KR101747973B1 - 전기 이중층 커패시터용 탄소재 및 이의 제조방법 - Google Patents

전기 이중층 커패시터용 탄소재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

전기 이중층 커패시터 전극용 활성탄을 제조하는 방법이, 평균 입경이 작고 입자 크기가 균일하며 비표면적이 비교적 큰 활성탄이 용이하고 비용-효과적인 방식으로 생산될 수 있는 전기 이중층 커패시터용 활성탄을 제조하는 방법으로 제공된다. 이 방법은 출발 물질로서 석유 코크스 또는 석탄 코크스와 같은 용이하게 흑연화가능한 탄소재를 이용하고 탄소재를 생산하기 위해 산화 기체 대기 하에서 출발 물질을 소성하고, 탄소재의 입자 크기를 조절하며 그 다음 탄소재를 활성화시키는 것을 특징으로 한다. 단위 체적당 정적 정전용량이 큰 전기 이중층 커패시터는 상기 방법에 의해 제조된 활성탄을 전극으로 이용함으로써 제공될 수 있다.

Description

전기 이중층 커패시터용 탄소재 및 이의 제조방법{CARBON MATERIAL FOR ELECTRIC DOUBLE LAYER CAPACITOR AND PROCESS FOR PRODUCING THE CARBON MATERIAL}
본 발명은 전기 이중층 커패시터 전극용 탄소재인 활성탄 및 이 탄소재의 제조 방법에 관한 것이다.
활성탄은 탄화 처리를 한 코코넛 껍질, 석유 코크스 또는 석탄 코크스 등의 탄소 재료를 활성화하여 다공질 구조로 만든 것이다. 다공성이어서 표면적이 큰 활성탄은 흡착제, 촉매 담체, 및 이중층 커패시터, 리튬 이차 전지 등의 전극 재료 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 하이브리드 자동차 등에 사용하는 전기 이중층 커패시터에서 에너지 밀도, 즉 정전 용량을 증대하기 위해, 커패시터의 전극 재료로서 미세 기공이 효과적으로 형성되고 결정화도가 높고 표면적 큰 활성탄이 요구되고 있다.
이러한 전기 이중층 커패시터의 전극 재료로 사용할 수 있는 미세 기공이 효과적으로 형성된 활성탄의 산업적 생산은 석유 코크스 등의 탄소 재료와 수산화칼륨 등의 알칼리 금속 화합물을 불활성 가스 대기에서 600 내지 1200 ℃의 범위에서 가열하여 알칼리 금속을 흑연 결정 계층에 침투시켜 반응시키는 활성화 방법이 일반적으로 사용되고 있다. 이러한 활성화에서 층상의 축합 다환 탄화수소가 적층된 층상 구조에 알칼리 금속이 침입하여 미세 소공이 형성된다.
전기 이중층 커패시터 전극을 제작하는데 사용되는 활성탄은 비교적 표면적이 크고, 평균 입경이 작고, 입자 크기가 균일해야 하고 대형 입자를 포함하지 않는 것이 요구된다.
예를 들어, 이러한 활성탄의 생산 방법은, 특허 문헌 1에 기술된 바와 같이, 코크스와 같은 탄소 전구체를 산소-가교되도록 산소 존재 하에 가열하고, 그 다음 염화 아연 및 인산염과 같은 무기 염의 열 반응 보조제를 첨가한 후 소성하여 미세기공을 생성시킴으로써 전기 이중층 커패시터 전극용 탄소재를 생산한다. 특허 문헌 2에서는 석유 생 코크스를 600 내지 900 ℃의 온도 범위에서 1차 소성을 한 후, 일단 100 ℃ 이하로 내리고, 그 다음 상기 1차 소성 온도보다 100 ℃ 이상 높은 온도에서 2차 소성을 실시하여 얻은 탄화 산물을 알칼리 금속 수산화물에 의해 활성화 처리하여, 전기 이중층 커패시터 전극용 탄소 재료를 제조하는 방법이 제안되고 있다.
