KR101978920B1 - 폐플라스틱을 활용한 피치계 탄소소재의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 이차전지용 음극재 - Google Patents
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Abstract
석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합하여 피치를 제조하는 단계; 상기 피치를 코크스화하여 코크스를 제조하는 단계; 및 상기 코크스를 탄화하는 단계;를 포함하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법이 개시된다.
Description
이차전지 음극재용 폐플라스틱 첨가 탄소소재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 이차전지 음극재용 폐플라스틱 첨가 탄소소재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 종래 탄소 소재에 비해 수율이 높고, 산소 관능기 조절이 용이하며, 리튬 확산속도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 충전 및 방전 특성 및 높은 초기 용량 등의 우수한 이차전지 특성이 있는 이차전지 음극재용 폐플라스틱 첨가 탄소소재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 이차전지용 음극재에 관한 것이다.
최근 각국의 정부들이 배기 오염 물질 배출에 관련된 환경 규제를 강화함으로써 자동차 산업에서 전기차(Electric Vehicle)는 명백한 블루오션으로 전망되고 있다. 배터리는 전기차 원가의 30~40%를 차지하는 핵심부품으로 전기차의 수요와 시장이 증가함에 따라 배터리 산업 또한 발전하고 있다. 전기차에 사용되는 배터리는 에너지 효율 및 저장량이 높고 안전하게 구동이 가능하여야 하며, 급속 충방전이 가능하여야 한다. 최근 이러한 요구조건을 고려하여 다양한 배터리 중 리튬 이온을 이용하는 리튬이차전지가 주로 적용되고 있다.
리튬이차전지의 음극소재(또는 음극재)는 주로 흑연(Graphite)이 사용되고 있다. 흑연의 이론 용량은 372 mAh/g으로, 리튬이차전지의 응용이 증대됨에 따라 용량의 한계에 부딪히고 있다. 이에 따라 음극소재의 저장용량을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 소프트 카본(soft carbon)은 탄소소재 중 하나로 리튬이온을 저장하기 위한 미세공극과 리튬이온이 이동할 수 있는 결함을 함유하고 있어 흑연에 비해 높은 저장 용량을 나타낸다.
소프트 카본의 원료로는 피치가 주로 사용되고 있으며, 피치는 주로 석유계 잔사유를 이용하여 제조된다. 석유계 잔사유는 원유를 증류하는 과정에서 발생하는 부산물로 이용가치가 낮아 대부분 선박, 발전시설의 연료로 사용하거나, 폐기되고 있어 폐기물 재활용 기술이 필요하다. 피치는 방향족 화합물을 다수 함유하고 있어 탄소 구조 형성이 용이하며, 이러한 특성을 바탕으로 탄소 소재의 원료로서 가치가 높다. 피치는 불활성 분위기에서 열을 가하여 제조되며, 열처리 온도, 시간, 첨가제 또는 촉매의 유무에 따라 연화점, 수율, 분자량 분포 등의 물성이 변화된다.
투명도가 높고 단열성 및 열적 특성이 우수하여 케이스, 생활용품 등 일상생활에서 흔히 사용되고 있는 플라스틱은 분해가 어렵고 소각 시 인체에 해로운 유해가스가 발생하여 폐기물 치리에 많은 어려움이 있다. 최근 중국에서 환경문제 등을 이유로 폐플라스틱, 폐지 등 24개의 재활용품의 수입을 금지하면서 폐플라스틱 처리 방법이 사회적 이슈로 대두되고 있으며, 영국, 독일, 일본, 미국 등 선진 국가에서 주도적으로 이러한 이슈를 해결하기 위한 방안을 찾고 있다.
상기한 이슈와 같이 폐기물의 재활용을 위한 새로운 기술이 요구되고 있는 현 시점에서 폐기물을 재활용하여 이차전지 음극소재의 단점을 보완할 수 있는 소재를 제조하는 것은 높은 가치가 있으며, 이를 구현할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명의 일 측면에서의 목적은 석유계 잔사유 및 폐플라스틱으로부터 전기 화학적 성능이 우수한 이차전지 음극용 폐플라스틱 첨가 탄소소재의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 측면에서의 목적은 석유계 잔사유 및 폐플라스틱의 혼합공정을 개선함으로서 관능기 조절이 용이하고, 수율이 향상된 탄소소재 전구체 피치를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서의 목적은 소프트 카본 음극재의 단점인 용량 및 초기 효율이 개선되고, 전지적 안정성이 향상된 이차전지 음극재를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합하여 피치를 제조하는 단계;
상기 피치를 코크스화하여 코크스를 제조하는 단계; 및
상기 코크스를 탄화하는 단계;를 포함하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합하여 피치를 제조하는 단계;
상기 피치를 코크스화하여 코크스를 제조하는 단계; 및
상기 코크스를 탄화하는 단계;를 포함하는 이차전지용 음극재의 제조방법이 제공된다.
