KR101737348B1 - 탄소전구체 활성화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 활성화 공정이 진행될 탄소전구체를 펠릿화(Pelletizing)하여 알칼리 활성화 공정에서 발생하는 반응기 부식문제를 해결하고 연속식 공정으로 생산량을 대폭 향상할 수 있는 탄소전구체 활성화 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 탄소전구체 활성화 방법은, 1) 탄소 전구체와 활성화제를 혼합하여 활성화 펠릿을 제조하는 단계; 2) 상기 활성화 펠릿을 활성화하는 단계; 3) 활성화된 상기 활성화 펠릿을 탈산소화처리하는 단계;를 포함한다.

Description

탄소전구체 활성화 방법{THE METHOD FOR ACTIVATING A CARBON PERCURSOR}

본 발명은 탄소전구체 활성화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 활성화 공정이 진행될 탄소전구체를 펠릿화(Pelletizing)하여 알칼리 활성화 공정에서 발생하는 반응기 부식문제를 해결하고 연속식 공정으로 생산량을 대폭 향상할 수 있는 탄소전구체 활성화 방법에 관한 것이다.

일반적으로 슈퍼 커패시터는 정전기적(electrostatic) 특성을 이용하기 때문에 전기 화학적 반응을 이용하는 배터리에 비하여 충방전 회수가 거의 무한대이고 반영구적으로 사용 가능하며, 에너지의 충방전 속도가 매우 빨라 그 출력 밀도가 배터리의 수십 배 이상이다.

따라서 기존의 화학전지 배터리로는 구현하지 못하는 슈퍼 커패시터의 특성으로 인하여, 산업계 전반에 걸쳐 슈퍼 커패시터의 응용 분야가 점차 확대되는 추세이다. 특히, 요즘과 같은 고유가 시대에 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 또는 연료전지자동차(Fuel Cell Vehicle, FCV) 등과 같은 차세대 환경 친화 차량 개발 분야에 있어 에너지 버퍼로서 슈퍼 커패시터의 효용성은 날로 증가하고 있다.

즉, 슈퍼 커패시터는 보조 에너지 저장장치로서 화학전지 배터리와 병용됨으로써, 순간적인 에너지의 공급과 흡수는 슈퍼 커패시터가 담당하고, 평균적인 차량의 에너지 공급은 배터리가 담당함으로써 전반적인 차량 시스템의 효율 개선과 에너지 저장 시스템의 수명 연장 등의 효과를 기대할 수 있다.

또한, 이동전화나 동영상 레코더와 같은 휴대용 전자 부품에서 보조 전원으로 사용될 수 있으며, 그 중요성 및 용도가 날로 증가하고 있다.

이와 같은 슈퍼 커패시터는 크게 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor : EDLC)와 산화환원 커패시터(Pseudo capacitor)로 분류된다. 상기 EDLC는 표면에 전기 이중층이 생성되어 전하를 축적하고, 수도 커패시터는 활물질로 사용되는 금속 산화물의 산화환원 반응에 의해 전하를 축적한다.

그런데 상기 수도 커패시터는 금속 산화물로 사용되는 재료(특히, 루테늄 산화물)의 가격이 고가이고, 또한 사용 후 폐기시 상기 재료가 친환경적이지 못하기 때문에 환경오염을 유발하는 문제가 있다.

이에 반해, EDLC는 전극물질 자체가 갖는 뛰어난 안정성과 함께 친환경적인 탄소재료를 이용한다. 이러한 탄소 전극물질에는 활성 탄소분말(ACP : Activated Carbon Powder), 탄소 나노튜브(CNT : Carbon Nano Tube), 흑연, 기상성장 탄소섬유(VGCF : Vaopr Growen Carbon Fiber), 탄소 에어로겔(Carbon aerogel), 폴리 아크릴로나이트릴(PAN : Poly acrylonitrile) 및 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF : Poly Vinylidenefluoride)와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소나노섬유(CNF : Carbon Nano Fiber) 및 활성화 탄소나노섬유(ACNF : Activated Carbon Nano Fiber) 등이 사용된다. 상기 탄소재료 이외에 도전성을 부여하기 위해 카본 블랙 등의 도전재를 첨가한다.