그러나, 전기 이중층 커패시터 전극용 활성탄은 평균 입경이 작고 입자 크기가 균일하며, 또한 대형 입자를 포함하지 않는 것이 요구되고, 이러한 관점에서 상기 방법들은 아직 부족하여, 새로운 개량이 요구되었다.
선행 기술 문헌
특허 문헌
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 2003-282369호 공보
특허 문헌 2: 일본 특허 공개 2007-115749호 공보
활성탄의 입자 크기를 작게 하는 방법은 활성탄을 목표 입자 크기까지 분쇄하는 방법과 미세 원료를 활성화하여 활성탄을 얻는 방법이 있다. 전자의 방법은 세공이 분쇄되어 표면적이 작아져 바람직하지 않고, 후자의 방법은 활성화 동안 입자가 서로 융착하여 최종 활성탄의 입자 크기가 원료의 입자 크기보다 커지는 문제가 있다. 본 발명자들은 용이하게 흑연화할 수 있는 탄소 재료를 원료로 사용하는 경우, 원료를 산화 기체 대기 하에서 소성하고 그 후 입자 크기를 조정함으로써, 활성화로 인한 입자끼리의 융착을 방지할 수 있고 입자 크기의 증가를 저해할 수 있어, 그 결과 비교적 표면적이 크고, 평균 입경이 작고, 대형 입자를 포함하지 않는 입자 크기가 균일한 활성탄을 얻을 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하게 된 것이다.
즉, 본 발명은 원료로서 사용된 용이하게 흑연화가능한 탄소 재료를 산화 기체 대기 하에 소성 처리하는 단계, 탄소 재료를 활성화하는 단계, 그 다음 탄소 재료의 입자 크기를 조정하는 단계를 포함하여, 전기 이중층 커패시터 전극용 활성탄의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 산화 기체가 공기인 상기 활성탄의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 소성 처리 온도가 500 ~ 700 ℃인 상기 활성탄의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 용이하게 흑연화가능한 탄소 재료를 산화 기체 대기 하에서 소성 처리하여 얻어지는 탄소 재료가 평균 입자 직경이 0.5 ~ 8μm 범위이도록 조정하는 상기 활성탄의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 제조 방법들 중 어느 하나에 의해 수득되는 전기 이중층 커패시터 전극용 활성탄에 관한 것이다.
본 발명은 평균 입경이 작고 입자 크기가 균일하며 비표면적이 비교적 큰 전기 이중층 커패시터 전극용 활성탄을 용이하고 저렴한 비용으로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 제조 방법으로 얻어진 활성탄을 전극에 이용하는 것으로, 단위 체적 당 정전 용량이 큰 전기 이중층 커패시터를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서 출발 원료로 사용된 용이하게 흑연화가능한 탄소 재료의 예로는 석유 코크스와 석탄 코크스를 포함한다. 또한, 용이하게 흑연화가능한 탄소 재료는 불융화 및 탄화된 메소상 핏치(mesophase pitch) 및 메소상 핏치를 방적하여 제조한 불융화 및 탄화된 메소상 탄소 섬유일 수 있다. 석유 코크스가 바람직하게 사용되고, 석유 생 코크스가 특히 바람직하게 사용된다.
본 발명에서 출발 재료로 바람직하게 사용되는 석유 생 코크스는 알킬 측쇄를 보유한 다환식 방향족 화합물이 적층된 응집물이고 열로 융해할 수 없는 고체이다.
석유 코크스는 500 ℃ 정도의 고온에서 석유의 중질 유분을 열분해(코킹)하여 생산되는 고체 탄소를 주로 함유하는 산물이며, 통상의 석탄계 코크스와 구별되도록 석유 코크스라 지칭된다. 석유 코크스에는 딜레이드 코킹에 의해 생산되는 것과 플루이드 코킹에 의해 생산되는 것이 있다. 현재, 전자가 대부분이다. 본 발명에 따르면, 코커에서 채취된 상태를 그대로 유지하는 석유 생 코크스(생 코크스)가 사용되는 것이 바람직하다. 딜레이드 코킹에 의해 생산된 생 코크스는 6 내지 13 질량%의 휘발성 성분을 함유하는 반면, 플루이드 코킹에 의해 생산된 생 코크스는 4 내지 7 질량%의 휘발성 성분을 함유한다. 본 발명에서, 생 코크스는 전술한 방법 중 어느 한 방법에 의해 생산된 것을 사용할 수 있다. 하지만, 딜레이드 코킹에 의해 생산된 생 코크스는 특히 입수용이성 및 품질 안정성 면에서 적합하다.
