를 포함하는 것을 특징으로 하여, 활성탄의 전기화학적 특성을 변화시켜 저항 감소와 정전 용량의 향상 특성을 강화시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법{Modify method of surface of activated carbon for electric double layer capacitor}
본 발명은 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법에 관한 것으로, 활성탄의 표면 작용기를 질소성 작용기로 변환시켜 정전 용량 향상과 저항 감소의 특성을 부여할 수 있도록 한 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법에 관한 것이다.
전기이중층 커패시터는 높은 비표면적의 활성탄을 이용하여 전해액 내의 이온이 표면에 전기이중층을 형성하면서 전기에너지를 저장하는 장치로서, 전극 물질로 사용되는 활성탄의 표면 작용기에 많은 영향을 받는다.
기존의 전기이중층 커패시터의 전극 물질로 사용되는 활성탄의 표면 작용기는 산소를 포함하고 있으며, 이는 전해액과의 반응으로 싸이클 성능 감소와 저항 증가의 원인으로 알려져 있다.
본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 활성탄 표면 작용기를 활성탄 개질을 통해 제거함으로써, 활성탄의 전기화학적 특성을 변화시켜 저항 감소와 정전 용량의 향상 특성을 강화시킬 수 있도록 하는 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법은, 활성탄 표면에 작용기를 부여하고 불순물을 제거하는 활성탄 전처리 단계; 상기 활성탄 전처리 단계를 마친 활성탄을 요소화합물을 통해 표면에 펩티드 결합반응을 유도하는 반응단계; 및 합성된 표면을 탄소성분으로 변형하는 탄화단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 활성탄 전처리단계는,
황산과 질산의 비율이 부피비로 1∼3 : 1로 혼합하여 2시간 동안 상온 상에서 교반하는 단계; 상기 혼합산을 이용하여 처리된 활성탄을 수세하는 단계; 및 처리된 활성탄을 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응단계는,
상기 전처리단계에서 산 처리된 활성탄을 요소화합물이 용해되어 있는 용매에 첨가하여 교반하는 단계; 활성탄과 요소화합물이 혼합된 상태에서 포름산(Formic acid)을 첨가하여 교반한 후 상온에서 침지하여 숙성하는 단계; 숙성된 활성탄은 원심분리기를 이용하여 용매와 분리하는 단계; 분리된 활성탄을 수세 과정을 거쳐 회수하는 단계; 및 회수된 활성탄을 1∼2M 농도의 염산에 첨가하여 24시간 침지하고 재 수세하여 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄화단계는, 상기 반응단계를 통해 제조된 활성탄을 질소분위기에서 400∼600℃ 온도로 탄화시키는 것을 특징으로 한다.
상기 반응단계에서, 요소화합물은 우레아(Urea), 티오우레아(Thiourea) 및 우레아 수지(Urea Resin)으로부터 선택된 2개의 아민기를 포함한 물질인 것을 특징 으로 한다.
본 발명에 따르면, 활성탄의 전기화학적 특성을 변화시켜 저항 감소와 정전 용량의 향상 특성을 강화시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 (a)활성탄, (b)우레아(Urea)를 도입한 활성탄, 및 (c)500℃에서 소성과정을 거친 활성탄의 표면사진이다.
도 2는 (a)Urea를 도입한 활성탄, 및 (b)500℃에서 소성과정을 거친 활성탄의 XPS를 이용한 표면 작용기 분석결과 그래프이다.
도 3은 활성탄과 Urea를 도입한 활성탄과 500℃에서 소성과정을 거친 활성탄의 순환전류전압법을 이용한 전극특성 평가 결과 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법은, 활성탄 표면에 작용기를 부여하고 불순물을 제거하는 활성탄 전처리 단계; 상기 활성탄 전처리 단계를 마친 활성탄을 요소화합물을 통해 표면에 펩티드 결합반응을 유도하는 반응단계; 및 합성된 표면을 탄소성분으로 변형하는 탄화단계를 포함하여 이루어진다.
상기 반응단계에서 요소화합물은 우레아(Urea), 티오우레아(Thiourea) 및 우레아 수지(Urea Resin)으로부터 선택된 2개의 아민기를 포함한 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법에 대하여 단계별로 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
<활성탄 전처리 단계>
활성탄 전처리 단계는 혼합산을 이용하여 불순물 제거와 활성탄 표면에 Urea가 중합될 수 있도록 OH- 작용기를 부여하는 공정이다.
1. 황산과 질산의 비율이 부피비로 1∼3 : 1로 혼합하여 약 2시간 동안 상온 상에서 교반한다.
교반 시간은 2시간이 적정하며, 그 이상일 경우 강산의 과다 작용으로 표면 작용기가 과다하게 변화하거나, 활성탄의 기공을 붕괴시켜 특성 저하를 이룬다.
