KR101793039B1 - 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 탄소재를 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계와, 내부면이 SiC로 코팅된 금속 재질의 활성화 반응기를 준비하는 단계와, 탄화 처리된 탄소재와 알칼리를 상기 활성화 반응기의 내부에 장입하고 비활성 분위기에서 활성화 처리하는 단계 및 활성화 처리된 탄소재를 산(acid)으로 중화 처리하고 세정하는 단계를 포함하는 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 고온에서 알칼리 내부식성을 갖는 활성화 반응기를 이용하여 활성화 처리를 수행함으로써 활성화 처리 과정에서 활성화 반응기의 재질인 Ni과 같은 금속 성분이 반응기 내부면쪽으로 빠져 나오지 않게 되고 활성화 처리된 탄소재에 흡착되지 않음으로써 불순물의 함유량이 적고 높은 용량 발현이 가능하며 전기적 특성이 우수한 울트라커패시터(ultracapacitor) 전극활물질을 제조할 수 있다.

Description

울트라커패시터 전극활물질의 제조방법{Manufacturing method of electrode active material for ultracapacitor}
본 발명은 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온에서 알칼리 내부식성을 갖는 활성화 반응기를 이용하여 활성화 처리를 수행함으로써 활성화 처리 과정에서 활성화 반응기의 재질인 Ni과 같은 금속 성분이 반응기 내부면쪽으로 빠져 나오지 않게 되고 활성화 처리된 탄소재에 흡착되지 않음으로써 불순물의 함유량이 적고 높은 용량 발현이 가능하며 전기적 특성이 우수한 울트라커패시터 전극활물질을 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 울트라커패시터(Ultracapacitor)는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC) 또는 슈퍼커패시터(Supercapacitor)라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해질 용액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라 울트라커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
이와 같은 울트라커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)과, 전해액의 누액을 방지하고 단락을 방지하기 위한 가스켓(gasket)과, 그리고 이들을 포장하는 케이스를 포함한다.
이러한 구조를 갖는 울트라커패시터의 성능은 전극활물질, 전해액 등에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있으며, 상용제품의 전극 기준으로 비축전용량은 최고 19.3 F/cc 정도로 알려져 있다. 일반적으로 울트라커패시터의 전극활물질로 사용되는 활성탄은 비표면적 1500㎡/g 이상의 고비표면적 활성탄이 사용되고 있다.
활성탄을 제조하기 위하여 종래에는 활성화 반응기로 니켈 반응기를 제작하여 사용해왔다. 그러나, 알칼리 활성화 과정 동안 니켈 반응기의 부식성이 커서 활성탄에 니켈이 검출되는 일이 발생하여 문제가 될 수 있다.
대한민국 특허등록번호 제10-1591264호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고온에서 알칼리 내부식성을 갖는 활성화 반응기를 이용하여 활성화 처리를 수행함으로써 활성화 처리 과정에서 활성화 반응기의 재질인 Ni과 같은 금속 성분이 반응기 내부면쪽으로 빠져 나오지 않게 되고 활성화 처리된 탄소재에 흡착되지 않음으로써 불순물의 함유량이 적고 높은 용량 발현이 가능하며 전기적 특성이 우수한 울트라커패시터 전극활물질을 제조할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 탄소재를 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계와, 내부면이 SiC로 코팅된 금속 재질의 활성화 반응기를 준비하는 단계와, 탄화 처리된 탄소재와 알칼리를 상기 활성화 반응기의 내부에 장입하고 비활성 분위기에서 활성화 처리하는 단계 및 활성화 처리된 탄소재를 산(acid)으로 중화 처리하고 세정하는 단계를 포함하는 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법을 제공한다.
상기 활성화 처리하는 단계는, 상기 탄화 처리된 탄소재와 상기 알칼리를 상기 활성화 반응기 내에 장입하는 단계와, 상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 비활성 기체를 주입하는 단계와, 상기 활성화 반응기 내의 온도를 600∼950℃의 활성화 온도까지 승온하여 활성화 처리를 수행하는 단계 및 상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 탄소재를 수득하는 단계를 포함한다.