석유의 중질 유분에 대한 특별한 제한은 없다. 중질 유분의 예로는 석유가 진공 증류될 때 생산되는 잔류물인 중유, 석유의 플루이드 접촉 분해에 의해 수득되는 중유, 석유의 수첨탈황에 의해 수득되는 중유 및 이의 혼합물을 포함한다.
본 발명에서, 전술한 용이하게 흑연화가능한 탄소 재료는 산화 기체 대기 하에서 소성되고, 그 뒤 수득되는 탄화 재료는 입자 크기가 조정되고, 그 후 알칼리 금속 수산화물의 공존 하에 활성화된다.
산화 기체의 예로는 공기, 산소, 오존, 일산화질소, 스팀 및 염소를 포함한다. 공기 또는 산소가 바람직하게 사용되고, 공기가 특히 바람직하게 사용된다. 일단 소성되면, 산화 기체는 보통 질소와 같은 불활성 기체와 혼합물로 사용된다.
산화 기체 대기 하에서 소성 조건들 중 하나인 소성 온도는 500 내지 700 ℃, 더욱 바람직하게는 520 내지 680 ℃가 바람직하다. 500 ℃ 미만의 소성 온도는 불충분한 산화 반응을 야기하는 반면, 700 ℃ 초과의 소성 온도는 탄화 반응을 지나치게 진행시킨다. 소성 시간에는 특별한 제한은 없다. 하지만, 의도한 온도에 도달한 후에는 10 분 내지 2 시간 동안 유지되는 것이 바람직하다.
소성 후 산화 기체에 의한 산화 조건은 그 산화력에 따라 달라지고, 소성된 후 산화되는 재료의 양에 따라 적당하게 선택할 수 있다. 구체적으로, 산화에 의한 산소 증가량은 바람직하게는 0.5 내지 10 질량%, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 질량% 이내이다. 0.5 질량% 미만의 산소량 증가는 산화 효과를 저하시키고, 반면 10 질량% 초과의 산소량 증가는 중량 손실을 증대시킨다.
이와 같이 산화 기체 대기 하에서 소성에 의해 생산된 탄화 재료는 입자 크기가 조정되고, 그 다음 활성화된다. 탄화 재료는 평균 입경이 0.5 내지 8 ㎛, 바람직하게는 1 내지 7 ㎛이도록 입자 크기가 조정된다. 0.5 ㎛보다 작은 탄화 재료의 입경은 입경의 증가를 유발하는 입자의 융착을 수반한다. 8 ㎛보다 큰 탄화 재료의 입경은 의도한 직경보다 입경이 큰 활성탄을 야기한다.
탄화 재료의 입경을 조정하는 방법에는 특별한 제한이 없다. 하지만, 재료가 제트 밀(jet mill)과 같은 분쇄 수단에 의해 분쇄되는 방법을 이용할 수 있다.
그 다음, 입경이 조정된 탄화 재료는 알칼리 금속 수산화물을 이용하여 활성화한다.
활성화 반응 조건은 충분한 반응 진행성만 있다면 특별한 제한은 없다. 따라서, 활성화 반응은 종래 활성탄 제조 시 수행된 공지의 활성화 반응 조건과 동일한 조건 하에서 수행할 수 있다. 예를 들어, 활성화 단계에서 활성화 반응은 종래 활성탄 생산에서 수행했던 바와 같이 소성된 탄화 재료와 알칼리 금속 수산화물을 혼합하고, 이 혼합물을 바람직하게는 400℃ 이상, 더욱 바람직하게는 600 ℃ 이상, 더욱 바람직하게는 700 ℃ 이상인 고온 조건 하에 가열함으로써 수행할 수 있다. 활성화 반응이 어떤 장애 없이 진행한다면, 상기 가열 온도의 상한 범위에는 특별한 제한이 없다. 하지만, 상한 범위는 900 ℃ 이하인 것이 바람직하다.