2. 상기 혼합산을 이용하여 처리된 활성탄을 수세한다.
수세 과정은 폐수가 pH7이 될 때까지 산을 완전히 제거함으로써 완성된다.
3. 처리된 활성탄을 건조한다.
처리된 활성탄의 수분을 제거하기 위하여, 약 60℃에서 24시간 이상 건조한다.
<반응단계>
1. 상기 전처리단계에서 산 처리된 활성탄을 요소화합물이 용해되어 있는 용매에 첨가하여 교반한다.
약 2시간 동안 교반하면서 분산시켜 요소화합물이 활성탄의 표면에 잘 흡착할 수 있도록 한다. 상기 요소화합물은 우레아(Urea), 티오우레아(Thiourea) 및 우레아 수지(Urea Resin)으로부터 선택된 2개의 아민기를 포함한 물질을 사용할 수 있다.
2. 활성탄과 요소화합물이 혼합된 상태에서 포름산(Formic acid)을 첨가하여 교반한 후 상온에서 침지하여 숙성한다.
포름산을 소량 첨가하여 약 2시간 교반 후 24시간 동안 상온에서 침지하여 숙성한다.
3. 숙성된 활성탄은 원심분리기를 이용하여 용매와 분리한다.
4. 분리된 활성탄을 수세 과정을 거쳐 회수한다.
5. 회수된 활성탄을 1∼2M 농도의 염산에 첨가하여 24시간 침지하고 재 수세하여 건조한다.
<탄화단계>
1. 제조된 활성탄을 질소분위기에서 400∼600℃ 온도로 탄화시킨다.
활성탄 표면 Urea에 포함되어 있는 탄소재의 제거 및 산처리에 의해 형성된 미반응 작용기의 제거를 목적으로 약 5시간 동안 소성을 진행한다.
상기와 같은 방법으로 표면개질된 활성탄은 전기이중층 커패시터의 전극물질로 사용될 수 있으며, 정전용량 향상과 저항감소의 특성을 얻을 수 있는 것이다. 하기에는 실시예를 통해 본 발명의 효과를 살펴보도록 한다.
[실시예]
황산과 질산을 3:1의 부피비로 혼합한 혼합산 500mL에 활성탄 10g을 첨가하여 2시간 교반한다. 교반 후 수세 과정을 거쳐 잔존하는 혼합산을 제거하고 건조 과정을 거쳐 잔존하는 수분을 완전히 제거하여 준비한다.
활성탄 질량과 동일 질량의 Urea를 증류수 500mL에 용해시켜 준비하고 전처리된 활성탄을 용매에 넣고 2시간 가량 분산시켜 우레아가 표면에 잘 흡착할 수 있도록 한다. 이후 포름산(Formic acid)을 5mL 첨가하여 2시간 가량 교반 후 24시간 동안 침지과정을 거쳐 Urea의 중합 반응을 유도한다. 반응 수세 과정을 거쳐 미 반응 Urea와 포름산을 제거하고 2M의 염산을 첨가하여 미반응물을 추가로 제거한다. 상기와 같이 제조된 활성탄을 건조하여 수분을 제거한다.
완전 건조된 상기의 활성탄을 표면 Urea에 포함되어 있는 탄소재의 제거 및 산처리에 의해 형성된 미반응 작용기 제거를 목적으로 질소 분위기의 불활성 조건에서 500℃로 소성을 수행한다. 소성 시간은 5시간으로 조정한다.
상기와 같이 처리된 활성탄을 이용하여 슬러리를 제조하였다. 고형분 비율 23wt% 내에서, 점도 조절제인 CMC(Carboxyl methyl cellurose) 1.5wt%를 증류수에 용해한 후, 도전재(Acetylene Black, Super-P)를 고형분 질량 대비 9wt%를 분산시켰다. 다음으로 활성탄을 85wt% 투입하고, SBR(Styrene butadiene rubber)와 PTFE(Poly tetra fluore ethylene)을 각각 2.5wt%, 2wt% 투입하여 교반과정을 거쳐 전극 슬러리를 제조하였다. 제조된 전극 슬러리를 에칭 알루미늄 호일(CS201, 한국JCC)에 100㎛의 두께로 코팅하여 60℃에서 건조하였다. 건조된 전극을 롤 프레스를 이용하여 압착한 후 120℃의 감압 건조기에서 2차 건조하였다.
앞서 제조된 전극을 직경 16mm의 펀치를 이용하여 재단하였으며, 반쪽 전지는 리튬 메탈을 기준으로 조립하여 1M LiBF4/PC의 비수용성 전해액을 사용하여 순환전류 전압법으로 전기화학적 특성을 평가하였다. 평가 조건은 1 mV/s 전위 범위는 3 ∼ 4.4V(vs. Li/Li+) 영역에서 측정하였다.
상기의 실시예를 통해 얻은 샘플을 이용하여 다양한 특성을 관찰하였으며, 그에 대한 결과를 도 1 내지 도 3과, 하기 표 1에 나타내었다.
활성탄을 전처리 과정을 거쳐 표면에 Urea를 합성시킬 경우 표면 변화는 Urea에 의해 거칠게 변화하며, 500℃ 소성 조건 이후에도 탄화 과정을 거치면서, 일정 부분에서는 탄소재가 부가적으로 형성된다. 이를 도 1에서 관찰할 수 있으며, 기공의 특성에는 변화가 없는 것으로 관찰된다.
질소성 작용기를 보유한 Urea를 탄화시키면서 표면 작용기의 함량에 변화를 나타내며, 질소성 작용기는 소성 과정으로 크게 감소하지 않지만 산소성 작용기는 많은 부분에서 제거되는 것으로 관찰 된다. 아래의 표 1은 XPS를 통해 관찰된 표면 원소 함량이며, 도 2를 통해 표면 변화를 관찰할 수 있다.
구분 C at.% O at.% N at.% N/C
소성전 78.6 20.5 0.9 0.0115
소성후 87.6 11.6 0.8 0.009
표면 관능기 부여를 통해 제조된 활성탄의 정전 용량을 관찰한 결과 도 3과 같이 초기 활성탄에 비해 정전 용량이 증가함을 확인할 수 있으며, 그 값은 76F/g에서 103F/g으로 증가하였다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (5)