나아가, 본 발명의 다른 일 측면에서
석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합하여 피치를 제조하고,
상기 피치를 코크스화하여 코크스를 제조하고,
상기 코크스를 탄화하여 제조된 이차전지용 음극재가 제공된다.
더욱 나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서
상기의 이차전지용 음극재를 포함하는 이차전지가 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법은 석유계 잔사유와 폐플라스틱을 이용하여 피치를 제조하므로 폐기물 처리 문제를 해결할 수 있고, 이를 고부가 가치화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 석유계 잔사유와 폐플라스틱의 혼합 공정을 개선하여 관능기 조절이 용이하고 수율을 향상시킬 수 있어 제조 원가 절감의 효과를 기대할 수 있다. 나아가, 전기화학적 특성이 향상된 이차전지용 음극재를 제공하며, 이는 종래 소프트카본 음극재의 단점인 낮은 용량과 초기 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 일 실시예에 따른 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법을 나타낸 순서도이고;
도 2는 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 이차전지 음극용 탄소소재의 속도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 이차전지 음극용 탄소소재의 속도 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 측면에서
석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합하여 피치를 제조하는 단계;
상기 피치를 코크스화하여 코크스를 제조하는 단계; 및
상기 코크스를 탄화하는 단계;를 포함하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법이 제공된다.
이때, 도 1의 순서도를 통해 본 발명의 일 측면에서 제공되는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법의 단계를 나타내었으며,
이하, 도 1의 순서도를 참조하여 본 발명의 일 측면에서 제공되는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법은 석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합하여 피치를 제조하는 단계(S100)를 포함한다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법은 폐플라스틱을 적용함으로써 폐기물 처리문제를 해결할 수 있고, 수율을 향상시킴과 동시에 음극재로서의 초기 용량과 효율을 개선할 수 있다.
상기 단계(S100)는 석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 사용하여 피치를 제조하는 단계이다.
상기 석유계 잔사유는 PFO, NCB-oil, FCC-DO, VR 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
상기 폐플라스틱은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리염화비닐(PVC), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC) 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
이때, 상기 피치를 제조하는 단계(S100)는 폐플라스틱을 파쇄하여 분말화 하는 단계(S110); 상기 분말화된 폐플라스틱의 입도를 분류하는 단계(S120); 상기 분말화되어 입도가 분류된 폐플라스틱과 석유계 잔사유를 혼합하는 단계(S130); 및 상기에서 혼합된 혼합물을 개질하여 피치를 제조하는 단계(S140);를 포함할 수 있다.
상기 피치를 제조하는 단계(S100)는 석유계 잔사유와 폐플라스틱의 혼합이 용이하고, 균일하게 이루어져야 하며, 혼합이 균일하지 않을 경우 제조되는 탄소소재의 물성 및 재현성이 감소할 수 있다.
상기 피치를 제조하는 단계(S100)는 상기 폐플라스틱을 파쇄하여 분말화 하는 단계(S110)를 포함한다. 상기 단계(S110)에서는 폐플라스틱을 파쇄하여 폐플라스틱의 입자 크기를 감소시켜 석유계 잔사유와 폐플라스틱이 용이하게 혼합될 수 있도록 한다.
상기 단계(S110)에서 폐플라스틱의 파쇄는 절단기, 분쇄기, 파쇄기 등을 사용하여 수행할 수 있으며, 폐플라스틱의 입도를 감소시킬 수 있는 장치 또는 방법이라면 이에 제한되지 않고 수행될 수 있다.
상기 피치를 제조하는 단계(S100)는 상기 분말화된 폐플라스틱의 입도를 분류하는 단계(S120)를 포함한다. 상기 단계(S120)에서는 파쇄되어 분말화된 폐플라스틱의 입도를 분류한다.