활성화 반응에 사용된 알칼리 금속 수산화물의 예로는 KOH, NaOH, RbOH 및 CsOH가 있다. 특히, 활성화 효율 면에서 KOH가 바람직하다.
활성화 처리는 알칼리 금속 수산화물과 같은 활성화제를 탄소 재료(탄화된 산물)와 혼합하고, 이 혼합물을 가열함으로써 수행하는 것이 일반적이다. 탄화된 산물과 활성화제의 혼합비에는 특별한 제한이 없다. 하지만, 양자(탄화된 산물:활성화제)의 질량비는 1:0.5 내지 1:5 범위 내인 것이 바람직하고, 1:1 내지 1:3 범위인 것이 더욱 바람직하다.
활성화 반응으로부터 수득되는 활성화된 산물은 그 다음 세척한다. 활성화된 산물을 세척하는 방법은 활성화된 산물을 세척액으로 세척하고 고체-액체 분리를 수행하는 방법이 바람직하다. 예를 들어, 활성화된 산물을 세척액에 침지시키고, 필요한 경우 함께 혼합되도록 교반 및 가열하고, 세척액을 제거하는 방법이 이용될 수 있다.
세척액은 물 또는 산 수용액인 것이 바람직하다. 예를 들어, 물 세척, 산 수용액 세척 및 물 세척과 같이 임의의 조합을 이용할 수 있다.
산 수용액의 예로는 염산, 요오드화수소산 및 브롬화수소산과 같은 할로겐화된 수소산, 및 황산 및 탄산과 같은 무기산을 포함한다. 산 수용액의 농도는 0.01 내지 3N 일 수 있다. 이러한 세척액으로의 세척은 필요하다면 1회보다 많이 반복할 수 있다.
탄화된 산물에 남아 있는 알칼리 금속의 양은 그 양이 최종 전기 이중층 커패시터에 악영향을 미칠 가능성이 있는 수준보다 낮다면(바람직하게는 1000 질량ppm 이하) 특별한 제한은 없다. 하지만, 탄화된 산물은 예컨대 세척 폐액의 pH가 7 내지 8 범위이도록 세척하고 알칼리 금속이 가능한 한 많이 제거되도록 세척하는 것이 바람직하다. 세척 후, 탄화된 산물은 통상적으로 수행되는 건조 단계를 거치면 의도한 활성탄이 수득된다.
본 발명에 의해 제조된 활성탄은 평균 입경이 0.5 내지 7 ㎛이고 비표면적이 1500 내지 2500 ㎡/g이다. 또한, 활성탄에 존재하는 직경이 0.1 내지 50 nm인 기공들의 기공 용적은 질소 기체 흡착법으로 측정했을 때 0.1 내지 3 ml/g 범위인 한편, 활성탄에 존재하는 직경이 0.05 내지 300인 기공의 기공 용적은 수은 침입법으로 측정했을 때 0.4 내지 5 ml/g 이다. 잔류하는 알칼리 금속 함량은 200 질량ppm 이하이다.
다음으로, 본 발명의 전기 이중층 커패시터에 대한 설명이 제공될 것이다.
본 발명의 전기 이중층 커패시터는 전술한 바와 같이 제조된 활성탄을 함유하는 전극이 제공되는 것을 특징으로 한다.
전극은 활성탄, 결합제 및 바람직하게는 추가로 도전제로 구성되고, 집전체와 일체화된 전극일 수 있다.
여기에 사용된 결합제는 임의의 공지의 것일 수 있다. 결합제의 예로는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 플루오로올레핀/비닐에테르 가교 공중합체와 같은 플루오르화된 중합체, 카르복시메틸 셀룰로스와 같은 셀룰로스, 폴리비닐피롤리돈 및 폴리비닐알콜과 같은 비닐 중합체, 및 폴리아크릴산을 포함한다. 전극에 첨가되는 결합제의 함량에는 특별한 제한은 없다. 그 함량은 활성탄과 결합제의 총량을 기준으로 0.1 내지 30 질량% 범위 내에서 일반적으로 선택한다.