상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 주입된 비활성 기체는 배출구를 통해 배출되게 하고, 상기 배출구는 에탄올이 담긴 배출조에 연결되게 하며, 상기 비활성 기체가 상기 배출조에 담긴 에탄올로 배출되게 하여 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 탄소재를 수득하는 단계는, 상기 활성화 반응기를 냉각하다가 에탄올의 끓는점보다 높은 80∼150℃의 온도에서 상기 활성화 반응기 내부로 에탄올을 주입하여 에탄올 증기로 활성화 처리된 탄소재를 샤워시켜 주는 단계를 포함하며, 상기 에탄올 증기는 상기 배출구을 통해 액체가 담긴 상기 배출조로 배출되게 하는 것이 바람직하다.
상기 내부면이 SiC로 코팅된 금속 재질의 활성화 반응기를 준비하는 단계는, 상기 활성화 반응기의 내부면이 될 금속 재질 판에 SiC를 코팅하는 단계와, 상기 SiC가 코팅된 금속 재질 판을 원하는 형태의 활성화 반응기로 성형하는 단계와, 성형된 상기 활성화 반응기에 비활성 기체가 유입되는 유입구와 상기 비활성 기체가 배출되는 배출구를 설치하는 단계를 포함하며, 상기 SiC로 코팅된 부분이 활성화 반응기의 내부면을 이루도록 성형한다.
상기 SiC는 화학기상증착(CVD) 방법으로 10∼200㎛의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.
상기 탄화 처리된 탄소재와 상기 알칼리를 1:1∼1:8의 중량비로 상기 활성화 반응기에 장입하고, 상기 알칼리는 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH)을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 탄소재를 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계는, C, H 및 O를 구성성분으로 포함하는 탄소재를 400∼900℃의 온도에서 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계를 포함한다.
상기 탄소재를 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계에서, 상기 탄소재는 피치(Pitch), 코크스(Cokes), 야자곽, 클로렐라, 밀대, 옥수수대 및 톱밥 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 금속은 니켈(Ni) 또는 스테인레스 스틸(Stainless steel)을 포함할 수 있다.
상기 탄화 처리된 탄소재는 질소(N)를 포함하는 이종원소가 함유되어 있는 탄소재일 수 있다.
본 발명에 의하면, 고온에서 알칼리 내부식성을 갖는 활성화 반응기를 이용하여 활성화 처리를 수행함으로써 활성화 처리 과정에서 활성화 반응기의 재질인 Ni과 같은 금속 성분이 반응기 내부면쪽으로 빠져 나오지 않게 되고 활성화 처리된 탄소재에 흡착되지 않게 됨으로써 불순물의 함유량이 적고 높은 용량 발현이 가능하며 전기적 특성이 우수한 울트라커패시터 전극활물질을 제조할 수 있다. 상기 활성화 반응기의 내부면은 SiC로 코팅되어 있으므로, 내부식성을 향상시킬 수 있고, 알칼리를 이용한 활성화 처리 과정에서 부식 등에 의해 활성화 반응기의 재질인 금속이 내부면쪽으로 빠져나오지 않게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 질소(N)를 울트라커패시터 전극활물질에 도입함으로써 전극활물질의 전기전도도를 향상시켜 울트라커패시터용 전극에 사용할 경우에 전해액의 전하 전달을 용이하게 해줄 수 있고, 울트라커패시터의 전기적특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극활물질에 함유된 질소(N)에 의해 울트라커패시터의 전기적 특성이 악화되는 것을 억제할 수 있으며, 또한 수명 및 에너지밀도가 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 전극활물질에 함유된 질소(N)는 전극활물질의 주성분을 이루는 탄소(C)와 결합(공유결합)되어 안정화되며, 가혹한 전기화학적 조건과 고온에서도 안정한 상태를 가지며, 단위셀의 장기 수명 특성이 개선되고, 작동 전압이 높아져 에너지밀도가 향상되는 장점이 있다.
