KR20170020852A - 전극, 에너지 저장 장치 및 활성탄의 제조방법 - Google Patents
전극, 에너지 저장 장치 및 활성탄의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20170020852A KR20170020852A KR1020177000915A KR20177000915A KR20170020852A KR 20170020852 A KR20170020852 A KR 20170020852A KR 1020177000915 A KR1020177000915 A KR 1020177000915A KR 20177000915 A KR20177000915 A KR 20177000915A KR 20170020852 A KR20170020852 A KR 20170020852A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- activated carbon
- carbon
- char
- koh
- pore volume
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 263
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 33
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 47
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 18
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 claims description 16
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 12
- 235000021307 Triticum Nutrition 0.000 claims description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 10
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 10
- 230000001720 vestibular Effects 0.000 claims description 10
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 8
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 7
- 229910001854 alkali hydroxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000008044 alkali metal hydroxides Chemical class 0.000 claims description 5
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 claims description 5
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 4
- 239000003245 coal Substances 0.000 claims description 4
- 239000000571 coke Substances 0.000 claims description 4
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 claims description 4
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 claims description 4
- 235000016068 Berberis vulgaris Nutrition 0.000 claims description 3
- 241000335053 Beta vulgaris Species 0.000 claims description 3
- 229920002261 Corn starch Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 claims description 3
- 244000068988 Glycine max Species 0.000 claims description 3
- 235000010469 Glycine max Nutrition 0.000 claims description 3
- 244000299507 Gossypium hirsutum Species 0.000 claims description 3
- 240000005979 Hordeum vulgare Species 0.000 claims description 3
- 235000007340 Hordeum vulgare Nutrition 0.000 claims description 3
- 240000007049 Juglans regia Species 0.000 claims description 3
- 235000009496 Juglans regia Nutrition 0.000 claims description 3
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 claims description 3
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 claims description 3
- 244000062793 Sorghum vulgare Species 0.000 claims description 3
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 claims description 3
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 claims description 3
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims description 3
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims description 3
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000008120 corn starch Substances 0.000 claims description 3
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 claims description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 3
- 235000019713 millet Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000011295 pitch Substances 0.000 claims description 3
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001592 potato starch Polymers 0.000 claims description 3
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 claims description 3
- 235000020234 walnut Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 2
- 239000011874 heated mixture Substances 0.000 claims description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 2
- 244000098338 Triticum aestivum Species 0.000 claims 1
- 238000001994 activation Methods 0.000 description 28
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 27
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 16
- 238000003775 Density Functional Theory Methods 0.000 description 13
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 13
- 229940106265 charcoal Drugs 0.000 description 13
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 11
- 241000209140 Triticum Species 0.000 description 10
- 229910009361 YP-50F Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- -1 tetraethylammonium tetrafluoroborate Chemical compound 0.000 description 7
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 5
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 4
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 3
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 3
- 239000000306 component Substances 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004438 BET method Methods 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 239000002482 conductive additive Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 2
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000007725 thermal activation Methods 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 150000001339 alkali metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009838 combustion analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000000804 electron spin resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 1
- GSEJCLTVZPLZKY-UHFFFAOYSA-O triethanolammonium Chemical compound OCC[NH+](CCO)CCO GSEJCLTVZPLZKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/34—Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
-
- C01B31/083—
-
- C01B31/12—
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/312—Preparation
- C01B32/342—Preparation characterised by non-gaseous activating agents
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/354—After-treatment
- C01B32/384—Granulation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/42—Powders or particles, e.g. composition thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/44—Raw materials therefor, e.g. resins or coal
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/52—Separators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/54—Electrolytes
- H01G11/58—Liquid electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/54—Electrolytes
- H01G11/58—Liquid electrolytes
- H01G11/62—Liquid electrolytes characterised by the solute, e.g. salts, anions or cations therein
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/66—Current collectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/74—Terminals, e.g. extensions of current collectors
- H01G11/76—Terminals, e.g. extensions of current collectors specially adapted for integration in multiple or stacked hybrid or EDL capacitors
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/12—Surface area
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/14—Pore volume
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/40—Electric properties
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
- Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
- Y10T428/2982—Particulate matter [e.g., sphere, flake, etc.]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
1000 내지 1700㎡/g의 표면적; 0.3 내지 0.6 cc/g의 기공 부피; 0.01 내지 1.5 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량; 및 7.5 내지 10의 pH를 포함하는, 활성탄을 포함하는, 에너지 저장 장치용 전극. 또한, 활성탄, 전극, 및 에너지 저장 장치의 제조방법은 개시된다.
Description
본 출원은 2014년 6월 12일자에 출원된 미국 가 특허 출원 제62/011,264호의 우선권을 주장하고, 이의 전체적인 내용은 참조로 여기에 혼입된다.
여기에 언급된 어떤 공개 또는 특허 문헌들의 전체적인 개시는 참조로서 여기에 혼입된다.