도전제는 카본 블랙, 분말 그래파이트, 산화티탄 및 산화 루테늄과 같은 분말 물질일 수 있다. 전극에 존재하는 도전제의 배합량은 배합 목적에 따라 적당하게 선택한다. 배합량은 일반적으로 활성탄, 결합제 및 도전제의 총량을 기준으로 일반적으로 1 내지 50 질량%, 바람직하게는 2 내지 30 질량% 범위내에서 선택하는 것이 일반적이다.
활성탄, 결합제 및 도전제는 통상의 방법으로 혼합할 수 있다. 예를 들어, 결합제를 용해하는 용매를 상기 성분들에 첨가하여 슬러리를 제조한 뒤, 집전체에 균일하게 적용하는 방법, 또는 상기 용매의 첨가없이 상기 성분들을 혼련한 뒤, 상온 또는 가열하는 동안 압착하는 방법을 이용할 수 있다.
집전체는 통상의 형태를 가진 통상의 재질인 임의의 것일 수 있다. 그 재질로는 알루미늄, 티탄, 탄탈 및 니켈과 같은 금속 및 스테인리스와 같은 합금을 포함한다.
본 발명의 전기 이중층 커패시터의 단위 셀은 일반적으로 양극 및 음극으로 사용된 전술한 전극의 한 쌍을 격리판(폴리프로필렌 섬유 부직포, 유리섬유 부직포 또는 합성 셀룰로스지)을 매개로 서로 대향하도록 배치한 뒤, 이 전극을 전해질 용액에 침지함으로써 형성된다.
전해질 용액은 당업계에 공지된 임의의 수성 또는 유기 전해질 용액일 수 있다. 하지만, 유기 전해질 용액이 바람직하게 사용된다. 이러한 유기 전해질 용액의 예로는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부티로락톤, 설폴란, 설폴란 유도체, 3-메틸설폴란, 1,2-디메톡시에탄, 아세토니트릴, 글루타로니트릴, 발레로니트릴, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 테트라하이드로푸란, 디메톡시에탄, 메틸 포르메이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트와 같이 전기화학적 전해질 용액으로 사용된 것을 포함한다. 이러한 전해질 용액을 배합 사용될 수 있는 점도 유념한다.
유기 전해질 용액 중의 지지 전해질에 대한 특별한 제한은 없다. 따라서, 지지 전해질은 전기화학분야 및 전지 분야에 일반적으로 사용되는 다양한 염, 산 및 알칼리 중 임의의 것일 수 있다. 이러한 지지 전해질의 예로는 무기 이온염, 예컨대 알칼리 금속 염 및 알칼리 토금속염, 4차 암모늄 염, 고리 4차 암모늄 염 및 4차 포스포늄 염을 포함한다. 바람직한 예로는 (C2H5)4NBF4, (C2H5)3(CH3)NBF4, (C2H5)4PBF4, (C2H5)3(CH3)PBF4를 포함한다. 이러한 염들의 전해질 용액 중의 농도는 일반적으로 0.1 내지 5 mol/l 범위, 바람직하게는 0.5 내지 3 mol/l 범위 중에서 적당하게 선택된다.
전기 이중층 커패시터의 보다 구체적인 구성에 대한 특별한 제한은 없다. 하지만, 구성의 예로는 두께 10 내지 500 ㎛인 시트 또는 디스크 형태의 한 쌍의 전극(양극 및 음극)과 이 전극 사이에 중첩된 격리판을 금속 케이스에 수용한 코인형, 한쌍의 전극과 이 사이에 개재된 격리판이 권취되어 있는 권취형, 및 전극이 격리판을 매개로 적층되어 있는 적층형을 포함한다.
실시예
본 발명은 이하 실시예를 참고로 하여 더 상세하게 설명되지만, 이에 국한되지는 않는다.
(실시예 1)
원료로 사용한 석유 생 코크스의 물성은 표 1에 제시한다.
