KR20150132710A - Method for improving power property of active carbon using coke materials - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 코크스를 원료로 하는 활성탄의 입도 조절을 통하여, 전기이중층 커패시터(EDLC) 등의 에너지 저장장치의 출력 특성을 개선하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코크스를 탄소 원료로 하여 활성탄을 제조하되, 상기 활성탄의 입도 분포를 낮게 조절함으로써 탭 밀도(Tap Density)와 출력 특성을 개선할 수 있는, 활성탄의 입도 조절을 통한 출력 특성 개선방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
활성탄은 전기이중층 캐패시터(EDLC ; Electric Double Layer Capacitor)나 리튬 이차전지 등의 전극 재료로 널리 사용되고 있다. 특히, 하이브리드 자동차(hybrid car)나 기억소자용 백업 전원 등으로 많이 사용되는 전기이중층 캐패시터(EDLC)의 전극용 활성탄은 에너지 밀도, 즉 정전 용량을 증대시키기 위해 비표면적이 큰 다공질의 활성탄이 요구되고 있다. Activated carbon is widely used as an electrode material for electric double layer capacitors (EDLC) and lithium secondary batteries. Particularly, activated carbon for an electrode of an electric double layer capacitor (EDLC), which is widely used as a hybrid car or a backup power source for a storage element, requires a porous activated carbon having a large specific surface area in order to increase the energy density, have.
일반적으로, 활성탄은 탄소 원료를 500℃ 이상의 온도에서 탄화(소성)시킨 다음, 다공질 구조로 활성화시켜 제조하고 있다. 이때, 활성화 공정에서는 주로 탄소 원료와 수산화칼륨(KOH) 등의 알칼리 활성화제를 혼합한 다음, 불활성 가스 분위기에서 약 500 ~ 1200℃ 범위에서 가열하여, 알칼리 금속을 탄소 결정층 사이에 침입, 반응시켜 미세 다공이 형성되도록 하고 있다. 이러한 알칼리 활성화로 수득된 활성탄은 비표면적이 크고, 입자 크기가 균일하여 전기이중층 캐패시터(EDLC)의 전극용으로 유용하게 사용되고 있다. Generally, activated carbon is produced by carbonizing (calcining) a carbon raw material at a temperature of 500 ° C or higher, and then activating it with a porous structure. At this time, in the activation step, an alkaline activator such as potassium hydroxide (KOH) is mainly mixed with the carbon raw material and then heated in an inert gas atmosphere at about 500 to 1200 ° C to allow the alkali metal to penetrate into the carbon crystal layer So that micropores are formed. The activated carbon obtained by such alkali activation has a large specific surface area and uniform particle size, and is thus usefully used for an electrode of an electric double layer capacitor (EDLC).
활성탄은 탄소 원료로서 페놀수지를 활성화한 제품과 야자 껍질, 살구씨, 왕겨 등을 활성화한 제품이 전기이중층 캐패시터(EDLC)의 전극으로 많이 사용되고 있다. 예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-0348499호에는 왕겨를 이용하여 활성탄을 제조하는 방법이 제시되어 있으며, 대한민국 등록특허 제10-0342069호에는 왕겨 활성탄에 바인더(binder) 등을 혼합하여 판상으로 성형하여 제조하는 전극의 제조방법이 제시되어 있다. Activated carbon is widely used as an electrode for electric double layer capacitors (EDLC) in which a phenolic resin is activated as a carbon source and a coconut shell, apricot seeds and rice husk are activated. For example, Korean Patent No. 10-0348499 discloses a method for producing activated carbon using rice hulls, and Korean Patent No. 10-0342069 discloses a method of mixing a binder and the like in rice hull activated carbon, A method of manufacturing an electrode is disclosed.
그러나 탄소 원료(출발 원료)로서 페놀수지를 이용하여 제조한 활성탄은 불순물의 함량이 높아 저항 특성 등이 낮다. 그리고 야자 껍질, 살구씨, 왕겨 등을 이용하여 제조한 활성탄의 경우, 저항 특성은 페놀수지와 대비하여 상대적으로 양호하나, 이 역시 낮은 저항 특성을 보이며, 이는 또한 단위 부피당 정전 용량(F/cc)이 작다. However, activated carbon produced by using phenol resin as a carbon raw material (starting material) has a low content of impurities and low resistance characteristics. In the case of activated carbon produced from coconut shells, apricot seeds and rice hulls, the resistance characteristics are relatively good compared to the phenolic resin, but this also shows a low resistance characteristic, which is also due to the capacitance per unit volume (F / cc) Is small.
