KR102439986B1 - Method for manufacturing kenaf-derived activated carbon - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수퍼커패시터용 전극 재료로 사용될 수 있는 케나프-유래 활성탄 및 이의 제조방법에 대한 것으로, 예비-탄화 공정 및 화학적 활성화 공정을 통해 높은 장기간 사이클 안정성과 높은 비정전용량을 나타낼 수 있다.The present invention relates to a kenaf-derived activated carbon that can be used as an electrode material for a supercapacitor and a method for manufacturing the same, and can exhibit high long-term cycle stability and high specific capacitance through a pre-carbonization process and a chemical activation process.

Description

케나프-유래 활성탄의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING KENAF-DERIVED ACTIVATED CARBON}Method for producing kenaf-derived activated carbon

본 발명은 케나프-유래 활성탄 및 이의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to kenaf-derived activated carbon and a method for preparing the same.

물리적 흡착/탈착 과정을 통해 전하를 저장할 수 있는 전기슈퍼커패시터는 이의 높은 전기 용량 및 장기간의 사이클 안정성 ‹š문에 휴대 전자기기 및 전기차 등의 여러 분야에서 가장 유망한 에너지 저장 장비로서 각광받고 있다. 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능은 제조시 사용된 전극 재료의 특성에 따라 달라진다. 특히, 슈퍼커패시터의 전기용량은 활물질의 표면에 비례하고 electric double-layers (EDLs)의 두께에 반비례하므로, 높은 표면적과 적절한 나노다공성 구조의 EDLs을 갖는 개선된 전극 설계가 필요하다.Electric supercapacitors that can store electric charges through physical adsorption/desorption processes are attracting attention as the most promising energy storage equipment in various fields such as portable electronic devices and electric vehicles due to their high electric capacity and long-term cycle stability. The electrochemical performance of a supercapacitor depends on the properties of the electrode material used in its manufacture. In particular, since the capacitance of supercapacitors is proportional to the surface of the active material and inversely proportional to the thickness of electric double-layers (EDLs), improved electrode designs with high surface area and appropriate nanoporous structure EDLs are needed.

활성탄은 높은 비표면적, 저렴한 가격, 우수한 전기 전도성 및 잘 규정된 기공 구조를 가지고 있어 슈퍼커패시터용 전극 재료로 널리 사용되고 있다. 또한, 레독스활성(redoxactive) 헤테로원자를 함유하는 나노구조의 탄소 재료는 리튬 및/또는 나트륨 이온의 저장을 위한 캐소드 재료로서 주목을 받고 있다. 나노구조의 탄소 재료의 몇몇 헤테로원자 작용기는 빠르고 매우 안정한 유사용량성(pseudocapacitive) 전하 충전을 위한 레독스 호스트로서 작용할 수 있다. 그러므로, EDL 전기용량 및 유사전기용량 둘 다에 사용할 수 있는 전략으로 슈퍼커패시터의 에너지 밀도의 증가가 제시되고 있다.Activated carbon has a high specific surface area, low price, excellent electrical conductivity and well-defined pore structure, so it is widely used as an electrode material for supercapacitors. In addition, nanostructured carbon materials containing redoxactive heteroatoms are attracting attention as cathode materials for the storage of lithium and/or sodium ions. Several heteroatom functional groups in nanostructured carbon materials can act as redox hosts for fast and highly stable pseudocapacitive charge charging. Therefore, increasing the energy density of supercapacitors has been proposed as a strategy that can be used for both EDL capacitance and pseudocapacitance.

한국공개특허 10-2020-0042689호Korean Patent Publication No. 10-2020-0042689

이에, 본 발명의 발명자들은 KOH와의 화학 활성화에 의한 케나프-유래 나노다공성 활성탄의 제조시, KOH 비율을 조절하여 나노구조 및 기공 구조를 제어할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the inventors of the present invention completed the present invention by confirming that the nanostructure and pore structure can be controlled by adjusting the KOH ratio in the preparation of kenaf-derived nanoporous activated carbon by chemical activation with KOH.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 케나프를 1 내지 5℃ min-1의 가열속도로 400℃까지 예비-탄화시키는 단계; 및 1 내지 10℃ min-1의 가열속도로 800℃까지 가열하면서 상기 예비-탄화된 케나프에 1:1 내지 6의 중량비로 KOH를 처리하는 화학적 활성화 단계;를 포함하는, 케나프-유래 활성탄의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of pre-carbonizing kenaf to 400 °C at a heating rate of 1 to 5 °C min -1 ; and a chemical activation step of treating the pre-carbonized kenaf with KOH in a weight ratio of 1:1 to 6 while heating to 800°C at a heating rate of 1 to 10°C min -1 ; It provides a manufacturing method of

또한 본 발명은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된, 케나프-유래 활성탄을 제공한다.The present invention also provides a kenaf-derived activated carbon prepared by the manufacturing method according to the present invention.