도 1은 내부면이 될 금속 판(110)에 SiC(120)를 코팅하고 활성화 반응기(100a)의 형태로 성형한 모습을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 성형된 활성화 반응기에 비활성 기체가 유입되는 유입구(130)와 상기 비활성 기체가 배출되는 배출구(140)를 설치한 모습을 보여주는 도면이다.
도 3은 비교예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극활물질에 대하여 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy; XPS)을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극활물질에 대하여 X-선 광전자 분광법(XPS)을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법은, 탄소재를 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계와, 내부면이 SiC로 코팅된 금속 재질의 활성화 반응기를 준비하는 단계와, 탄화 처리된 탄소재와 알칼리를 상기 활성화 반응기의 내부에 장입하고 비활성 분위기에서 활성화 처리하는 단계 및 활성화 처리된 탄소재를 산(acid)으로 중화 처리하고 세정하는 단계를 포함한다.
상기 활성화 처리하는 단계는, 상기 탄화 처리된 탄소재와 상기 알칼리를 상기 활성화 반응기 내에 장입하는 단계와, 상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 비활성 기체를 주입하는 단계와, 상기 활성화 반응기 내의 온도를 600∼950℃의 활성화 온도까지 승온하여 활성화 처리를 수행하는 단계 및 상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 탄소재를 수득하는 단계를 포함한다.
상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 주입된 비활성 기체는 배출구를 통해 배출되게 하고, 상기 배출구는 에탄올이 담긴 배출조에 연결되게 하며, 상기 비활성 기체가 상기 배출조에 담긴 에탄올로 배출되게 하여 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 탄소재를 수득하는 단계는, 상기 활성화 반응기를 냉각하다가 에탄올의 끓는점보다 높은 80∼150℃의 온도에서 상기 활성화 반응기 내부로 에탄올을 주입하여 에탄올 증기로 활성화 처리된 탄소재를 샤워시켜 주는 단계를 포함하며, 상기 에탄올 증기는 상기 배출구을 통해 액체가 담긴 상기 배출조로 배출되게 하는 것이 바람직하다.
상기 내부면이 SiC로 코팅된 금속 재질의 활성화 반응기를 준비하는 단계는, 상기 활성화 반응기의 내부면이 될 금속 재질 판에 SiC를 코팅하는 단계와, 상기 SiC가 코팅된 금속 재질 판을 원하는 형태의 활성화 반응기로 성형하는 단계와, 성형된 상기 활성화 반응기에 비활성 기체가 유입되는 유입구와 상기 비활성 기체가 배출되는 배출구를 설치하는 단계를 포함하며, 상기 SiC로 코팅된 부분이 활성화 반응기의 내부면을 이루도록 성형한다.
상기 SiC는 화학기상증착(CVD) 방법으로 10∼200㎛의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.
상기 탄화 처리된 탄소재와 상기 알칼리를 1:1∼1:8의 중량비로 상기 활성화 반응기에 장입하고, 상기 알칼리는 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH)을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 탄소재를 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계는, C, H 및 O를 구성성분으로 포함하는 탄소재를 400∼900℃의 온도에서 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계를 포함한다.
상기 탄소재를 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계에서, 상기 탄소재는 피치(Pitch), 코크스(Cokes), 야자곽, 클로렐라, 밀대, 옥수수대 및 톱밥 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 금속은 니켈(Ni) 또는 스테인레스 스틸(Stainless steel)을 포함할 수 있다.