이에 따라, 전기이중층 캐패시터(EDLC)용 전극을 제조함에 있어서는 활성탄에 도전재를 첨가하고 있다. 구체적으로, 전기이중층 캐패시터(EDLC)용 전극은 활성탄, 바인더(binder) 및 도전재를 혼합한 활성탄 조성물(슬러리)을 압연하여 제조하고 있다. 상기 바인더는 주로 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 폴리비닐피롤리돈(PVP) 등이 사용되며, 도전재는 주로 카본 블랙(carbon black) 등이 사용된다. Accordingly, in manufacturing an electrode for an electric double layer capacitor (EDLC), a conductive material is added to activated carbon. Specifically, an electrode for an electric double layer capacitor (EDLC) is manufactured by rolling an activated carbon composition (slurry) obtained by mixing activated carbon, a binder and a conductive material. The binder is mainly composed of polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxymethylcellulose (CMC), polyvinylpyrrolidone (PVP) or the like. The conductive material is mainly carbon black.
이때, 일반적으로 상기 도전제는 저항 특성을 개선하기 위해 14 ~ 20중량%로 포함되고 있다. 도전재의 첨가량이 많을수록 전기전도도가 향상되어 저항 특성이 개선될 수 있다. 그러나 종래 기술에 따른 전극용 활성탄 조성물은 도전재의 함량이 너무 많아 상대적으로 활성탄의 함량이 작아져 정전 용량이 떨어지는 문제점이 있다. At this time, in general, the conductive agent is contained in an amount of 14 to 20% by weight to improve resistance characteristics. The greater the amount of the conductive material to be added is, the more the electric conductivity is improved and the resistance characteristic can be improved. However, the activated carbon composition for electrodes according to the related art has a problem that the content of the conductive material is too large, and the content of the activated carbon becomes relatively small, thereby decreasing the electrostatic capacity.
한편, 석유의 정제 과정에서 발생된 정유 부산물인 코크스(cokes)를 탄소 원료로 사용하여 전기이중층 캐패시터(EDLC)용의 활성탄으로는 제조하지 않는다. 코크스를 원료로 하여 활성탄을 제조하는 경우, 전기이중층 캐패시터(EDLC)의 용량에 직접적인 영향을 미치는 비표면적을 크게 할 수 없기 때문이다. 또한, 코크스를 원료로 하여 제조된 활성탄은, 탭 밀도(Tap Density)가 낮다. 이에 따라, 전기이중층 캐패시터(EDLC) 등의 전극으로 적용 시 출력 특성이 떨어진다.
On the other hand, cokes, which is a by-product of refining generated in the refining process of petroleum, are not used as carbon raw materials and are not produced as activated carbon for electric double layer capacitors (EDLC). In the case of producing activated carbon using coke as a raw material, the specific surface area that directly affects the capacity of the electric double layer capacitor (EDLC) can not be increased. Activated carbon produced from coke as a raw material has a low tap density. As a result, when an electrode such as an electric double layer capacitor (EDLC) is applied, the output characteristic is deteriorated.
이에, 본 발명은 코크스(cokes)를 탄소 원료로 하여 활성탄을 제조하되, 입도 분포를 낮게 조절함으로써, 탭 밀도(Tap Density)와 출력 특성을 개선할 수 있는, 코크스를 원료로 하는 활성탄의 입도 조절을 통한 출력 특성 개선방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention relates to a process for producing activated carbon using cokes as a carbon raw material, and controlling the particle size distribution of the activated carbon to improve the tap density and the output characteristics by controlling the particle size of activated carbon made of coke as a raw material And to provide a method for improving the output characteristic through the use of the light source.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, According to an aspect of the present invention,
코크스를 400℃ ~ 800℃의 온도에서 탄화시키는 탄화 공정;A carbonization step of carbonizing the coke at a temperature of 400 ° C to 800 ° C;
상기 탄화된 코크스를 분쇄하는 분쇄 공정; A pulverizing step of pulverizing the carbonized coke;
상기 분쇄된 코크스를 활성화제와 혼합한 후, 400℃ ~ 1,200℃로 가열하여 활성화시키는 활성화 공정; An activation step of mixing the pulverized coke with an activating agent and then activating the mixture by heating to 400 to 1,200 ° C;
상기 활성화된 코크스 활성탄을 세정 및 건조시키는 세정/건조 공정; 및 A cleaning / drying step of cleaning and drying the activated coke activated carbon; And
상기 세정 및 건조된 코크스 활성탄을 평균 입도 3㎛ 내지 7㎛를 갖도록 분쇄하는 입도 조절 공정을 포함하는, 코크스를 이용한 활성탄의 출력 특성 개선방법을 제공한다. And a particle size controlling step of crushing the washed and dried coke activated carbon to have an average particle size of 3 탆 to 7 탆. The present invention also provides a method for improving the output characteristics of activated carbon using coke.