상기 폐플라스틱의 입도는 100 ㎛ 내지 1000 ㎛인 것이 바람직하고, 150 ㎛ 내지 600 ㎛인 것이 더욱 바람직하고, 200 ㎛ 내지 400 ㎛인 것이 가장 바람직하다. 만약, 상기 폐플라스틱의 입도가 100 ㎛ 미만인 경우에는 다수의 파쇄 공정을 거쳐야 하며, 파쇄 시간 또한 증가하여 에너지가 크게 소모될 뿐만 아니라 수율이 낮아 실질적인 효율이 크게 발생하지 않으며, 1000 ㎛를 초과하는 경우 폐플라스틱과 석유계 잔사유를 혼합할 때 균일한 혼합이 어려운 문제가 있다.
상기 피치를 제조하는 단계(S100)는 상기 분말화되어 입도가 분류된 폐플라스틱과 석유계 잔사유를 혼합하는 단계(S130)를 포함한다.
상기 석유계 잔사유와 폐플라스틱의 혼합은 불활성 기체 분위기에서 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적인 일례로 상기 혼합은 30분 내지 300분 동안 수행될 수 있으며, 30분 내지 180분 동안 수행될 수 있고, 60분 내지 120분 동안 수행될 수 있으며, 불활성 기체를 이용하여 내부를 불활성 기체 분위기로 형성한 후 수행할 수 있다. 상기 혼합이 30분 미만의 시간으로 수행되는 경우 석유계 잔사유와 폐플라스틱 간의 충분한 혼합이 이루어지지 않아 균일한 피치를 제조할 수 없는 문제가 있으며, 300분을 초과하는 경우에는 실질적인 효율이 크지 않아 경제적이지 못한 문제가 있다.
또한, 상기 폐플라스틱과 석유계 잔사유의 혼합 비율은 3:97 내지 7:93의 중량비일 수 있다.
상기 피치를 제조하는 단계(S100)는 상기에서 혼합된 혼합물을 개질하여 피치를 제조하는 단계(S140)를 포함한다. 상기 단계(S140)에서는 최종적으로 피치를 제조한다.
상기 피치를 제조하는 단계(S140)는 석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합한 후, 200℃ 내지 500℃의 온도에서 60분 내지 600분 동안 불활성 가스 분위기에서의 열처리를 통해 수행될 수 있다. 또한, 300℃ 내지 450℃의 온도에서 수행될 수 있고, 350℃ 내지 400℃의 온도에서 수행될 수 있다. 나아가, 90분 내지 480분 동안 수행될 수 있으며, 120분 내지 420분 동안 수행될 수 있고, 180분 내지 360분 동안 수행될 수 있다. 만약, 반응온도가 200℃ 미만이거나 반응시간이 60분 미만인 경우에는 충분한 중합이 이루어지지 않아 고형화가 이루어지지 않는 문제가 있으며, 반응온도가 500℃를 초과하거나 반응시간이 600분을 초과하는 경우 수율이 감소하며 코크스화가 일어나 균일한 피치를 얻을 수 없는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법은 상기 피치를 코크스화하여 코크스를 제조하는 단계(S200)를 포함한다.
상기 코크스화는 400℃ 내지 600℃의 온도에서 30분 내지 300분 동안 불활성 가스 분위기에서의 열처리를 통해 수행될 수 있다. 또한, 400℃ 내지 550℃의 온도에서 수행될 수 있고, 450℃ 내지 550℃의 온도에서 수행될 수 있다. 나아가, 45분 내지 240분 동안 수행될 수 있으며, 60분 내지 120분 동안 수행될 수 있다. 만약, 반응온도가 400℃ 미만이거나 반응시간이 30분 미만인 경우에는 충분한 코크스화가 이루어지지 않는 문제가 있으며, 반응온도가 600℃를 초과하거나 반응시간이 300분을 초과하는 경우 수율이 감소하고 최종 생산품인 음극재의 용량과 초기 효율에 실질적인 효율이 크게 발생하지 않게 된다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법은 상기 코크스를 탄화하는 단계(S300)를 포함한다.
상기 단계(S300)는 탄화를 통해 최종적으로 사용될 탄소소재를 제조하는 단계로, 상기 탄화를 통해 소프트 카본이 형성될 수 있다.