상기 탄화 처리된 탄소재는 질소(N)를 포함하는 이종원소가 함유되어 있는 탄소재일 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
탄소재를 준비하고, 상기 탄소재를 비활성 분위기에서 탄화 처리한다. 상기 탄소재는 C, H 및 O를 구성성분으로 포함하는 탄소재일 수 있다. 이러한 탄소재로서 피치(Pitch), 코크스(Cokes), 야자곽, 바이오매스(Biomass), 이들의 혼합물 등을 그 예로 들 수 있다. 상기 바이오매스는 클로렐라, 밀대, 옥수수대, 톱밥 등을 그 예로 들 수 있다. 상기 탄화 처리는 400∼900℃ 정도의 온도, 더욱 바람직하게는 500∼750℃ 정도의 온도에서 10분∼12시간 동안 비활성 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 비활성 분위기는 질소(N2), 아르곤(Ar), 이들의 혼합가스와 같은 비활성 기체 분위기를 의미한다.
상기 탄화 처리된 탄소재는 질소(N)를 포함하는 이종원소가 함유되어 있는 탄소재일 수 있다. 클로렐라와 같은 바이오매스에는 질소(N) 원소가 함유되어 있으므로 탄화 처리된 후에도 탄화 처리된 탄소재에 질소(N) 성분이 함유되어 있게 된다. 탄화 처리된 탄소재에서 탄소(C)와 질소(N)가 공유결합을 이루게 된다. C-N 공유결합은 가혹한 전기화학적 조건과 고온에서도 안정한 상태를 유지한다. 질소(N) 원소는 울트라커패시터 전극활물질의 전기전도도를 향상시키고, 울트라커패시터의 전극에 사용할 경우에 전해액의 전하 전달을 용이하게 해줄 수 있고, 울트라커패시터의 전기적특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 탄화 처리된 탄소재에 대하여 볼 밀링, 제트밀 등을 이용하여 분쇄 공정을 수행할 수도 있다. 분쇄 공정의 구체적인 예로서 볼밀링 공정을 설명하면, 탄화처리된 탄소재를 볼밀링기(ball milling machine)에 장입하고, 볼밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 분쇄한다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼밀링기의 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄한다. 밀링 시간이 증가함에 따라 탄소재의 입도가 점차 감소하고, 이에 따라 비표면적이 증가하게 된다. 볼밀링에 사용되는 볼은 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2)와 같은 세라믹 재질의 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하는데, 예를 들면, 볼의 크기는 1~30㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼밀링기의 회전속도는 50~500rpm 정도의 범위로 설정하며, 볼밀링은 1~50 시간 동안 실시할 수 있다.
내부면이 SiC로 코팅된 금속 재질의 활성화 반응기를 준비한다. 상기 활성화 반응기의 내부면이 될 금속 재질 판에 SiC를 코팅하고, 상기 SiC가 코팅된 금속 재질 판을 원하는 형태의 활성화 반응기로 성형한다. 상기 활성화 반응기는 반응기 내부면이 될 금속 재질 판에 SiC를 코팅하고 원하는 형태(예컨대, 원기둥, 사각기등)로 제작된 것일 수 있다. 도 1은 내부면이 될 금속 판(110)에 SiC(120)를 코팅하고 활성화 반응기(100a)의 형태로 성형한 모습을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 2는 성형된 상기 활성화 반응기에 비활성 기체가 유입되는 유입구(130)와 상기 비활성 기체가 배출되는 배출구(140)를 설치한 모습을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 활성화 반응기(100)는 SiC로 코팅된 부분이 활성화 반응기의 내부면을 이루도록 제작한다. 상기 금속은 니켈(Ni), 스테인레스 스틸(Stainless steel) 등일 수 있다. 