EDLC 는 일반적으로 전류 집전체, 전극, 전해질 및 분리막으로 구성되며, 분리막으로 인해 서로 전기적으로 분리된 두개의 전극 사이에 전해질이 충진되어 있고, 전류 집전체는 전극에 효과적으로 전하를 충전시키거나 방전시키는 역할을 한다. 이러한 EDLC의 전극재료로 사용되는 활성탄소 전극은 미세기공으로 이루어진 다공질로서 넓은 비표면적을 가지고 있어, 활성탄소 전극에 (-)를 걸어주면 전해질로부터 해리되어 나온 (+) 이온이 활성탄소 전극의 기공 내로 들어가서 (+)층을 이루고, 이는 활성탄소 전극의 계면에 형성된 (-)층과 전기 이중층을 형성하면서 전하를 충전시키게 된다.

이러한 EDLC 커패시터의 축전용량은 활성탄소 전극의 구조 및 물성에 크게 의존하는데, 요구되는 특성으로는 비표면적이 클 것, 물질 자체의 내부저항이 작을 것, 그리고 탄소 소재의 밀도가 높을 것 등이 있다. 그리고 이러한 특성을 만족하기 위해서는 탄소 전구체에 대한 활성화 공정이 필연적으로 요구된다.

그런데 활성화 공정을 진행함에 있어서, 분말 형태의 탄소 전구체를 그대로 공정 진행하는 경우 반응기가 부식하는 문제가 발생하고 이는 원가 상승의 주요 원인이 될 뿐만아니라, 폭발 등의 안전 문제를 유발시켜 새로운 활성화 공정 기술 개발이 시급하게 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 활성화 공정이 진행될 탄소전구체를 펠릿화하여 알칼리 활성화 공정에서 발생하는 반응기 부식문제를 해결하고 연속식 공정으로 생산량을 대폭 향상할 수 있는 탄소전구체 활성화 방법을 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 탄소전구체 활성화 방법은, 1) 탄소 전구체와 활성화제를 혼합하여 활성화 펠릿을 제조하는 단계; 2) 상기 활성화 펠릿을 활성화하는 단계; 3) 활성화된 상기 활성화 펠릿을 탈산소화처리하는 단계;를 포함한다.

그리고 본 발명에서 상기 탄소 전구체는, 구형레진 제조용 올리고머와 탄소나노섬유(CNF)의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 1) 단계는, a) 탄소 전구체와 활성화제 혼합물을 펠릿 형태로 성형하는 단계; b) 성형된 펠릿을 가열하여 수분을 제거하고 안정화하는 단계;의 소단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 2) 단계에서는, 상기 활성화 펠릿을 컨베이어를 통하여 연속적으로 이동시키면서 연속식 공정으로 진행되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 3) 단계에서는, 상기 활성화 펠릿에 마이크로웨이브(micro wave)를 조사하여 탈산소화하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 활성화 공정이 진행될 탄소 전구체를 펠릿형태로 성형한 후 활성화 공정을 진행하므로, 알칼리 활성화 공정에서 발생하는 반응기 부식 문제를 억제시킬 수 있으며, 활성화 공정 자체를 연속식 공정으로 진행할 수 있어서 생산 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 전구체 활성화 방법의 각 공정을 도시하는 도면들이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.

본 실시예에 따른 탄소 전구체 활성화 방법은 탄소 전구체와 활성화제를 혼합하여 활성화 펠릿을 제조하는 단계로 시작된다. 이 단계에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 탄소 전구체(1)와 활성화제(2) 혼합물을 성형기(10)를 이용하여 펠릿 형태로 성형하는 단계와, 도 2에 도시된 바와 같이, 성형된 펠릿(3)을 가열하여 수분을 제거하고 안정화하는 단계의 소단계로 나누어 진행된다.

이렇게 수분을 제거하고 안정화된 펠릿(3)은 활성화 공정에서 반응기 부식을 일으키지 않는 장점이 있다.

한편 본 실시예에서 사용하는 상기 탄소 전구체(1)는, 구형레진 제조용 올리고머와 탄소나노섬유(CNF)의 혼합물인 것이 바람직하며, 이것은 후술하는 방법에 의하여 얻을 수 있다.

먼저 증류수에 분산안정세를 투입하고 교반하는 단계가 진행된다. 이 단계에서는 수지합성을 위한 반응기에 적당량의 증류수를 채운 후 온도를 70℃정도로 유지한 상태에서 분산 안정제를 넣고 교반하여 균일한 상태로 만드는 과정으로 진행된다. 이때 분산안정제는 다양한 케미컬이 사용될 수 있으며, 예를 들어 Polyvinyl alcohol이 바람직하다.

그리고 나서 반응기에 얻어진 용액에 경화제와 유화제를 함께 투입하고 충분히 교반하여 분산시키는 단계가 진행된다. 이때 경화제로는 Hexamine, 유화제로는 Tween이 바람직하다. 그리고 나서 경화제와 유화제가 완전히 분산되면, 얻어진 용액에 구형레진 제조용 올리고머와 탄소나노섬유(CNF)를 투입하고 약 20분 정도 교반하는 단계가 진행된다.