본 발명의 케나프-유래 활성탄은 잘 발달된 마이크로포어 및 다수의 O- 및 N-함유 종을 갖는 나노미터 육각 탄소층으로 구성된 무정형 탄소 구조로서, 산소 및 질소와 같은 다수의 레독스-활성화 헤테로원자를 가지며 2,150.1 m2g-1의 높은 비표면적을 보인다. 이러한 독특한 물질 특성으로 인해 높은 장기간 사이클 안정성과 ~132.5 W hkg-1의 비정전용량을 나타내어 Na-이온 저장 캐소드에 상응하는 높은 전기화학적 성능을 나타내고 있어, 우수한 슈퍼커패시터용 전극 재료로서 사용될 수 있다.The kenaf-derived activated carbon of the present invention is an amorphous carbon structure composed of a nanometer hexagonal carbon layer with well-developed micropores and multiple O- and N-containing species, and a large number of redox-activated heterogeneous carbons such as oxygen and nitrogen. It has atoms and shows a high specific surface area of 2,150.1 m 2 g -1 . Due to these unique material properties, it exhibits high long-term cycle stability and specific capacitance of ~132.5 W hkg -1 , thereby exhibiting high electrochemical performance corresponding to a Na-ion storage cathode, which can be used as an excellent electrode material for supercapacitors.

도 1은 (a) 케나프 파이버의 Thermogravimetric 및 differential thermal 분석 곡선과 이의 광학 이미지 (삽도) 및 (b) kAC 샘플의 FE-SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 (a) kACs의 X-선 분절 패턴 및 (b) 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3은 (a) 질소 adsorption 및 desorption isotherms of kACs의 질소 흡탈착 등온선 및 (b) 이의 포어 크기 분포 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 2.5-4.5 V vs. Na+/Na의 전압 윈도우 상에서 galvanostatic charge/discharge method에 의해 특성화된 kACs의 전기화학적 성능을 나타낸 것이다. (a) 0.1 A g-1의 충방전율에서 EC:DEC (1:1 v:v)에 용해된 1 M NaPF6의 전해질에서의 이차 프로필. (b) 0.1 내지 1 A g-1의 레이트 특성 및 (c) kACs 전극의 1 A g-1에서 1000 사이클에서의 사이클링 성능.
1 shows (a) thermogravimetric and differential thermal analysis curves of kenaf fibers and their optical images (inset) and (b) FE-SEM images of kAC samples.
2 shows (a) an X-ray segment pattern of kACs and (b) a Raman spectrum.
Figure 3 shows (a) nitrogen adsorption and desorption isotherms of kACs nitrogen adsorption and desorption isotherms and (b) its pore size distribution results.
4 shows 2.5-4.5 V vs. The electrochemical performance of kACs characterized by the galvanostatic charge/discharge method over the Na+/Na voltage window is shown. (a) Secondary profile in electrolyte of 1 M NaPF 6 dissolved in EC:DEC (1:1 v:v) at a charge-discharge rate of 0.1 A g -1 . (b) rate characteristics from 0.1 to 1 A g −1 and (c) cycling performance at 1 A g −1 at 1000 cycles of the kACs electrode.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명에 있어, 당업자에게 주지 저명한 기술에 대해서는 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, detailed descriptions of well-known techniques known to those skilled in the art may be omitted. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description may be omitted. In addition, the terms used in this specification are terms used to properly express a preferred embodiment of the present invention, which may vary according to the intention of a user or operator or customs in the field to which the present invention belongs.

따라서 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 발명은 케나프-유래 활성탄 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to kenaf-derived activated carbon and a method for preparing the same.

상기 케나프-유래 활성탄은 하기의 제조방법에 의해 제조될 수 있다:The kenaf-derived activated carbon can be prepared by the following preparation method:

케나프를 1 내지 5℃ min-1의 가열속도로 400℃까지 예비-탄화시키는 단계; 및pre-carbonizing the kenaf to 400° C. at a heating rate of 1 to 5° C. min −1 ; and

1 내지 10℃ min-1의 가열속도로 800℃까지 가열하면서 상기 예비-탄화된 케나프에 1:1 내지 6의 중량비로 KOH를 처리하는 화학적 활성화 단계.A chemical activation step of treating the pre-carbonized kenaf with KOH in a weight ratio of 1:1 to 6 while heating to 800°C at a heating rate of 1 to 10°C min −1 .

상기 예비-탄화시키는 단계에서 가열속도는 2℃ min-1일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 예비-탄화시키는 단계는 케나프를 2℃ min-1의 느린 가열 속도로 400℃까지 가열하여 탄소 구조로 전환되는 공액 구조를 더 많이 형성할 수 있다.The heating rate in the pre-carbonizing step may be 2° C. min −1 , but is not limited thereto. The pre-carbonizing step can heat the kenaf to 400° C. at a slow heating rate of 2° C. min −1 to form more conjugated structures that are converted to carbon structures.

상기 화학적 활성화 단계에서 가열속도는 5℃ min-1일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the chemical activation step, the heating rate may be 5° C. min −1 , but is not limited thereto.