상기 탄화는 900℃ 내지 1800℃의 온도에서 30분 내지 180분 동안 불활성 가스 분위기에서의 열처리를 통해 수행될 수 있다. 또한, 900℃ 내지 1400℃의 온도에서 수행될 수 있고, 900℃ 내지 1200℃의 온도에서 수행될 수 있다. 나아가, 45분 내지 120분 동안 수행될 수 있으며, 60분 내지 90분 동안 수행될 수 있다. 만약, 반응온도가 900℃ 미만이거나 반응시간이 30분 미만인 경우에는 탄소소재의 결정구조가 발달할 수 없어 음극재의 효율이 낮게 나타나는 문제가 있으며, 반응온도가 1800℃를 초과하거나 반응시간이 180분을 초과하는 경우에는 리튬이온을 저장할 수 있는 미세공극이 감소하고 리튬이온이 이동할 수 있는 결함이 감소하여 음극재의 초기 용량이 낮아지는 문제점이 있다.
상기 불활성 기체 분위기는 질소 분위기, 아르곤 분위기 등일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에서
석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합하여 피치를 제조하는 단계;
상기 피치를 코크스화하여 코크스를 제조하는 단계; 및
상기 코크스를 탄화하는 단계;를 포함하는 이차전지 음극재의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 이차전지 음극재의 제조방법은 석유계 잔사유와 폐플라스틱을 이용하여 피치를 제조하므로 폐기물 처리 문제를 해결할 수 있고, 이를 고부가 가치화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 석유계 잔사유와 폐플라스틱의 혼합 공정을 개선하여 관능기 조절이 용이하고 수율을 향상시킬 수 있어 제조 원가 절감의 효과를 기대할 수 있다. 나아가, 전기화학적 특성이 향상된 이차전지용 음극재를 제공하며, 이는 종래 소프트카본 음극재의 단점인 낮은 용량과 초기 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 이차전지 음극재의 제조방법은 전술한 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법과 동일하므로 이하에서 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에서
석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합하여 피치를 제조하고,
상기 피치를 코크스화하여 코크스를 제조하고,
상기 코크스를 탄화하여 제조된 이차전지 음극재가 제공된다.
나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서
상기의 이차전지 음극재를 포함하는 이차전지가 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 이차전지 음극재 및 이를 포함하는 이차전지는 전기화학적 특성이 향상된 이차전지용 음극재와 이를 포함하는 이차전지로서, 이는 종래 소프트 카본 음극재보다 우수한 용량과 초기 효율을 나타낼 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예 및 실험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<
실시예
1>
단계 1: 석유계 잔사유로 열분해잔사유(PFO)를 이용하였으며, 폐플라스틱은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 이용하였다. PET는 파쇄기를 이용하여 파쇄하였으며, 파쇄된 분말형태의 PET는 체 거름을 통하여 500 ㎛ 이하의 입도를 갖는 PET 분말을 얻을 수 있었다.
5 중량%의 분말 PET가 첨가된 PFO를 반응기에 투입한 후 질소 기체를 흘려주어 반응기 내부를 불활성 분위기로 만든 후 400 rpm의 속도로 30분 동안 교반하였다. 교반 후, PFO의 개질을 위하여 반응기 내부의 온도를 400℃까지 승온 후 5시간동안 개질하여 피치를 제조하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 피치를 500℃의 온도에서 1시간 동안 질소 기체 분위기에서 코크스화하여 코크스를 제조하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 코크스를 질소 기체가 흐르는 탄화로에 투입한 후 1000℃의 온도에서 1시간 동안 탄화 처리한 후 상온으로 냉각하여 이차전지 음극용 탄소소재를 제조하였다.
<
실시예
2>
상기 실시예 1의 단계 1에서 PET 분말을 PFO 질량 대비 2 중량%로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 이차전지 음극용 탄소소재를 제조하였다.
<
실시예
3>
단계 1: 석유계 잔사유로 열분해잔사유(PFO)를 이용하였으며, 폐플라스틱은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 이용하였다. PET는 파쇄기를 이용하여 파쇄하였으며, 파쇄된 PET 분말을 얻을 수 있었다.
5 중량%의 분말 PET가 첨가된 PFO를 반응기에 투입한 후 질소 기체를 흘려주어 반응기 내부를 불활성 분위기로 만든 후 400 rpm의 속도로 30분 동안 교반하였다. 교반 후, PFO의 개질을 위하여 반응기 내부의 온도를 400℃까지 승온 후 5시간동안 개질하여 피치를 제조하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 피치를 500℃의 온도에서 1시간 동안 질소 기체 분위기에서 코크스화하여 코크스를 제조하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 코크스를 질소 기체가 흐르는 탄화로에 투입한 후 1000℃의 온도에서 1시간 동안 탄화 처리한 후 상온으로 냉각하여 이차전지 음극용 탄소소재를 제조하였다.