  1. 활성탄 표면에 작용기를 부여하고 불순물을 제거하는 활성탄 전처리 단계; 상기 활성탄 전처리 단계를 마친 활성탄을 요소화합물을 통해 표면에 펩티드 결합반응을 유도하는 반응단계; 및 합성된 표면을 탄소성분으로 변형하는 탄화단계;를 포함하며,
    상기 반응단계는,
    상기 전처리단계에서 산 처리된 활성탄을 요소화합물이 용해되어 있는 용매에 첨가하여 교반하는 단계;
    활성탄과 요소화합물이 혼합된 상태에서 포름산(Formic acid)을 첨가하여 교반한 후 상온에서 침지하여 숙성하는 단계;
    숙성된 활성탄은 원심분리기를 이용하여 용매와 분리하는 단계;
    분리된 활성탄을 수세 과정을 거쳐 회수하는 단계; 및
    회수된 활성탄을 1∼2M 농도의 염산에 첨가하여 24시간 침지하고 재 수세하여 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 활성탄 전처리단계는,
    황산과 질산의 비율이 부피비로 1∼3 : 1로 혼합하여 2시간 동안 상온 상에서 교반하는 단계;
    상기 혼합산을 이용하여 처리된 활성탄을 수세하는 단계; 및
    처리된 활성탄을 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 탄화단계는,
    상기 반응단계를 통해 제조된 활성탄을 질소분위기에서 400∼600℃ 온도로 탄화시키는 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법.
  5. 제 1항, 제 2항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응단계에서, 요소화합물은 우레아(Urea), 티오우레아(Thiourea) 및 우레아 수지(Urea Resin)으로부터 선택된 2개의 아민기를 포함한 물질인 것을 특징으로 하는 전기이중층 커패시터용 활성탄의 표면개질방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101751607B1 (ko) * 2015-10-23 2017-06-27 재단법인 한국탄소융합기술원 커패시터용 전극물질 제조방법, 이에 의하여 제조된 전극물질 및 이를 포함하는 커패시터

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07289889A (ja) * 1994-04-28 1995-11-07 Takeda Chem Ind Ltd ハニカム状活性炭およびその用途

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07289889A (ja) * 1994-04-28 1995-11-07 Takeda Chem Ind Ltd ハニカム状活性炭およびその用途

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ADV. FUNCT. MATER.,2009,19, p.438-447 *
ADV. FUNCT. MATER.,2009,19, p.438-447*
ENERG AND FUELS, 2008, 22, p.850-859 *
ENERG AND FUELS, 2008, 22, p.850-859*

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101751607B1 (ko) * 2015-10-23 2017-06-27 재단법인 한국탄소융합기술원 커패시터용 전극물질 제조방법, 이에 의하여 제조된 전극물질 및 이를 포함하는 커패시터

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