이때, 상기 세정/건조 공정과 입도 조절 공정의 사이에 진행되거나, 상기 입도 조절 공정 이후에 진행되는 것으로서, 상기 코크스 활성탄을 열처리하여 표면 관능기를 제거하는 공정을 더 포함할 수 있다. The method may further include a step of heating the coke activated carbon to remove the surface functional group, which is performed between the washing / drying process and the particle size control process or after the particle size control process.
또한, 상기 활성화 공정은 활성화제로서 알칼리 염을 사용하되, 상기 분쇄된 코크스와 알칼리 염을 1 : 2.0 내지 1 : 3.0의 중량비로 사용하여 활성화시키는 것이 바람직하다.
In addition, it is preferable that the activation step uses an alkali salt as an activator, and the pulverized coke and an alkali salt are used at a weight ratio of 1: 2.0 to 1: 3.0.
본 발명에 따르면, 코크스(cokes)를 탄소 원료로 하여 활성탄을 제조하되, 입도 분포가 낮게 조절되어, 탭 밀도(Tap Density)와 출력 특성을 개선할 수 있는 효과를 갖는다.
According to the present invention, active carbon is produced using cokes as a carbon source, and the particle size distribution is controlled to be low, thereby improving the tap density and output characteristics.
도 1은 실시예에 따라 제조된 활성탄의 기공 분포 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 2는 시간에 따른 용량유지율을 보인 것이다.
도 3은 시간에 따른 저항증가율을 보인 것이다. FIG. 1 is a graph showing the results of measurement of pore distribution of activated carbon prepared according to an embodiment.
2 shows the capacity retention rate with time.
FIG. 3 shows the resistance increase rate with time.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 코크스(cokes)를 탄소 원료(출발 원료)로 하는 활성탄의 제조방법, 보다 구체적으로는 코크스를 원료로 하는 활성탄의 입도 조절을 통한 출력 특성 개선방법을 제공한다. 본 발명에 따라 제조된 활성탄은 전기이중층 캐패시터(EDLC)나 리튬 이차전지 등과 같은 에너지 저장장치의 전극으로 사용되며, 특히 전기이중층 캐패시터(이하, 'EDLC'로 약칭한다.)의 전극으로 유용하게 사용된다. The present invention provides a method for producing activated carbon using cokes as a carbon raw material (starting material), more specifically, a method for improving output characteristics by controlling the particle size of activated carbon made from coke. The activated carbon produced according to the present invention is used as an electrode of an energy storage device such as an electric double layer capacitor (EDLC) or a lithium secondary battery, and is particularly useful as an electrode of an electric double layer capacitor (hereinafter abbreviated as EDLC) do.
본 발명에 따른 활성탄의 입도 조절을 통한 출력 특성 개선방법은, (1)코크스를 탄화시키는 탄화 공정, (2)상기 탄화된 코크스를 분쇄하는 분쇄 공정, (3)상기 분쇄된 코크스를 활성화시키는 활성화 공정, (4)상기 활성화된 코크스 활성탄을 세정 및 건조시키는 세정/건조 공정, 및 (5)상기 세정 및 건조된 코크스 활성탄을 분쇄하여 입도를 조절하는 입도 조절 공정을 포함한다. 또한, 상기 세정/건조 공정과 입도 조절 공정의 사이에 진행되거나, 상기 입도 조절 공정 이후에 진행되는 것으로서, 상기 코크스 활성탄을 열처리하여 표면 관능기를 제거하는 표면 관능기 제거공정을 더 포함할 수 있다. 각 공정별로 설명하면 다음과 같다.
(1) a carbonization process for carbonizing the coke; (2) a crushing process for crushing the carbonized coke; (3) an activation process for activating the crushed coke; (4) a cleaning / drying process for cleaning and drying the activated coke activated carbon, and (5) a particle size control process for controlling the particle size by pulverizing the washed and dried coke activated carbon. Further, the method may further include a surface functional group removing step of performing surface treatment between the washing / drying step and the particle size adjusting step or after the particle size adjusting step, by heat treating the coke activated carbon. Each process will be described as follows.
(1) 탄화 공정(1) Carbonization process
먼저, 코크스를 탄화시킨다. 이때, 출발 원료로서 사용되는 코크스는 제한되지 않으며, 이는 바람직하게는 정유 공정(석유의 정제 과정)에서 발생된 부산물인 석유 코크스로부터 선택된다. First, carbonize the coke. At this time, the coke used as the starting material is not limited, and it is preferably selected from petroleum coke which is a by-product generated in the refinery process (petroleum refining process).