<
실시예
4>
상기 실시예 1의 단계 3에서 탄화 처리 온도를 1500℃로 조절한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 이차전지 음극용 탄소소재를 제조하였다.
<
비교예
1>
상기 실시예 1의 단계 1에서 PET 분말을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 이차전지 음극용 탄소소재를 제조하였다.
<
실험예
1> 음극용 탄소소재의 물성평가
1. 수율 분석
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 이차전지 음극용 탄소소재의 반응 전후 무게를 측정하여 수율을 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 개질 수율 | 코크스화 수율 | 탄화 수율 | 전체 수율 | |
| 실시예 1 | 34.66% | 53.81% | 92.38% | 17.23% |
| 실시예 2 | 29.44% | 58.96% | 92.44% | 16.05% |
| 실시예 3 | 31.66% | 52.38% | 92.42% | 15.33% |
| 실시예 4 | 34.66% | 53.81% | 85.23% | 15.90% |
| 비교예 1 | 19.96% | 72.72% | 91.63% | 13.30% |
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 탄소소재는 개질 수율, 코크스화 수율, 탄화 수율 및 전체수율이 가장 높게 나타났다. 한편, 실시예 2의 경우 첨가된 PET 분말의 양이 감소하여 PFO의 개질에 필요한 산소 관능기 도입이 충분하지 않아 전체적인 수율이 감소한 것으로 사료된다. 또한, 실시예 3의 경우 개질 과정에서 PFO와 PET의 혼합이 충분히 이루어지지 않아 산소 관능기를 통하여 중합된 피치의 양이 감소하고, PET가 일부 덩어리로 존재하여 수율이 감소한 것으로 사료된다. 나아가, 실시예 4의 경우 높은 탄화 온도로 인하여 탄화 수율이 감소하였으며, 전체 수율 또한 감소하였다.
특히, 비교예 1의 경우 PET 분말이 첨가 되지 않아 모든 수율이 가장 낮게 나타났다.
2. XRD 분석
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 이차전지 음극용 탄소소재의 결정구조는 XRD를 이용하여 평가하였다. XRD 분석을 통하여 음극용 탄소소재의 d(002), Lc 값을 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| d(002) [Å] | Lc [Å] | |
| 실시예 1 | 3.511 | 15.48 |
| 실시예 2 | 3.504 | 17.05 |
| 실시예 3 | 3.507 | 16.63 |
| 실시예 4 | 3.473 | 26.294 |
| 비교예 1 | 3.5 | 22.149 |
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 모든 이차전지 음극용 탄소소재는 무정형의 카본 특성을 갖고 있었으며, 탄화 온도가 증가함에 따라 d(002)가 감소하고, Lc가 증가하는 경향을 보였다.
<
실험예
2> 음극용 탄소소재의 전기화학적 특성 평가
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 이차전지 음극용 탄소소재의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 코인 타입의 반쪽전지를 제조하였다. 제조된 이차전지 음극용 탄소소재를 전극 활물질로 이용하였으며, SBR을 바인더로 이용하였고, CMC를 도전재로 이용하였으며, 용매는 증류수를 이용하여 슬러리를 제조하였다. 슬러리 제조에 사용된 활물질과 바인더, 도전재는 각각 90:6:3의 질량비로 혼합하였으며, 증류수를 이용하여 슬러리의 점도를 조절하였다. 슬러리는 구리 호일에 코팅한 후 120℃의 진공오븐에서 12시간 동안 건조하여 반쪽전지의 전극을 제조하였다.
반쪽전지는 상대 전극을 리튬 금속으로 하고 셀가드 2400을 분리막으로 사용하였으며, LiPF6(EC/DEC=1:1vol%)를 전해액으로 사용하였다. 상기 소개한 재료를 이용하여 아르곤 기체가 충진된 글로브박스에서 2032 type으로 제조하였다. 제조된 반쪽전지는 초기 용량과 전기화학적 안정성 테스트를 위하여 정전류-정전압 실험을 실시하였다.
제조된 이차전지의 전기화학적 특성 평가는 WBCS 3000 Battery Cycler(Won A Tech)를 이용하여 진행하였으며, 전지의 활물질에 따른 충방전 특성과 속도 특성을 평가하였다.
셀 조립 후 최소 24 시간의 에이징 시간을 주어 전기화학적 평형에 이르게 한 다음, 정전류법-정전압법을 이용해 충방전 테스트 및 속도 특성 테스트를 진행하였고 그 결과를 도 2 및 하기 표 3에 나타내었다.