상기 화학적 활성화 단계에서, 상기 예비-탄화된 케나프에 1:1 내지 6의 중량비, 예를 들어 1:4의 중량비의 KOH를 처리하여 활성탄의 나노구조 및 기공 구조를 제어할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In the chemical activation step, the nanostructure and pore structure of the activated carbon can be controlled by treating the pre-carbonized kenaf with KOH in a weight ratio of 1:1 to 6, for example, a weight ratio of 1:4, but is limited thereto. doesn't happen

상기 케나프는 케나프 줄기의 미세분말일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 케나프는 케나프 줄기를 미세분말로 분쇄한 후 건조시켜 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The kenaf may be a fine powder of kenaf stems, but is not limited thereto. For example, the kenaf may be used by grinding the kenaf stem into a fine powder and then drying it, but is not limited thereto.

상기 예비-탄화시키는 단계 및 상기 화학적 활성화 단계에서 가열은 Ar 플로우 하에서 실시될 수 있으며, 예를 들어, 100 cm3min-1의 일정한 Ar 플로우 하에서 실시될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Heating in the pre-carbonizing step and the chemical activation step may be performed under an Ar flow, for example, may be performed under a constant Ar flow of 100 cm 3 min −1 , but is not limited thereto.

상기 제조방법에 의해 제조된 케나프-유래 활성탄은 슈퍼커패시터용 전극 재료로 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The kenaf-derived activated carbon prepared by the above manufacturing method may be used as an electrode material for a supercapacitor, but is not limited thereto.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예들은 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail. Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of Examples. However, these examples are for describing the present invention in detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예 1. 케나프-유래 활성탄(kACs)의 제조Example 1. Preparation of Kenaf-Derived Activated Carbons (kACs)

분쇄기를 사용하여 케나프의 줄기를 미세분말로 분쇄하고 하루 동안 컨벡션 오븐으로 건조하였다. 그런 다음, 약 4.0 g의 케나프 분말을 드웰링 타임(dwelling time) 없이 400℃까지 예비-탄화시켰다. 가열 속도는 100 cm3min-1의 일정한 Ar 플로우 하에서 2℃ min-1이었다. 예비-탄화된 케나프 분말을 0.1 M HCl 용액 및 탈이온수로 중화될 때까지 여러 번 세척하였다. 컨벤션 오븐에서 2일 동안 80℃로 건조한 후, 800℃까지 KOH를 1:1, 1:2, 1:4, 및 1:6의 중량비로 사용하여 화학적 활성화 공정을 실시하였다. 화학적 활성화 공정은 KOH 분말을 예비 탄화된 케나프와 상기 중량비로 교반하여 섞은 후, 활성화를 진행하였다. 제조된 케나프-유래 활성탄 (kACs)을 각각 kAC-0.5, kAC-1, kAC-2, 및 kAC-4로 명명하였다. 가열 속도는 100 cm3min-1의 일정한 Ar 플로우 하에서 5℃ min-1이었다. The stems of kenaf were crushed into fine powder using a grinder and dried in a convection oven for one day. Then, about 4.0 g of kenaf powder was pre-carbonized to 400° C. without dwelling time. The heating rate was 2° C. min −1 under a constant Ar flow of 100 cm 3 min −1 . The pre-carbonized kenaf powder was washed several times until neutralized with 0.1 M HCl solution and deionized water. After drying at 80°C for 2 days in a convention oven, a chemical activation process was performed using KOH at a weight ratio of 1:1, 1:2, 1:4, and 1:6 up to 800°C. In the chemical activation process, KOH powder was stirred and mixed with the pre-carbonized kenaf in the above weight ratio, and then activation was performed. The prepared kenaf-derived activated carbons (kACs) were named kAC-0.5, kAC-1, kAC-2, and kAC-4, respectively. The heating rate was 5° C. min −1 under a constant Ar flow of 100 cm 3 min −1 .

실시예 2. 케나프-유래 활성탄(kACs)의 특성화 및 전기화학적 특성화Example 2. Characterization and Electrochemical Characterization of Kenaf-Derived Activated Carbons (kACs)