위와 같은 코크스를 예를 들어 입자상으로 채취하여 400℃ ~ 800℃의 온도에서 탄화(제1차 소성)시킨다. 보다 구체적으로, 500℃ ~ 700℃의 온도에서 탄화시킨다. 탄화 시간은 제한되지 않는다. 탄화 시간은 탄화 온도에 따라질 수 있으며, 예를 들어 10분 ~ 24시간 정도가 될 수 있다. 탄화 시간은, 구체적인 예를 들어 500℃ ~ 700℃의 온도 조건에서 30분 내지 10시간이 될 수 있다. 이러한 탄화 공정을 통해 코크스를 탄화시키면서 원료에 존재하는 휘발분 등의 불순물을 제거한다.
The above-mentioned coke is sampled, for example, in the form of particles, and carbonized (first sintering) at a temperature of 400 ° C to 800 ° C. More specifically, carbonization is carried out at a temperature of 500 ° C to 700 ° C. The carbonization time is not limited. The carbonization time can depend on the carbonization temperature, and can be, for example, about 10 minutes to 24 hours. The carbonization time can be, for example, 30 minutes to 10 hours at a temperature condition of 500 ° C to 700 ° C. Through this carbonization process, impurities such as volatile matter present in the raw material are removed while carbonizing the coke.
(2) 분쇄 공정(2) Grinding process
상기 탄화된 코크스를 분쇄한다. 탄화된 코크스를 예를 들어 200㎛(마이크로미터) 이하의 크기로 분쇄한다. 바람직하게는, 일정한 크기로서 약 50 ~ 200㎛의 크기로 분쇄한다. 분쇄 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 볼 밀(ball mill), 회전 밀(rotary mill) 및 진동 밀(vibration mill) 등과 같은 통상의 방법으로 진행할 수 있다.
The carbonized coke is pulverized. The carbonized coke is crushed to a size of, for example, 200 mu m (micrometer) or less. Preferably, it is pulverized to a size of about 50 to 200 mu m as a uniform size. The pulverization method is not particularly limited and can be carried out by a conventional method such as a ball mill, a rotary mill and a vibration mill.
(3) 활성화 공정(3) Activation process
상기 분쇄된 코크스 분말을 다공질로 활성화시킨다. 활성화는, 구체적으로 상기 분쇄된 코크스 분말을 활성화제와 혼합한 후, 400℃ ~ 1,200℃로 가열(제2차 소성)하여 진행한다. 이때, 활성화 온도는, 바람직하게는 500℃ 이상, 보다 바람직하게는 600℃이 좋다. 활성화 온도는, 보다 구체적으로 600 ~ 1,000℃의 온도 범위에서 진행하는 것이 좋다. 활성화 시간, 즉 활성화제와 혼합한 후 가열하는 시간은 제한되지 않는다. 활성화 시간은, 상기 활성화 온도에 따라질 수 있으며, 예를 들어 10분 ~ 5시간 정도가 될 수 있다. 활성화 시간은, 구체적인 예를 들어 600 ~ 1,000℃의 온도 조건에서 30분 내지 3시간이 될 수 있다. 이러한 활성화 공정에 의해, 코크스 분말은 다수의 포어(pore)가 형성된 다공질로 개질된다. The pulverized coke powder is activated by a porous material. Specifically, the pulverized coke powder is mixed with an activator, and then heated to 400 ° C to 1,200 ° C (second calcination). At this time, the activation temperature is preferably 500 占 폚 or higher, and more preferably 600 占 폚. More specifically, the activation temperature preferably proceeds in a temperature range of 600 to 1,000 ° C. The activation time, that is, the time for heating after mixing with the activator is not limited. The activation time may depend on the activation temperature, and may be, for example, about 10 minutes to 5 hours. The activation time may be, for example, 30 minutes to 3 hours at a temperature of 600 to 1,000 DEG C, for example. By this activation process, the coke powder is reformed into a porous formed with a large number of pores.
상기 활성화제는 제한되지 않는다. 활성화제는 코크스를 다공질로 개질하여 비표면적을 증가시킬 수 있으면 좋다. 활성화제는 알칼리 염(알칼리 금속화합물) 등으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 수산화칼륨(KOH) 및 수산화나트륨(NaOH) 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용하는 것이 좋다. The activator is not limited. The activator should be capable of increasing the specific surface area by modifying the coke to be porous. The activating agent may be selected from alkali salts (alkali metal compounds) and the like, preferably one or more selected from potassium hydroxide (KOH) and sodium hydroxide (NaOH).
또한, 상기 활성화 공정에서, 분쇄된 코크스 분말과 활성화제의 혼합 비율은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 1 : 0.1 내지 1 : 10의 중량비(즉, 분쇄된 코크스 분말 : 활성화제 = 1 : 0.1 ~ 10의 중량비)로 혼합하여 활성화시킬 수 있다. 바람직하게는 1 : 2.0 내지 1 : 3.0의 중량비로 혼합하여 활성화시키는 것이 좋다.