상기 SiC는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방법을 이용하여 금속 재질의 반응기 표면에 코팅할 수 있다. 상기 SiC를 코팅하게 되면, 내부식성을 향상시킬 수 있고, 알칼리를 이용한 활성화 처리 과정에서 부식 등에 의해 활성화 반응기의 재질인 금속이 내부면쪽으로 빠져나오지 않게 할 수 있다. 상기 SiC는 활성화 처리 과정에서 부식 등에 의해 활성화 반응기의 재질인 금속이 빠져나오지 않게 하기 위하여 10∼200㎛, 더욱 바람직하게는 50∼150㎛의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다. 상기 SiC의 두께가 10㎛ 미만일 경우에는 SiC의 두께가 충분치 않아 활성화 반응기의 재질인 금속이 빠져나와 활성화 처리 과정에서 알칼리 용액에 섞일 수 있고, 상기 SiC의 두께가 200㎛를 초과하는 경우에는 증착 시간, 증착 비용 등을 고려할 때 비경제적일 수 있다. 성형된 활성화 반응기에 비활성 기체가 유입되는 유입구(130)와 상기 비활성 기체가 배출되는 배출구(140)를 설치한다. 상기 화학기상증착(CVD) 방법은 일반적으로 잘 알려져 있으므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
탄화 처리된 탄소재에 대하여 내부면이 SiC로 코팅된 금속 재질의 활성화 반응기에서 활성화 처리를 수행한다. 상기 활성화 처리는 탄화 처리된 탄소재와 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 등과 같은 알칼리를 혼합한 후, 600∼950℃ 정도, 더욱 바람직하게는 650∼900℃의 활성화 온도에서 10분∼12시간 동안 비활성 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 이를 위해 탄화 처리된 탄소재와 상기 알칼리를 상기 활성화 반응기 내에 장입하고, 활성화 반응기의 유입구(130)를 통해 비활성 기체를 주입하여 수행한다. 상기 활성화 온도까지는 0.1∼50℃/min의 승온속도로 승온하는 것이 바람직하다. 상기 탄화 처리된 탄소재와 상기 알칼리는 중량비로 1:1∼1:8의 비율로 상기 활성화 반응기에 장입하는 것이 바람직하다. 상기 활성화 반응기의 유입구(130)를 통해 주입된 비활성 기체는 배출구(140)를 통해 배출된다. 이때, 배출구(140)를 통해 배출되는 비활성 기체는 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되지 않게 하는 것이 바람직하다. 배출구(140)를 통해 배출되는 비활성 기체에는 활성화 처리를 위한 알칼리 성분이 함유될 수 있어 위험하기 때문이다. 이를 위해 배출구(140)는 에탄올 등의 액체(160)가 담긴 배출조(150)에 연결되게 하고, 배출조(150)에 담긴 액체(160)로 비활성 기체가 배출되게 하여 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 활성화 반응기의 내부면은 SiC로 코팅되어 있기 때문에, 활성화 처리 과정에서 활성화 반응기의 재질인 Ni과 같은 금속 성분이 반응기 내부면쪽으로 빠져 나오지 않게 되고 활성화 처리된 탄소재에 섞이지 않게 된다. 상기 비활성 분위기는 질소(N2), 아르곤(Ar), 이들의 혼합가스와 같은 비활성 기체 분위기를 의미한다.
활성화 처리 후에 활성화 반응기의 온도를 냉각한다. 상기 활성화 반응기를 냉각하다가 에탄올의 끓는점보다 높은 온도(예컨대, 80∼150℃)에서 에탄올 연결부(170)를 통해 활성화 반응기 내부로 에탄올을 주입하여 에탄올 증기로 활성화 처리된 탄소재를 샤워시켜 주는 것이 바람직하다. 메탄올은 유독성이 있어 작업자에게 위해를 줄 수 있으므로 사용하지 않는 것이 바람직하고, 증류수는 알칼리와 혼합시에 화재 등의 위험이 있을 수 있으므로 사용하지 않는 것이 바람직하다. 이와 같이 에탄올 증기를 이용한 샤워는 활성화 처리된 탄소재에 묻어있는 알칼리 부산물을 효과적으로 제거하는 역할을 한다. 에탄올 증기는 배출구(140)를 통해 액체가 담긴 배출조로 배출되게 하는 것이 바람직하다.