특성화characterization

케나프 줄기의 열적 거동을 블활성 아르곤 가스 하에서 10℃min-1의 가열 속도로 실온에서 1,000℃까지 thermogravimetric 분석 (TGA; TG 209 F3, NETZSCH, Germany)으로 분석하였다 kAC 샘플의 형태를 field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM, S-4300, Hitachi, Japan)를 사용하여 확인하였다. linearly polarized continuous-wave laser (514.5 nm, 2.41 eV, 16 mW)를 사용하여 라만 스펙트럼을 기록하였다. 레이저빔을 ×100 대물렌즈를 사용하여 포커싱하여, ∼1 μm의 지름을 갖는 스팟이 되도록 하였다. 각 스펙트럼에서 수집된 획득시간 및 사이클 수는 각각 10초 및 3사이클이었다. X-ray diffraction (XRD, Rigaku D/MAX 2500) 분석을 40 kV 및 100 mA에서 Cu Kα radiation (λ = 0.154 nm)을 사용하여 실시하였다. 샘플의 화학 조성을 monochromatic Al Kα radiation (hν = 1,486.6 eV)을 사용하여 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, PHI 5700 ESCA, USA)으로 확인하였다. 샘플의 기공 구조를 -196℃에서 surface area and porosimetry analyzer (Tristar, Micromeritics, USA)을 사용해 얻어진 N2 흡탈착 등온선을 사용하여 분석하였다.The thermal behavior of the kenaf stems was analyzed by thermogravimetric analysis (TGA; TG 209 F3, NETZSCH, Germany) from room temperature to 1,000°C at a heating rate of 10°C min −1 under inactivated argon gas (TGA; TG 209 F3, NETZSCH, Germany). It was confirmed using scanning electron microscopy (FE-SEM, S-4300, Hitachi, Japan). Raman spectra were recorded using a linearly polarized continuous-wave laser (514.5 nm, 2.41 eV, 16 mW). The laser beam was focused using a ×100 objective, resulting in a spot with a diameter of ∼1 μm. The acquisition time and number of cycles collected in each spectrum were 10 s and 3 cycles, respectively. X-ray diffraction (XRD, Rigaku D/MAX 2500) analysis was performed using Cu Kα radiation (λ = 0.154 nm) at 40 kV and 100 mA. The chemical composition of the sample was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, PHI 5700 ESCA, USA) using monochromatic Al Kα radiation (hν = 1,486.6 eV). The pore structure of the sample was analyzed using an N2 adsorption/desorption isotherm obtained at -196°C using a surface area and porosimetry analyzer (Tristar, Micromeritics, USA).

전기화학적 특성화Electrochemical characterization

kAC의 전기화학적 특성을 Wonatech automatic battery cycler 및 CR2032형 코인 셀을 사용하여 확인하였다. 코인 셀을 아르곤이 채워진 글로브 박스에 조립한 후, 샘플을 기준 및 상대 전극으로서 금속성 Na 포일을 갖는 작동 전극으로서 시험하였다. 작동 전극으로서 슬러리를 N-methyl-2-pyrrolidone (OCI Co., 99.9%, USA)중에 전도성 탄소 (10 wt.%; Alfa Aesar Co., purity: >99%, England) 및 polyvinylidene fluoride (10 wt.%; Sigma-Aldrich, USA)과 활물질(80 wt.%)을 혼합하여 제조하였다. 제조된 슬러리를 Al 포일(Wellcos Co., Korea)에 균일하게 코팅하고, 및 80℃에서 1시간 동안 건조한 후 롤 프레스하였다. 활물질의 매스 로딩은 ~1 mg cm-2이었으며, 총 전극 중량은 약 1-2 mg이었다. ethylene carbonate 및 propylene carbonate의 혼합물 (EC:PC =1:1 v/v)에 1M NaPF6(Sigma-Aldrich,USA,purity:99.99%)을 용해하여 유기 전해질을 제조하였다. glass microfiber filter (GF/F, Whatman, Germany)를 분리막으로 사용하였다.The electrochemical properties of kAC were confirmed using Wonatech automatic battery cycler and CR2032 type coin cell. After the coin cells were assembled in an argon-filled glove box, the samples were tested as working electrodes with metallic Na foils as reference and counter electrodes. As a working electrode, a slurry was prepared in N-methyl-2-pyrrolidone (OCI Co., 99.9%, USA) in conductive carbon (10 wt.%; Alfa Aesar Co., purity: >99%, England) and polyvinylidene fluoride (10 wt. .%; Sigma-Aldrich, USA) and an active material (80 wt.%) were mixed. The prepared slurry was uniformly coated on Al foil (Wellcos Co., Korea), dried at 80° C. for 1 hour, and then roll pressed. The mass loading of the active material was ˜1 mg cm −2 and the total electrode weight was about 1-2 mg. An organic electrolyte was prepared by dissolving 1M NaPF 6 (Sigma-Aldrich, USA, purity:99.99%) in a mixture of ethylene carbonate and propylene carbonate (EC:PC = 1:1 v/v). A glass microfiber filter (GF/F, Whatman, Germany) was used as a separator.