In the activation step, the mixing ratio of the pulverized coke powder and the activator is not particularly limited. For example, the weight ratio of the pulverized coke powder: activator = 1: 0.1 to 1:10, 10 by weight). Preferably in a weight ratio of 1: 2.0 to 1: 3.0.
(4) 세정/건조 공정(4) Cleaning / drying process
상기 활성화된 코크스 활성탄을 세정 및 건조시킨다. The activated coke activated carbon is washed and dried.
상기 세정 공정은 코크스 활성탄에 존재하는 불순물을 제거하기 위해 진행한다. 세정 공정은, 예를 들어 알칼리 세정 및 산 세정 등으로 선택된 하나, 또는 이들의 병행으로부터 선택될 수 있다. 세정 공정은 알칼리 세정과 산 세정을 병행하는 것이 좋다. 또한, 세정 공정은, 상기 활성화 공정에서 알칼리 금속화합물(KOH 등)을 활성화제로 사용하는 경우, 원료에 존재하는 불순물 제거와 함께 상기 알칼리 금속화합물(KOH 등) 등이 제거되도록 적어도 산 세정을 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 산 세정액으로는, 예를 들어 염산이나 황산 등의 산 수용액을 사용할 수 있다. The cleaning process proceeds to remove impurities present in the coke activated carbon. The cleaning process may be selected from, for example, one selected from the group consisting of alkali cleaning and acid cleaning, or a combination thereof. It is preferable that the cleaning process is performed in parallel with the alkali cleaning and the acid cleaning. Further, in the cleaning step, when the alkali metal compound (KOH or the like) is used as the activating agent in the activation step, at least the acid cleaning is performed so as to remove the alkali metal compound (KOH, etc.) . At this time, an acid aqueous solution such as hydrochloric acid or sulfuric acid can be used as the pickling solution.
위와 같이 세정을 진행한 후에는 건조를 통해 코크스 활성탄에 존재하는 수분을 제거한다. 건조는, 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 열풍 건조 또는 자연 건조를 통해 진행할 수 있다.
After the washing as described above, the water present in the coke activated carbon is removed through drying. The drying is not particularly limited, and can be carried out, for example, by hot air drying or natural drying.
(5) 입도 조절 공정(5) Particle size control process
다음으로, 상기 세정 및 건조된 코크스 활성탄을 분쇄하여 입도를 조절한다. 이때, 입도 조절은 세정 및 건조된 코크스 활성탄을 평균 입도 3㎛ 내지 7㎛를 갖도록 한다. 보다 구체적으로, 상기 세정 및 건조된 코크스 활성탄을 미분쇄한 다음, 분급을 통해 선별하여 평균 입도 3㎛ 내지 7㎛의 크기를 갖도록 한다. 이때, 분급은 체(sieve)에 통과시켜 진행할 수 있다. 이와 같은 적정 크기의 입도 분포를 가지는 경우, 탭 밀도(Tap Density)가 높아지고, 출력 특성이 개선된다.
Next, the cleaned and dried coke activated carbon is pulverized to adjust the particle size. At this time, the particle size control is carried out such that the average particle size of the cleaned and dried coke activated carbon is 3 탆 to 7 탆. More specifically, the cleaned and dried coke activated carbon is finely pulverized and classified through classification to have an average particle size of 3 탆 to 7 탆. At this time, classification can proceed by passing through a sieve. When the particle size distribution has such a proper size, the tap density is increased and the output characteristics are improved.
(6) 표면 (6) Surface 관능기Functional group 제거공정 Removal process
또한, 본 발명의 선택적인 실시 형태에 따라서, 상기 (4)세정/건조 공정과 (5)입도 조절 공정의 사이에 진행되거나, 상기 (5)입도 조절 공정 이후에 진행되는 것으로서, 상기 코크스 활성탄을 열처리하여 표면 관능기를 제거하는 표면 관능기 제거공정을 진행할 수 있다. Further, in accordance with an alternative embodiment of the present invention, there is provided a process for producing a coke-like activated carbon, which is carried out between (4) the cleaning / drying step and (5) The surface functional group removing step for removing the surface functional group can be performed.
이때, 상기 표면 관능기 제거공정은 열처리 통해 진행한다. 표면 관능기 제거공정은, 예를 들어 600℃ ~ 800℃의 온도에서 진행할 수 있다. 보다 구체적으로, 질소(N2)나 아르곤(Ar) 가스의 등의 비활성 분위기에서, 600℃ ~ 800℃의 온도로 예를 들어 10분 ~ 5시간 동안 열처리할 수 있다. 이러한 표면 관능기 제거공정을 통해, 코크스 활성탄의 표면에 존재한느 산소 관능기를 제거하면 좋다.