상기 활성화 처리 후에는 알칼리 성분을 제거하기 위하여 염산(HCl), 질산(HNO3)과 같은 산(acid)으로 중화 처리하고, 증류수 등으로 세정한다. 세정 후에는 60∼180℃ 정도의 온도에서 10분∼24시간 동안 충분히 건조한다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
활성화 반응기의 내부면이 되는 니켈 판에 SiC를 화학기상증착(CVD) 방법을 이용하여 코팅하였다. 상기 SiC는 100㎛ 정도의 두께로 코팅하였다.
SiC로 코팅된 부분이 활성화 반응기의 내부면을 이루도록 도 2에 도시된 바와 같은 원기둥 모양으로 활성화 반응기를 제작하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 활성화 반응기에 유입구(130), 배출구(140) 및 에탄올 연결부(170)를 설치하였다.
탄화 처리된 탄소재와 알칼리를 고루 섞어서 활성화 반응기 안에 장입하였다. 상기 탄화 처리된 탄소재는 바이오매스(Biomass) 계열인 클로렐라를 질소 분위기 하에서 900℃에서 1시간 동안 탄화 처리된 것을 사용하였다. 상기 알칼리는 KOH를 사용하였다. 상기 탄화 처리된 탄소재와 상기 알칼리는 1:4의 중량비로 혼합하였다.
활성화 반응기의 유입구(130)로 비활성 기체(N2, Ar)를 계속 주입하면서 3℃/min 속도로 천천히 900℃의 활성화 온도까지 올리고, 활성화 온도에서 1시간 동안 유지하여 활성화 처리를 수행하였다. 상기 비활성 기체는 질소(N2)를 사용하였다.
활성화 처리된 탄소재가 담긴 활성화 반응기의 온도를 냉각하는 과정 중에 100℃에서 10분 동안 유지하면서, 에탄올 연결관을 통해 에탄올을 주입하여 에탄올 증기로 샤워를 시켜주었다.
활성화 반응기의 온도를 실온까지 내리고, 활성화 처리된 탄소재인 울트라커패시터 전극활물질을 묽은 염산(HCl) 수용액으로 중화 처리하고, 증류수로 세정하였다. 세정 후에는 80℃의 온도에서 12시간 동안 충분히 건조하여 울트라커패시터 전극활물질을 얻었다.
<비교예>
내부면이 되는 니켈 재질로 이루어진 활성화 반응기에 유입구(130), 배출구(140) 및 에탄올 연결부(170)를 설치하였다.
탄화 처리된 탄소재와 알칼리를 고루 섞어서 활성화 반응기 안에 장입하였다. 상기 탄화 처리된 탄소재는 바이오매스(Biomass) 계열인 클로렐라를 질소 분위기 하에서 900℃에서 1시간 동안 탄화 처리된 것을 사용하였다. 상기 알칼리는 KOH를 사용하였다. 상기 탄화 처리된 탄소재와 상기 알칼리는 1:4의 중량비로 혼합하였다.
활성화 반응기의 유입구(130)로 비활성 기체(N2, Ar)를 계속 주입하면서 3℃/min 속도로 천천히 900℃의 활성화 온도까지 올리고, 활성화 온도에서 1시간 동안 유지하여 활성화 처리를 수행하였다. 상기 비활성 기체는 질소(N2)를 사용하였다.
활성화 처리된 탄소재가 담긴 활성화 반응기의 온도를 냉각하는 과정 중에 100℃에서 10분 동안 유지하면서, 에탄올 연결관을 통해 에탄올을 주입하여 에탄올 증기로 샤워를 시켜주었다.
활성화 반응기의 온도를 실온까지 내리고, 활성화 처리된 탄소재인 울트라커패시터 전극활물질을 묽은 염산(HCl) 수용액으로 중화 처리하고, 증류수로 세정하였다. 세정 후에는 80℃의 온도에서 12시간 동안 충분히 건조하여 울트라커패시터 전극활물질을 얻었다.