결과result

케나프의 열적 안정성은 도 1a 에 나타낸 바와 같이 TGA 및 DTA로 확인하였다. 150℃ 이하에서는 흡착 수분의 제거로 약간의 중량 손실 (~2wt.%)이 관찰되었다. 약 200℃까지는 중량을 일정하게 유지하였으나, 250 및 350℃ 사이의 온도 범위에서는 케나프의 열 분해가 시작되어 ~67wt.% (케나프 전체 중량에서 ~78wt의 빠른 중량 감소가 관찰되었다. 350℃ 이상에서는 중량이 꾸준히 감소하고 1,000℃까지 열분해한 후에는 약 14%의 잔류 중량이 측정되었다. 충분한 열이 가해졌을 때, 셀룰로오스 및 리그난 분자는 글리코사이드 및 에테르 결합의 열 분해에 의해 공액 중간체로 전환되기 시작한다. 열을 더 가하면, 공액 구조가 서로 연결되어 sp 2 탄소 구조를 형성한다. 250 및 350℃ 사이의 유의적인 중량 손실을 감안하면, 셀룰로오스, 리그난 및 헤미셀룰로오스와 같은 일차 성분들이 열분해되면서 공액구조로 전환된 것으로 보여진다. 그러나, 빠른 승온속도로 인해 열-안정성 공액 구조를 형성하지 못하고 400℃ 이상에서 지속적인 중량 손실을 보이게 된다. 즉, 고온에서 탄소 구조로 전환되는 더 많은 공액 구조를 형성하기 위해 케나프의 충분한 열처리가 필요하다. 이에 본 발명에서는 2℃/min의 느린 가열 속도로 400℃의 예비-탄화를 실시하고 예비-탄화된 샘플을 여러 중량비의 KOH를 사용하여 활성화하였다. The thermal stability of kenaf was confirmed by TGA and DTA as shown in FIG. 1a . Below 150°C, a slight weight loss (~2wt.%) was observed due to the removal of adsorbed moisture. The weight was kept constant up to about 200 °C, but in the temperature range between 250 and 350 °C, thermal decomposition of the kenaf started and a rapid weight loss of ~67 wt.% (~78 wt. of the total weight of the kenaf was observed. 350 °C In the above, the weight steadily decreased and a residual weight of about 14% was measured after pyrolysis to 1,000° C. When sufficient heat was applied, cellulose and lignan molecules were converted to conjugated intermediates by thermal decomposition of glycoside and ether bonds. When more heat is applied, the conjugated structures are linked together to form an sp 2 carbon structure Given the significant weight loss between 250 and 350° C., the primary components such as cellulose, lignans and hemicelluloses are pyrolyzed as they become conjugated. However, due to the high temperature increase rate, it does not form a heat-stable conjugated structure and shows a continuous weight loss above 400° C. That is, more conjugated structures are formed that are converted to a carbon structure at high temperature. Therefore, in the present invention, pre-carbonization was performed at 400° C. at a slow heating rate of 2° C./min, and the pre-carbonized sample was activated using various weight ratios of KOH.

kAC의 형태를 FE-SEM를 사용하여 관찰하고 도 1b에 나타냈다 낮은 KOH 비율을 갖는 활성화 샘플(kAC-1 및 Kac-2)은 무작위의 마이크로-규모의 벌크 입자 형태를 보인 반면, 높은 KOH 비율을 갖는 kAC-4 및 kAC-6은 거친 표면을 갖는 붕괴 구조를 보였다. KOH를 사용한 화학적 활성화 메커니즘은 다음과 같다: 1) 칼륨 화합물 및 탄소 원자 사이의 레독스 반응을 통한 기공 구조의 생성, 2) 탄소의 가스화를 통한 기공 구조의 발달, 및 3) 탄소 매트릭스로의 활성화 동안 발생한 금속성 칼륨이 사이에 끼어들어 발생한 탄소 격자의 연장을 통한 기공 구조의 추가 발달. 즉, kAC간의 구조적 차이는 KOH 비율에 따른 다른 활성화 효과, 식각된 탄소의 양 및 박리된 탄소층으로부터 야기된 것이다.The morphology of kAC was observed using FE-SEM and shown in Fig. 1b. Activated samples with low KOH ratios (kAC-1 and Kac-2) showed random micro-scale bulk particle morphology, whereas high KOH ratios were observed. With kAC-4 and kAC-6, they showed collapsed structures with rough surfaces. The chemical activation mechanism using KOH is as follows: 1) creation of pore structure through redox reaction between potassium compound and carbon atom, 2) development of pore structure through gasification of carbon, and 3) activation into carbon matrix. Further development of the pore structure through extension of the carbon lattice caused by intercalation of metallic potassium generated during That is, the structural difference between kACs is caused by the different activation effects according to the KOH ratio, the amount of etched carbon, and the exfoliated carbon layer.

kAC의 탄소 미세구조를 XRD 및 Raman spectroscopy를 통해 분석하고 그 결과를 도 2a에 나타냈다. kAC-0의 XRD 패턴은 대략 23° 및 43°에 집중된 두 개의 넓은 피크를 보이며, 이는 각각 육각 그래파이트 구조의 (002) 및 (100) 반사면에 해당하는 것으로 전형적인 무정형의 탄소 구조가 존재함을 나타내는 것이다. 활성화 공정 후에, kACs의 그래파이트 (002) 피크는 작은 각으로 쉬프트되고 더 넓어졌으며, 이는 각각 평균 층간 거리가 증가하고 스택층의 수가 감소함을 나타내는 것이다. (002) 피크 소멸의 경향은 KOH 비율이 증가하면서 좀 더 분명해진다. kAC-4 및 kAC-6의 XRD 패턴은 (002) 반사를 거의 보이지 않으며, 이는 산소에 의한 탄소의 소비 및 그래파이트 탄소층 사이의 금속성 칼륨의 통과로 인해 야기되는 탄소층의 낮은 스택킹 구조를 확인해주는 것이다.The carbon microstructure of kAC was analyzed by XRD and Raman spectroscopy, and the results are shown in FIG. 2a. The XRD pattern of kAC-0 shows two broad peaks centered at approximately 23° and 43°, which correspond to the (002) and (100) reflective surfaces of the hexagonal graphite structure, respectively, indicating that a typical amorphous carbon structure exists. it will indicate After the activation process, the graphite (002) peaks of kACs were shifted to small angles and broadened, indicating that the average interlayer distance increased and the number of stacked layers decreased, respectively. The trend of (002) peak extinction becomes more evident as the KOH ratio increases. The XRD patterns of kAC-4 and kAC-6 show little (002) reflection, confirming the low stacking structure of the carbon layer caused by the consumption of carbon by oxygen and the passage of metallic potassium between the graphitic carbon layers. it will do