At this time, the surface functional group removing process proceeds through heat treatment. The surface functional group removing step can be carried out at a temperature of, for example, 600 ° C to 800 ° C. More specifically, it can be heat-treated at a temperature of 600 ° C to 800 ° C, for example, for 10 minutes to 5 hours in an inert atmosphere such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar) Through such a surface functional group removing step, the oxygen functional groups existing on the surface of the coke activated carbon may be removed.
이하, 본 발명의 실시예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be exemplified. The following examples are provided to aid understanding of the present invention, and thus the technical scope of the present invention is not limited thereto.
[실시예] [Example]
1. 활성탄 1. Activated carbon 제조예Manufacturing example
석유의 정제 과정에서 발생된 석유 코크스를 이용하여, 다음과 같은 공정을 통해 활성탄을 제조하였다. Activated carbon was prepared by the following process using petroleum coke generated in the refining process of petroleum.
< 탄화 공정 > <Carbonization step>
먼저, 석유 코크스를 가열로에 투입한 다음, 10℃/min의 승온 속도로 승온하여 약 550℃의 온도에서 3시간 동안 탄화시켰다.
First, petroleum coke was charged into a heating furnace, then heated at a heating rate of 10 ° C / min and carbonized at a temperature of about 550 ° C for 3 hours.
< 분쇄 > <Crushing>
상기 탄화된 코크스를 볼밀(ball mill) 분쇄기에 투입하여 60㎛ 이하의 입도 분포를 갖도록 분쇄하였다.
The carbonized coke was put into a ball mill pulverizer to have a particle size distribution of 60 mu m or less.
< 활성화 > <Activation>
상기 분쇄된 코크스 분말을 KOH(활성화제)와 혼합한 다음, 이를 가열로 투입하였다. 이때, 분쇄된 코크스 분말과 KOH(활성화제)를 하기 [표 1]과 같이 각 시편에 따라 중량비를 달리하였다. 그리고 가열로를 10℃/min의 승온 속도로 승온하여, 질소 가스 분위기 하에서 약 680℃의 온도에서 1시간 30분 동안 활성화시켰다.
The pulverized coke powder was mixed with KOH (activating agent), which was then added by heating. At this time, the crushed coke powder and KOH (activator) were varied in weight ratio according to each test piece as shown in Table 1 below. Then, the furnace was heated at a heating rate of 10 ° C / min and activated at a temperature of about 680 ° C for 1 hour and 30 minutes under a nitrogen gas atmosphere.
< 세정 및 건조 ><Cleaning and drying>
상기 활성화된 코크스 활성탄 분말을 염산 수용액을 통한 세정과 수세를 3회 반복한 다음, 열풍 건조시켰다.
The activated coke activated carbon powder was washed three times with an aqueous hydrochloric acid solution and washed with water, followed by hot air drying.
< 표면 관능기 제거 >≪ Surface functional group removal >
상기 세정 및 건조된 코크스 활성탄 분말을 가열로에 투입한 다음, 10℃/min의 승온 속도로 승온하여 1시간 동안 열처리하였다. 이때, 각 시편마다 열처리 온도를 달리하였다. 구체적으로, 열처리는 650℃에서 5℃씩 증가해가며 실시하여, 각 시편마다 다르게 하였다.
The washed and dried coke activated carbon powder was put into a heating furnace, and then heated at a heating rate of 10 ° C / min and heat-treated for 1 hour. At this time, the heat treatment temperature was varied for each specimen. Specifically, the heat treatment was carried out at 650 ° C in increments of 5 ° C, and was different for each test piece.
< 분급 ><Classification>
상기 열처리된 코크스 활성탄을 체(sieve)에 통과시켜, 각 시편에 따라 평균 입도를 달리하여 사용하였다.
The heat-treated coke activated carbon was passed through a sieve and used with different average particle sizes according to each specimen.
2. 2. EDLCEDLC 소자 device 제조예Manufacturing example
교반 용기에 활성탄, 바인더 및 도전재를 넣은 다음, 교반하여 슬러리 상의 활성탄 조성물을 제조하였다. 이때, 활성탄은 상기에서 제조된 각 시편에 따른 것을 사용하였다. 그리고 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 혼합 사용하였으며, 도전재는 카본 블랙을 사용하였다. 이때, 활성탄 조성물(슬러리)은 전체 중량 기준(100중량%)으로, 바인더는 PTFE 3.0중량%, CMC 1.6중량%, SBR 3.0중량% 및 PVP 0.4중량%로서 총량 : 8.0중량%로하고, 도전재(카본 블랙)의 5중량%로 사용하였다. Activated carbon, a binder and a conductive material were put in a stirring vessel and then stirred to prepare an active carbon composition in slurry form. At this time, the activated carbon according to each of the specimens prepared above was used. The binder used was a mixture of polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxymethylcellulose (CMC), styrene-butadiene rubber (SBR), and polyvinylpyrrolidone (PVP). Carbon black was used as the conductive material. At this time, the activated carbon composition (slurry) was set to a total weight (100 wt%) and the binder was 3.0 wt% of PTFE, 1.6 wt% of CMC, 3.0 wt% of SBR and 0.4 wt% of PVP, (Carbon black).