이 때, 정전류법-정전압법은 실제 전지를 구성하였을 때, 전지 활물질의 성능을 가장 정확하게 평가할 수 있는 방법이고 리튬이차전지의 경우에서 사용되는 재료의 반응 특성에 따른 결과를 나타낼 수 있다.
충방전 테스트와 속도 특성 테스트의 cut-off voltage는 0.01V～2.5V로 하였으며 카본 소재의 이론용량인 372 mAh/g을 기준으로 C-rate를 설정하여 시험을 실시하였고, 속도 테스트는 0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1 C, 2C의 다양한 C-rate에서 진행하였다.
| 1 st cycle | 초기 효율 | 2C/0.1C | |
| 실시예 1 | 305 mAh/g | 84.46% | 91.2% |
| 실시예 2 | 281 mAh/g | 83.71% | 90.5% |
| 실시예 3 | 275 mAh/g | 82.46% | 88.4% |
| 실시예 4 | 200 mAh/g | 88.26% | 72.5% |
| 비교예 1 | 260 mAh/g | 83.03% | 85.9% |
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 탄소소재를 적용한 경우 첫 번째 사이클에서 가장 높은 용량을 나타냈다. 반면, 실시예 2 및 비교예 1의 경우 저장용량이 실시예 1보다 낮게 나타났는데 이는 첨가된 분말 PET의 양이 충분하지 않아 리튬이온의 저장 용량을 증가시킬 수 있는 미세기공 및 리튬이온이 이동할 수 있는 결함이 감소하여 나타난 현상으로 사료된다. 실시예 3의 경우 PET 개질 과정에서 PFO와 PET의 혼합이 충분히 이루어지지 않아 PET 뭉침 현상이 발생하여 산소 관능기가 줄어들었고, 탄화 과정에서 리튬이온의 저장에 적합한 미세기공이 발생하지 못하여 저장 용량이 크지 않은 것으로 사료된다. 실시예 4의 경우 탄화 온도가 증가함에 따라 미세기공 및 결함이 제거되어 저장 용량이 감소한 것으로 판단된다.
Claims (12)
- 석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합하여 피치를 제조하는 단계;
상기 피치를 코크스화하여 코크스를 제조하는 단계; 및
상기 코크스를 탄화하는 단계;를 포함하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 피치를 제조하는 단계는,
폐플라스틱을 파쇄하여 분말화 하는 단계;
상기 분말화된 폐플라스틱의 입도를 분류하는 단계;
상기 분말화되어 입도가 분류된 폐플라스틱과 석유계 잔사유를 혼합하는 단계; 및
상기에서 혼합된 혼합물을 개질하여 피치를 제조하는 단계;를 포함하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 석유계 잔사유는 PFO, NCB-oil, FCC-DO 및 VR로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 폐플라스틱은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리염화비닐(PVC), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS) 및 폴리카보네이트(PC)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 폐플라스틱의 입도는 100 ㎛ 내지 1000 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 석유계 잔사유 및 폐플라스틱의 혼합은 30분 내지 300분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 피치를 제조하는 단계는,
석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합한 후, 200℃ 내지 500℃의 온도에서 60분 내지 600분 동안 불활성 가스 분위기에서의 열처리를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 코크스화는 400℃ 내지 600℃의 온도에서 30분 내지 300분 동안 불활성 가스 분위기에서의 열처리를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 탄화는 900℃ 내지 1800℃의 온도에서 30분 내지 180분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지 음극용 탄소소재의 제조방법.
- 석유계 잔사유 및 폐플라스틱을 혼합하여 피치를 제조하는 단계;
상기 피치를 코크스화하여 코크스를 제조하는 단계; 및
상기 코크스를 탄화하는 단계;를 포함하는 이차전지용 음극재의 제조방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116281949A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-06-23 | 大连理工大学 | 一种利用聚氯乙烯废弃物和煤焦油及其馏分制备硬炭的方法及应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150074295A (ko) * | 2013-12-23 | 2015-07-02 | 주식회사 포스코 | 리튬 이차 전지용 인조흑연 음극재의 제조 방법 및 이로부터 제조된 리튬 이차 전지용 인조흑연 음극재 |
| KR101860069B1 (ko) * | 2016-12-19 | 2018-05-23 | 한국화학연구원 | 석유계 원료로부터 음극재를 제조하는 방법 및 이를 이용한 음극재 |
-
2018
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