kAC 샘플의 라만 스펙트럼은 두 개의 대표적인 탄소 밴드, ∼1,580 cm-1의 진동수에서 sp 2 탄소를 갖는 그래파이트층의 E2g바이브레이션 모델(G 밴드라 명명함) 및 ∼1,350 cm-1의 진동수에서 구조적 결함에 상응하는 basal edge 근처의 sp 2 결합 탄소의 A1g 브리딩 모델 (D 밴드로 알려짐)를 보였다. XRD 결과와는 대조적으로, 모든 kAC 샘플은 높은 KOH 비율로 활성화를 진행한 후에도 거의 유사한 라만 스펙트럼을 보였다 (kAC-4). kAC-0, kAC-1, kAC-2, kAC-4, 및 kAC-6의 I D /I G 강도 비율은 각각 0.89, 0.92, 0.86, 0.89, 및 0.87로 추산되었으며, 이는 소수의 나노미터를 갖는 육각 탄소 구조가 활성화 과정을 통해 유의미하게 파괴되지 않았음을 나타내는 것이다. 즉, 화학적 활성화 과정 후에, kAC 샘플은 여전히 육각 탄소 결정 구조를 포함한다. The Raman spectrum of the kAC sample shows two representative carbon bands, an E 2g vibrational model of a graphite layer with sp 2 carbon at a frequency of ∼1,580 cm −1 (referred to as the G band) and a structural defect at a frequency of ∼1,350 cm −1 . showed a model of A 1g breathing (known as D band) of sp 2 bonded carbons near the basal edge corresponding to Contrary to the XRD results, all kAC samples showed almost similar Raman spectra even after activation with a high KOH ratio (kAC-4). The I D /I G intensity ratios of kAC-0, kAC-1, kAC-2, kAC-4, and kAC-6 were estimated to be 0.89, 0.92, 0.86, 0.89, and 0.87, respectively, which represent a fraction of nanometers. This indicates that the hexagonal carbon structure having a structure was not significantly destroyed through the activation process. That is, after the chemical activation process, the kAC sample still contains a hexagonal carbon crystal structure.

kAC의 표면 특성을 XPS를 사용하여 확인하고 표 1에 나타냈다. KOH 비율이 증가함에 따라, 헤테로원자 함량(질소 + 산소)이 12.1에서 27.1 at.%로 증가함이 확인되었다. 특히, 유사용량성 전하 충전에 유리한 C=O 결합을 비롯한 산소 함량이 화학적 활성화 이후 현저하게 증가하였다. XRD 및 라만 결과를 고려하면, 다수의 헤테로원자가 mono- 및 di-vacancies, Stone-Wales defects, adatoms, 및 edge defects와 같은 위상적 결함 부위에 주로 도입된 것임을 제안할 수 있다.The surface properties of kAC were confirmed using XPS and are shown in Table 1. As the KOH ratio increased, it was confirmed that the heteroatom content (nitrogen + oxygen) increased from 12.1 to 27.1 at.%. In particular, the oxygen content, including C=O bonds favorable for pseudocapacitive charge charging, increased significantly after chemical activation. Considering the XRD and Raman results, it can be suggested that a number of heteroatoms are mainly introduced into topological defect sites such as mono- and di-vacancies, Stone-Wales defects, adatoms, and edge defects.