그리고 상기 각 시편에 따른 활성탄 조성물(슬러리)을 롤러 프레스로 압착하여 약 150㎛ 두께의 전극 시트를 얻었다. 다음으로, 각 전극 시트를 원반형으로 절단하고, 통상과 같은 방법으로 코인형 EDLC를 제조하였다. The activated carbon composition (slurry) according to each of the specimens was pressed by a roller press to obtain an electrode sheet having a thickness of about 150 mu m. Next, each of the electrode sheets was cut into a disk shape, and a coin-shaped EDLC was produced in the same manner as usual.
위와 같이 제조된 각 시편에 따른 코인형 EDLC에 대하여 전기적 특성을 평가하였다.
The electrical characteristics of the coin type EDLC according to each of the specimens prepared above were evaluated.
(1) 활성화제의 중량비에 따른 활성탄의 특성 평가 (1) Characterization of activated carbon according to weight ratio of activator
상기와 같이 활성탄을 제조함에 있어, 각 시편에 따라 활성화제의 중량비를 달리하였는데, 이에 따른 각 활성탄의 비표면적 및 금속불순물의 함량 평가는 하기 [표 1]과 같다. 하기 [표 1]에 보인 바와 같이, 활성화제를 1 : 2.6의 중량비로 사용하는 경우, 비표면적 및 금속불순물의 함량 둘 모두를 고려할 때 가장 양호한 결과를 보였다. 하기 [표 1]에서 ND는 불검출이다.
In preparing the activated carbon as described above, the weight ratio of the activator was varied according to each specimen. The specific surface area and the content of the metal impurity of each activated carbon were evaluated as shown in Table 1 below. As shown in Table 1 below, when the activator was used in a weight ratio of 1: 2.6, the best results were obtained considering both the specific surface area and the content of metal impurities. In Table 1 below, ND is not detected.
Activator weight ratio
(㎡/g)
Specific surface area
(M < 2 > / g)
Metal impurity (ppm)
또한, 상기 시편 중, 활성화제를 1 : 2.6의 중량비로 사용하여 제조한 활성탄의 기공 분포 특성을 확인하였다. 이를 도 1에 나타내었다. 도 1에 보인 바와 같이, 기공 분포가 6Å ~ 30Å(0.6㎚ ~ 3.0㎚)에서 95%이상이 분포하는 것을 알 수 있었다.
In addition, pore distribution characteristics of the activated carbon prepared by using the activator in the weight ratio of 1: 2.6 were confirmed. This is shown in FIG. As shown in FIG. 1, it was found that 95% or more of the pore distribution was distributed in the range of 6 Å to 30 Å (0.6 nm to 3.0 nm).
(2) 표면 관능기 제거에 따른 특성 평가(2) Characteristic evaluation by removal of surface functional group
장기신뢰성, 특히 용량유지율과 밀접한 관계를 가지는 산소 관능기를 효과적으로 저감시키기 위해, 상기와 같이 열처리 온도에 따른 실험을 진행하였다. 즉, 열처리 온도에 따라 변화되는 산소관능기 함량을 측정하였다. 그 결과는 하기 [표 2]와 같다.
In order to effectively reduce the oxygen functional groups having a close relationship with the long-term reliability, particularly the capacity retention rate, the experiment according to the heat treatment temperature was carried out as described above. That is, the content of oxygen functional groups changed according to the heat treatment temperature was measured. The results are shown in Table 2 below.
열처리 온도
Heat treatment temperature
(meg/g)
Oxygen function
(meg / g)
(㎡/g)
Specific surface area
(M < 2 > / g)
(F/g)Volume
(F / g)
(mΩ)resistance
(mΩ)
(%)Capacity retention rate
(%)
(%)Resistance increase rate
(%)
상기 [표 2]에 보인 바와 같이, 열처리 온도가 증가함에 따라 산소관능기 함량이 감소함을 확인하였고, 관능기 감소에 따라 장기 신뢰성 평가 데이터 또한 개선됨을 확인할 수 있었다. 그러나 열처리 온도가 너무 증가하면, 비표면적이 감소하고, 이에 따라 용량이 줄어드는 경향이 발생되었다. 본 실험예에서는 CEP HT1의 경우가 가장 양호한 결과를 보임을 알 수 있었다. 또한, 첨부된 도 2 및 도 3은 시간에 따른 용량유지율(도 2)과 저항증가율(도 3)을 보인 것이다. 도 2 및 도 3에서, YP는 종래의 일반적인 활성탄을 사용한 시편이다.