비교예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극활물질에 대하여 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy; XPS)을 이용하여 분석한 결과를 도 3에 나타내었고, 실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극활물질에 대하여 X-선 광전자 분광법(XPS)을 이용하여 분석한 결과를 도 4에 나타내었다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 비교예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극활물질의 경우에 활성화 과정에서 활성화 반응기가 부식이 되어 울트라커패시터 전극활물질에 니켈(Ni)이 섞여 나온 것으로 확인되었다. 그러나, 실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극활물질의 경우에는 니켈(Ni)이 검출되지 않았다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100: 활성화 반응기
110: 금속 판
120: SiC
130: 유입구
140: 배출구
150: 배출조
160: 액체
170: 에탄올 연결부

Claims (10)

  1. 탄소재를 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계;
    내부면이 SiC로 코팅된 금속 재질의 활성화 반응기를 준비하는 단계;
    탄화 처리된 탄소재와 알칼리를 상기 활성화 반응기의 내부에 장입하고 비활성 분위기에서 활성화 처리하는 단계; 및
    활성화 처리된 탄소재를 산(acid)으로 중화 처리하고 세정하는 단계를 포함하며,
    상기 활성화 처리하는 단계는,
    상기 탄화 처리된 탄소재와 상기 알칼리를 상기 활성화 반응기 내에 장입하는 단계;
    상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 비활성 기체를 주입하는 단계;
    상기 활성화 반응기 내의 온도를 600∼950℃의 활성화 온도까지 승온하여 활성화 처리를 수행하는 단계; 및
    상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 탄소재를 수득하는 단계를 포함하며,
    상기 활성화 반응기의 유입구를 통해 주입된 비활성 기체는 배출구를 통해 배출되게 하고,
    상기 배출구는 에탄올이 담긴 배출조에 연결되게 하며,
    상기 비활성 기체가 상기 배출조에 담긴 에탄올로 배출되게 하여 외부 공기 중으로 직접적으로 배출되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 활성화 반응기를 냉각하여 활성화 처리된 탄소재를 수득하는 단계는,
    상기 활성화 반응기를 냉각하다가 에탄올의 끓는점보다 높은 80∼150℃의 온도에서 상기 활성화 반응기 내부로 에탄올을 주입하여 에탄올 증기로 활성화 처리된 탄소재를 샤워시켜 주는 단계를 포함하며,
    상기 에탄올 증기는 상기 배출구을 통해 액체가 담긴 상기 배출조로 배출되게 하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 내부면이 SiC로 코팅된 금속 재질의 활성화 반응기를 준비하는 단계는,
    상기 활성화 반응기의 내부면이 될 금속 재질 판에 SiC를 코팅하는 단계;
    상기 SiC가 코팅된 금속 재질 판을 원하는 형태의 활성화 반응기로 성형하는 단계; 및
    성형된 상기 활성화 반응기에 비활성 기체가 유입되는 유입구와 상기 비활성 기체가 배출되는 배출구를 설치하는 단계를 포함하며,
    상기 SiC로 코팅된 부분이 활성화 반응기의 내부면을 이루도록 성형하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 SiC는 화학기상증착(CVD) 방법으로 10∼200㎛의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 탄화 처리된 탄소재와 상기 알칼리를 1:1∼1:8의 중량비로 상기 활성화 반응기에 장입하고,
    상기 알칼리는 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH)을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄소재를 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계는,
    C, H 및 O를 구성성분으로 포함하는 탄소재를 400∼900℃의 온도에서 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 탄소재를 비활성 분위기에서 탄화 처리하는 단계에서,
    상기 탄소재는 피치(Pitch), 코크스(Cokes), 야자곽, 클로렐라, 밀대, 옥수수대 및 톱밥 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속은 니켈(Ni) 또는 스테인레스 스틸(Stainless steel)을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 탄화 처리된 탄소재는 질소(N)를 포함하는 이종원소가 함유되어 있는 탄소재인 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극활물질의 제조방법.
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