생 코크스는 질소 기체 대 공기의 유량비가 50:50인 대기 하에서 1시간 동안 530℃의 온도에서 소성했다. 그 후, 온도 상승 속도는 200℃/시간이었다. 소성 후 산출되는 탄화 산물의 물성은 표 1에 제시했다. 탄화 산물은 제트 밀로 분쇄했고 수득되는 평균 입경(D50)은 6.5 ㎛였다. 수산화칼륨은 분쇄 산물의 100 질량부를 기준으로 수산화칼륨의 양이 220 질량부가 되도록 하여 분쇄 산물과 혼합하고, 그 후 질소 기체 대기 하에 700℃의 온도에서 1 시간 동안 활성화시켰다. 반응 후, 반응 혼합물을 물에 넣고 수득되는 슬러리를 물과 산(염산 사용)으로 세척하여 남아 있는 칼륨을 제거하고, 그 후 건조하여 활성탄을 수득했다. 최종 활성탄의 비표면적은 이하 방식으로 측정 시, 2220 ㎡/g이었고, 평균 입경은 6.9 ㎛였다. 입자 크기 분포와 같은 성질은 표 2에 제시했다.
각 분석은 다음과 같이 수행했다.
수소/탄소 원자비: 샘플에 존재하는 탄소 중량% 및 수소 중량%를 유기 원소 분석기(NCH-22F, 스미카 케미컬 어넬리시스 서비스, 리미티드 제품)로 측정하여 계산했다.
휘발성 성분: JIS M8812 "공업 분석용 석탄 및 코크스 방법"의 방법에 따라 측정했다.
진밀도: JIS K2151에 따라 측정했다.
비표면적/기공 용적: 질소 기체 흡착법(BET 법)으로 측정했다.
입자 크기 분포: 레이저 회절식 입자 크기 분석기(LA-950, HORIBA, Ltd. 제품)를 이용하여, 물을 분산매로 함유하는 소량의 계면활성제를 첨가하고, 초음파를 샘플에 조사한 후 측정했다. 수득되는 체적 기준의 입자 크기 적분 곡선으로부터 10% 입자 크기, 50% 입자 크기(평균 입자 크기) 및 90% 입자 크기를 구했다.
상기 활성탄 80 질량부에 카본블랙 10 질량부와 폴리테트라플루오로에틸렌 분말 10 질량부를 첨가했다. 혼합물을 모르타르에서 페이스트가 될 때까지 혼련했다. 이어서, 수득되는 페이스트를 180 kPa의 롤러 프레스에서 압연하여 두께가 300 ㎛인 전극 시트를 제작했다.
상기 전극 시트로부터 각각 직경이 16mm인 디스크 2매를 타정하고, 13.3Pa(0.1Torr)에서 120℃로 2시간 동안 진공 건조했다. 그 후, 디스크형 전극을 이슬점이 -85℃인 질소 대기 하의 글로브 박스에서 유기 전해질 용액(트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트의 프로필렌 카보네이트 용액, 농도 : 1mol/l)으로 함침시켰다. 그 후, 상기 전극 2 시트를 각각 양극 및 음극으로 사용하고 이 전극 사이에 셀룰로스 격리판(NIPPON KODOSHI CORPORATION 제품, 상표명:TF40-50, 두께: 50 ㎛)을 개재시켰다. 이 전극의 양말단에 알루미늄 호일 집전체를 부착하고, 이 전극들을 호센 코포레이션 제품인 양극 셀에 혼입시켜 전기 이중층 커패시터(코인형 셀)를 제작했다. 수득되는 커패시터의 정전용량은 다음과 같은 방법으로 측정했다. 결과는 표 3에 제시했다.
정전용량: 코인형 셀에 1F당 2mA의 정전류로 2.7V까지 충전했다. 충전 완료 후, 2.7V를 30분 동안 유지하고, 그 다음 1mA의 정전류 방전을 20℃에서 수행했다. 방전 곡선에서, 충전 전압의 80%를 V1, 40%를 V2, 80%부터 40%까지 전압이 강하하기 까지 걸리는 시간은 △T, 방전 전류 값을 I라 했을 때, 이하 식에 따라 정전용량 C[F]를 산출했다.
정전용량 C[F] = I△T/(V1-V2)
정전용량은 전극에 함유된 활성탄의 중량(양극과 음극의 총 중량)으로 나누어, 중량당 정전용량[F/g]을 산출했다. 이 F/g에 전극 밀도[g/cc]를 곱하여 F/cc를 계산했다.