As shown in [Table 2], it was confirmed that the oxygen functional group content decreased with increasing the heat treatment temperature, and the long-term reliability evaluation data was also improved by the decrease of the functional group. However, if the heat treatment temperature is excessively increased, the specific surface area decreases, and accordingly the capacity tends to decrease. In this experiment, it was found that CEP HT1 showed the best results. 2 and 3 show the capacity retention rate (FIG. 2) and the rate of resistance increase (FIG. 3) over time. In Figs. 2 and 3, YP is a specimen using conventional conventional activated carbon.
(3) 입도 조정에 따른 Tap 밀도 출력 특성 평가 (3) Evaluation of tap density output characteristics by particle size adjustment
활성탄의 입도 조절을 통해 Tap 밀도 개선과 출력 특성 개선에 대한 실험을 진행하였다. 이때, 시편으로는 5㎛의 평균 입도 분포를 갖는 활성탄과, 8㎛의 평균 입도 분포를 갖는 활성탄을 사용하였다. 하기 [표 3]은 각 시편의 Tap 밀도 측정 결과이다. Experiments on the improvement of the tap density and the improvement of the output characteristics were carried out by adjusting the particle size of the activated carbon. At this time, activated carbon having an average particle size distribution of 5 mu m and activated carbon having an average particle size distribution of 8 mu m were used as specimens. Table 3 below shows the results of measuring the tap density of each specimen.
또한, 상기 각 시편에 따른 활성탄을 적용한 소자의 용량과 출력 특성을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 4]에 나타내었다.
The capacity and output characteristics of the device to which activated carbon according to each of the above specimens was applied were evaluated, and the results are shown in Table 4 below.
Remarks
(800/4mA)Print
(800 / 4mA)
2.7V
상기 [표 3] 및 [표 4]에 보인 바와 같이, 입도가 5㎛로서 낮은 경우 Tap 밀도가 개선되고, 이와 함께 용량 및 출력 특성이 효과적으로 개선됨을 알 수 있었다.
As shown in [Table 3] and [Table 4], when the particle size was as low as 5 mu m, it was found that the Tap density was improved and the capacity and output characteristics were effectively improved.
Claims (3)
상기 탄화된 코크스를 분쇄하는 분쇄 공정;
상기 분쇄된 코크스를 활성화제와 혼합한 후, 400℃ ~ 1,200℃로 가열하여 활성화시키는 활성화 공정;
상기 활성화된 코크스 활성탄을 세정 및 건조시키는 세정/건조 공정; 및
상기 세정 및 건조된 코크스 활성탄을 평균 입도 3㎛ 내지 7㎛를 갖도록 분쇄하는 입도 조절 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 코크스를 이용한 활성탄의 출력 특성 개선방법.
A carbonization step of carbonizing the coke at a temperature of 400 ° C to 800 ° C;
A pulverizing step of pulverizing the carbonized coke;
An activation step of mixing the pulverized coke with an activating agent and then activating the mixture by heating to 400 to 1,200 ° C;
A cleaning / drying step of cleaning and drying the activated coke activated carbon; And
And a particle size controlling step of crushing the washed and dried coke activated carbon to have an average particle size of 3 to 7 占 퐉.
상기 세정/건조 공정과 입도 조절 공정의 사이에 진행되거나, 상기 입도 조절 공정 이후에 진행되는 것으로서, 상기 코크스 활성탄을 열처리하여 표면 관능기를 제거하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 코크스를 이용한 활성탄의 출력 특성 개선방법.
The method according to claim 1,
The method as claimed in claim 1, further comprising the step of heating the coke activated carbon to remove the surface functional groups during the washing / drying process and the particle size control process or after the particle size control process, Of the output characteristic of the output signal.
상기 활성화 공정은 활성화제로서 알칼리염을 사용하되, 상기 분쇄된 코크스와 알칼리염을 1 : 2.0 내지 1 : 3.0의 중량비로 사용하여 활성화시키는 것을 특징으로 하는, 코크스를 이용한 활성탄의 출력 특성 개선방법.
The method according to claim 1,
Wherein the activating step uses an alkali salt as an activator, and activating the coke by using the ground coke and an alkali salt in a weight ratio of 1: 2.0 to 1: 3.0.
Priority Applications (1)
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