Figure 112020089177828-pat00001
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kACs의 기공 구조 및 표면적을 질소 흡탈착 등온 곡선을 이용하여 조사하고 이를 도 3 및 표 2에 나타냈다. KOH 비율이 증가할수록 0.1 이하의 상대 압력에서 질소 흡착량이 현저하게 증가함이 관찰되었으며, 이는 단일층 흡착의 양이 증가함을 나타내는 것이다. 이 결과는 탄소층의 표면에서 질소 분자의 흡착이 화학적 활성화에 의해 유도된 부족한 스택킹 장애 육각 구조의 증가와 함께 증가함을 암시하는 것이다. 자세히는 kAC-1 및 kAC-2의 등온 곡선이 대표적인 International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) type-I shape이며, 이는 마이크로포어 구조를 나타내는 것이다. Brunauer-Emmett-Teller (BET) theory를 사용하여 계산한 비표면적은 각각 1,350 및 1,941 m2g-1이었으며, 마이크로포어 표면적은 각각 1,048 및 1,523 m2g-1에 상응한다. kAC-4 및 kAC-6의 등온 곡선은 IUPAC type-I 및 type-II 하이브리드 등온선을 보였으며, 이는 마이크로기포어 및 마크로포어 구조를 나타내는 것이다. kAC-4 및 kAC-6의 비표면적은 각각 2,128 및 2,719 m2g-1이었다. 흥미롭게도, 비표면적이 현저하게 증가했지만, 이들의 마이크로포어 표면적(kAC-4 및 kAC-6에서 각각 1,584 및 1,616 m2g-1)은 kAC-2에 비해 많이 증가하지 않았다. 즉, kAC-4 및 kAC-6이 더 많은 메조- 및 마크로포어를 갖는 것으로, 이는 전기용량 EDL 전하 충전을 위한 높은 비표면적 뿐만 아니라 빠른 전하 충전에도 이점이 있음을 나타내는 것이다. The pore structure and surface area of kACs were investigated using a nitrogen adsorption/desorption isothermal curve and are shown in FIG. 3 and Table 2. As the KOH ratio increased, it was observed that the amount of nitrogen adsorption at a relative pressure of 0.1 or less significantly increased, indicating that the amount of monolayer adsorption increased. This result suggests that the adsorption of nitrogen molecules on the surface of the carbon layer increases with the increase of the insufficient stacking hindered hexagonal structure induced by chemical activation. In detail, the isothermal curves of kAC-1 and kAC-2 are representative International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) type-I shape, which represents the micropore structure. The specific surface areas calculated using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) theory were 1,350 and 1,941 m 2 g -1 , respectively, and the micropore surface areas corresponded to 1,048 and 1,523 m 2 g -1 , respectively. The isothermal curves of kAC-4 and kAC-6 showed IUPAC type-I and type-II hybrid isotherms, indicating micropore and macropore structures. The specific surface areas of kAC-4 and kAC-6 were 2,128 and 2,719 m 2 g −1 , respectively. Interestingly, although the specific surface area was significantly increased, their micropore surface area (1,584 and 1,616 m 2 g −1 in kAC-4 and kAC-6, respectively) did not increase significantly compared to kAC-2. That is, kAC-4 and kAC-6 have more meso- and macropores, indicating that they have advantages for fast charge charging as well as high specific surface area for capacitive EDL charge charging .