(실시예 2)
실시예 1에서 이용했던 것과 같은 원료 생 코크스를 630℃에서 1시간 소성했다. 승온 속도 또는 대기 기체는 실시예 1과 동일하게 했다.
소성 후의 탄화물의 물성은 표 1에 제시한다. 이 탄화물을 제트 밀로 분쇄했고, 수득되는 평균 입경(D50)은 5.9㎛였다. 최종 분쇄물을 실시예 1과 같은 절차에 따라 활성화했다. 반응 후, 반응 혼합물을 물에 넣고, 수득되는 슬러리를 물과 산(염산)으로 반복 세척하여 남은 칼륨을 제거한 뒤, 건조하여 활성탄을 수득했다. 비표면적은 1580 ㎡/g이고, 평균 입경은 입자 크기 분포로 측정 시 6.0 ㎛였다. 입자 크기 분포와 같은 성질은 표 2에 제시했다.
수득되는 활성탄을 이용하여 실시예 1에서와 같은 방식으로 전기 이중층 커패시터(코인형 셀)를 제조하고, 정전용량을 측정했다. 결과는 표 3에 제시했다.
(비교예 1)
실시예 1에서 사용한 것과 같은 원료 생 코크스를 질소 기체 대기 하에서 530℃로 1시간 동안 소성했다. 승온 속도는 실시예 1과 동일했다.
소성 후의 탄화물의 물성은 표 1에 제시했다. 이 탄화물을 제트 밀로 분쇄했고, 수득되는 평균 입경(D50)은 6.8 ㎛였다. 수득되는 분쇄물을 실시예 1과 동일한 절차에 따라 활성화하고, 세척한 뒤 건조했다. 비표면적은 2320 ㎡/g, 평균 입경은 10.1 ㎛ 였다. 입자 크기 분포와 같은 성질은 표 2에 제시했다.
수득되는 활성탄을 실시예 1에서와 같은 방식으로 이용하여 전기 이중층 커패시터(코인형 셀)를 제조하고, 정전용량을 측정했다. 결과는 표 3에 제시했다.
(비교예 2)
실시예 1에서 사용한 것과 같은 원료 생 코크스를 질소 기체 대기 하에서 630℃로 1시간 동안 소성했다. 승온 속도는 실시예 1과 동일했다.
소성 후의 탄화물의 물성은 표 1에 제시했다. 이 탄화물을 제트 밀로 분쇄하고, 수득되는 평균 입경(D50)은 6.2 ㎛였다. 수득되는 분쇄물을 실시예 1과 동일한 절차에 따라 활성화하고, 세척한 뒤 건조했다. 비표면적은 1620 ㎡/g, 평균 입경은 9.4 ㎛ 였다. 입자 크기 분포와 같은 성질은 표 2에 제시했다.
수득되는 활성탄을 실시예 1에서와 같은 방식으로 이용하여 전기 이중층 커패시터(코인형 셀)를 제조하고, 정전용량을 측정했다. 결과는 표 3에 제시했다.
[표 1]
Figure 112011020802299-pct00001
[표 2]
Figure 112011020802299-pct00002
[표 3]
Figure 112011020802299-pct00003
산업상 이용가능성
본 발명은, 평균 입경이 작고, 입자 크기가 균일하며 비표면적이 비교적 큰 전기 이중층 커패시터 전극용 활성탄을 용이하고 저렴한 비용으로 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 500 내지 700℃의 온도에서 산화 기체 대기 하에 석유 코크스인 탄소 재료를 원료(raw material)로 사용하여 소성 처리하여, 산소 함량을 0.5 내지 1.2 질량% 증가시키는 단계,
    탄소 재료의 입자 크기를 조정하는 단계, 및
    탄소 재료를 활성화시키는 단계
    를 포함하는, 전기 이중층 커패시터 전극용 활성탄의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 산화 기체가 공기인 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 소성 처리된 탄소 재료의 평균 입경(average particle diameter)을 0.5 내지 8 ㎛로 조정하는 방법.
  5. 삭제
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