그리고 나서 반응기 내부 온도를 95℃로 승온한 후 온도를 일정하게 유지하면서 5시간 이상 교반하여 반응을 완성시키는 단계가 진행된다. 반응이 완료되면 충분한 수세 과정과 분리 및 필터링을 통하여 생성물을 얻어내고 이를 다시 오븐에서 건조하여 구형 레진 입자를 수득한다.

이렇게 얻어진 구형 레진 입자를 가지고 펠릿(3)을 성형하고 도 2에 도시된 바와 같이, 성형된 펠릿(3)을 가열하여 수분을 제거하고 안정화하는 것이다.

다음으로는 얻어진 안정화 펠릿(3)을 활성화하는 단계가 진행된다. 이 단계에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 활성화 펠릿(3)을 컨베이어(22)를 통하여 연속적으로 이동시키면서 연속식 공정으로 진행되는 것이 바람직하다. 이렇게 연속식 공정으로 진행되려면, 도 3에 도시된 바와 같이, 반응기(24)를 연속식 공정에 적합하도록 제조하고, 그 내부에 컨베이어(22) 등의 펠릿 이송수단을 설치하여 펠릿(3)을 연속적으로 이동시키면서 공정을 진행한다.

이렇게 연속식으로 공정을 진행하면 생산 효율이 향상되며, 반응기를 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

다음으로는 활성화된 상기 활성화 펠릿(3)을 탈산소화처리하는 단계가 진행된다. 이 단계에서는 다양한 방법으로 펠릿(3) 내의 산소를 제거할 수 있으며, 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 활성화 펠릿(3)에 마이크로웨이브 조사장치(30)를 이용하여 마이크로웨이브를 조사하여 탈산소화하는 것이 바람직하다.

마지막으로 후처리된 활성화 펠릿(3)을 다시 분말화하는 과정이 진행되는데, 후처리과정을 거친 활성화 펠릿(3)은 도 5에 도시된 바와 같이, 자연적으로 부서져서 분말화되므로 특별한 공정 수행없이 분말화된 결과물을 얻을 수 있다.

1 : 탄소 전구체 2 : 활성화제
3 : 활성화 펠릿
10 : 성형기 20 : 활성화 반응기
30 : 마이크로웨이브 조사장치

Claims (5)

1) 구형 레진 입자 형태를 가지는 탄소 전구체와 활성화제를 혼합하여 활성화 펠릿을 제조하는 단계;
2) 상기 활성화 펠릿을 활성화하는 단계;
3) 활성화된 상기 활성화 펠릿을 탈산소화처리하는 단계;를 포함하며,
상기 1) 단계는,
a) 70℃정도로 유지되는 반응기에 담겨진 증류수에 분산안정세를 투입하고 교반하는 단계;
b) 반응기에 얻어진 용액에 경화제와 유화제를 함께 투입하고 충분히 교반하여 분산시키는 단계;
c) 경화제와 유화제가 완전히 분산되면, 얻어진 용액에 구형레진 제조용 올리고머와 탄소나노섬유(CNF)를 투입하고 교반하는 단계;
d) 반응기 내부 온도를 95℃로 승온한 후 온도를 일정하게 유지하면서 5시간 이상 교반하여 반응을 완성시키는 단계;
e) 반응이 완료되면 충분한 수세 과정과 분리 및 필터링을 통하여 생성물을 얻어내고 이를 다시 오븐에서 건조하여 구형 레진 입자를 수득하는 단계;의 소단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 전구체 활성화 방법.

제1항에 있어서, 상기 탄소 전구체는,
구형레진 제조용 올리고머와 탄소나노섬유(CNF)의 혼합물인 것을 특징으로 하는 탄소 전구체 활성화 방법.

제1항에 있어서, 상기 1) 단계는,
a) 탄소 전구체와 활성화제 혼합물을 펠릿 형태로 성형하는 단계;
b) 성형된 펠릿을 가열하여 수분을 제거하고 안정화하는 단계;의 소단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 전구체 활성화 방법.

제1항에 있어서, 상기 2) 단계에서는,
상기 활성화 펠릿을 컨베이어를 통하여 연속적으로 이동시키면서 연속식 공정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 탄소 전구체 활성화 방법.

제1항에 있어서, 상기 3) 단계에서는,
상기 활성화 펠릿에 마이크로웨이브를 조사하여 탈산소화하는 것을 특징으로 하는 탄소 전구체 활성화 방법.

Images