Figure 112020089177828-pat00002
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kAC의 전기화학적 성능을 0.1 A g-1의 충방전율(current rate)에서 1.5-4.5 V vs Na+/Na의 전압 범위에서 조사하고 도 4에 나타냈다. 모든 샘플의 2차 galvanostatic charge/discharge 곡선은 정체기 없이 선형 프로필을 보였으며, 이는 표면-구동 전기용량 전하 거동을 야기한다. kAC-6 전극을 제외한 전극의 프로필은 전압 히스테리시스가 없음을 보이며, 이는 전기 이중층 현상에 근거한 가역 전하 메커니즘을 나타내는 것이다. kAC-1, kAC-2, 및 kAC-4의 경우, 가역 전기용량이 0.1 A g-1의 충방전율에서 약 150 mA h g-1이며, kAC-6 전극은 ~110 mA h g-1의 비가역 전기용량을 보이는데, 이는 실린더 효과를 야기하는 상대적으로 큰 메조포어에 의한 낮은 가역성을 의미하는 것이다. 충방전율이 0.1에서 10 A g-1으로 지속적으로 증가되므로, 주목할만한 레이트 특성(rate capability)이 발견되었다 (도 4b 및 표 3). 특히, kAC-4 전극의 레이트 특성은 상당히 빠른 전하 충전 동역학을 입증하는 것으로, 다른 샘플에 비해 증가된 충방전율을 갖는 분명한 차이를 보인다. kAC-4 전극의 비용량은 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 및 10 A g-1의 충방전율에서 각각 150, 145, 141, 123, 113, 95, 및 83 mA h g-1이였으며, ~149 mA h g-1의 가역 비용량이 회복되었는데, 이는 주목할만한 가역성이다. 이러한 결과들은 전하 충전이 이들의 마이크로구조 및 벌크 밀도에 관련된 것임을 암시한다. 상기 언급된 바와 같이, kAC-4 및 kAC-6의 마이크로포어 영역을 제외한 SEXT수치(> 2 nm)는 각각 554 및 1,113 m2g-1이었다. 이는 혹독한 활성화 조건이 kAC-4보다 상대적으로 큰 포어를 유도하고 전하 캐리어를 위한 경로를 포함하는 이들의 마이크로구조가 붕괴함을 제시하는 것이다. 이러한 더 큰 포어 경향은 또한 밀도에서도 비슷하다. kAC 샘플은 1.12에서 1.36 g cm-1로 밀도가 단계적으로 증가하나, kAC-6의 밀도(1.25 g cm-1)는 kAC-4 샘플에 비해 상대적으로 감소하였다. kAC-6의 메조포어 및 마크로포어 부피는 탄소 마이크로구조 유닛의 복합체에 의한 마크로포어 형성에 의해 kAC-4보다 크며, 이는 강한 화학적 활성화 효과에 의해 유도된 것이다. 결과적으로, kAC-6 전극의 레이트 특성은 애노드의 실제 용도에 적합하지 않은 전기화학적 성능을 보였다. 다른 두드러진 결과는 도 4c에 도시된 바와 같이 kAC-4의 매우 안정적인 사이클링 성능이다. 1 A g-1의 충방전율에서 Galvanostatic 충전/방전 사이클링은 1000 사이클 이상에서도 매우 안정하였으며 82%의 평균 사이클 유지를 갖는다.The electrochemical performance of kAC was investigated in a voltage range of 1.5-4.5 V vs Na + /Na at a current rate of 0.1 A g -1 and shown in FIG. 4 . The second-order galvanostatic charge/discharge curves of all samples showed a linear profile without plateaus, leading to a surface-driven capacitive charge behavior. The profiles of the electrodes except for the kAC-6 electrode showed no voltage hysteresis, indicating a reversible charge mechanism based on the electric double layer phenomenon. For kAC-1, kAC-2, and kAC-4, the reversible capacitance is about 150 mA hg -1 at a charge/discharge rate of 0.1 A g -1 , and the kAC-6 electrode has an irreversible electricity of ~110 mA hg -1 . capacity, which means low reversibility due to the relatively large mesopores causing the cylinder effect. As the charge/discharge rate was continuously increased from 0.1 to 10 A g −1 , a remarkable rate capability was found ( FIG. 4b and Table 3). In particular, the rate characteristic of the kAC-4 electrode demonstrates a significantly faster charge-charge kinetics, showing a clear difference with increased charge-discharge rate compared to other samples. The specific capacity of the kAC-4 electrode was 150, 145, 141, 123, 113, 95, and 83 mA hg -1 at charge/discharge rates of 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, and 10 A g -1 , respectively. , and a reversible specific capacity of ˜149 mA hg −1 was recovered, which is noteworthy reversibility. These results suggest that charge charging is related to their microstructure and bulk density. As mentioned above, the S EXT values (>2 nm) excluding the micropore regions of kAC-4 and kAC-6 were 554 and 1,113 m 2 g −1 , respectively. This suggests that the harsh activation conditions induce pores that are relatively larger than kAC-4 and their microstructures, including pathways for charge carriers, collapse. This larger pore trend is also similar in density. The density of the kAC sample increased stepwise from 1.12 to 1.36 g cm −1 , but the density of kAC-6 (1.25 g cm −1 ) was decreased relative to that of the kAC-4 sample. The mesopore and macropore volume of kAC-6 is larger than that of kAC-4 by macropore formation by a complex of carbon microstructure units, which is induced by a strong chemical activation effect. As a result, the rate characteristics of the kAC-6 electrode showed electrochemical performance that was not suitable for the actual use of the anode. Another striking result is the very stable cycling performance of kAC-4 as shown in Fig. 4c. Galvanostatic charge/discharge cycling at a charge-discharge rate of 1 A g -1 was very stable even over 1000 cycles and had an average cycle retention of 82%.

Figure 112020089177828-pat00003
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이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, with respect to the present invention, the preferred embodiments have been looked at. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims (7)

케나프를 1.9-2.1℃ min-1의 가열속도로 400℃까지 예비-탄화시키는 단계; 및
4.9-5.1℃ min-1의 가열속도로 800℃까지 가열하면서 상기 예비-탄화된 케나프에 1:3.9-4.1의 중량비로 KOH를 처리하는 화학적 활성화 단계;
를 포함하는, 케나프-유래 활성탄의 제조방법.
pre-carbonizing the kenaf to 400° C. at a heating rate of 1.9-2.1° C. min −1 ; and
a chemical activation step of treating the pre-carbonized kenaf with KOH in a weight ratio of 1:3.9-4.1 while heating to 800°C at a heating rate of 4.9-5.1°C min −1 ;
A method for producing a kenaf-derived activated carbon comprising a.
제 1 항에 있어서, 상기 예비-탄화시키는 단계에서 가열속도는 2℃ min-1인 것인 제조방법.The method according to claim 1, wherein the heating rate in the pre-carbonizing step is 2° C. min −1 . 제 1 항에 있어서, 상기 예비-탄화된 케나프에 1:4의 중량비로 상기 KOH를 처리하는 것인 제조방법.The method according to claim 1, wherein the pre-carbonized kenaf is treated with the KOH in a weight ratio of 1:4. 제 1 항에 있어서, 상기 케나프는 케나프 줄기의 미세분말인 것인 제조방법. The method according to claim 1, wherein the kenaf is a fine powder of kenaf stems. 제 1 항에 있어서, 상기 예비-탄화시키는 단계 및 상기 화학적 활성화 단계에서 가열은 Ar 플로우 하에서 실시되는 것인 제조방법.The method according to claim 1, wherein the heating in the pre-carbonizing step and the chemical activation step is carried out under an Ar flow. 삭제delete 삭제delete
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