본 개시는 일반적으로 에너지 저장 장치 및 상기 장치의 제조 및 사용 방법에 관한 것이다.
본 개시는 에너지 저장 장치 및 상기 장치의 제조 및 사용 방법을 제공한다.
본 개시는, 1000 내지 1700㎡/g의 표면적, 0.3 내지 0.6 cc/g의 기공 부피, 0.01 내지 1.5 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량, 및 7.5 내지 10의 pH를 포함하는, 적어도 하나의 활성탄을 포함하는, 에너지 저장 장치용 전극에 관한 것이다.
본 개시는 또한, 1000 내지 1700㎡/g의 표면적, 0.3 내지 0.6 cc/g의 기공 부피, 0.01 내지 1.5 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량, 및 7.5 내지 10의 pH를 포함하는, 적어도 하나의 제1 활성탄을 포함하는, 적어도 하나의 전극을 포함하는, 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
더욱이, 본 개시는:
적합한 탄소 원재료를 탄화시켜 숯을 형성하는 탄화단계, 상기 탄소 원재료는, 밀가루, 호두가루, 옥수수 가루, 옥수수 전분, 쌀가루, 감자가루, 비트, 기장, 콩, 보리 및 목화, 견과의 껍질, 페놀 수지, 폴리(비닐알코올), 폴리아크릴로니트릴, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택됨; 또는: 숯, 코크스, 석탄, 피치, 활성탄, 또는 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적합한 탄소질 재료를 제공하는 단계;
탄화된 원재료 또는 제공된 탄소질 재료를 약 3 내지 10 microns의 d50을 갖는 미립자로 분말화하는 단계;
상기 미립자 및 알칼리 수산화물 (MOH)의 혼합물을 2.5:1 내지 0.5:1의 MOH:숯 또는 탄소 중량비로 가열하여 활성탄을 생산하는 가열 단계를 포함하는, 활성탄의 제조방법에 관한 것이다.
본 개시의 구체 예에서:
도 1은, 밀 유래된 숯의 알칼리 활성화를 위한 KOH 대 탄소 (또는 숯)의 함수에 따른 BET 표면적 측정을 나타낸다.
도 2는 밀 유래된 숯의 알칼리 활성화를 위한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 비의 함수에 따른 밀도범함수 이론 (Density Functional Theory) (DFT) 기공 부피를 나타낸다.
도 3은 세 개의 다른 활성화 온도에서 KOH 대 탄소 (또는 숯) 중량비의 함수에 따른 대칭 버튼 전지 (symmetrical button cell)에서 측정된 부피 비 전정용량 (volumetric specific capacitance) (Csp,v)을 나타낸다.
도 4는 세 개의 다른 활성화 온도에서 제조된 활성탄 샘플에 대한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 중량비의 함수에 따른 대칭 버튼 전지에서 측정된 퍼센트 비-선형성 (percentage non-linearity)을 나타낸다.
도 5는 세 개의 활성화 온도에서 제조된 활성탄 샘플에 대한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 중량비의 함수에 따른 비대칭 버튼 전지에 측정된 부피 비 전정용량을 나타낸다.
도 6은 세 개의 다른 활성화 온도에서 제조된 활성탄 샘플에 대한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 중량비의 함수에 따른 비대칭 버튼 전지에서 측정된 퍼센트 비-선형성을 나타낸다.
도 7은 선택된 활성탄의 기공 크기 분포를 나타내는 막대그래프를 제공한다.
도 8은 선택된 활성탄을 포함하는 비대칭 전기화학 이중층 커패시터 (electrochemical double layer capacitor: EDLC) 전지에 대해 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 정전용량을 나타낸다.
도 9는 활성탄을 포함하는 비대칭 EDLC 전지에 대해 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 퍼센트 (%) 정전용량을 나타낸다.
도 10은 선택된 활성탄을 포함하는 비대칭 EDLC 전지에 대해 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 등가 직렬 저항 (equivalent series resistance: ESR)을 나타낸다.
도 11은 선택된 활성탄을 포함하는 비대칭 EDLC 전지에 대해 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 퍼센트 등가 직렬 저항 (% ESR)을 나타낸다.
도 1은, 밀 유래된 숯의 알칼리 활성화를 위한 KOH 대 탄소 (또는 숯)의 함수에 따른 BET 표면적 측정을 나타낸다.
도 2는 밀 유래된 숯의 알칼리 활성화를 위한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 비의 함수에 따른 밀도범함수 이론 (Density Functional Theory) (DFT) 기공 부피를 나타낸다.
도 3은 세 개의 다른 활성화 온도에서 KOH 대 탄소 (또는 숯) 중량비의 함수에 따른 대칭 버튼 전지 (symmetrical button cell)에서 측정된 부피 비 전정용량 (volumetric specific capacitance) (Csp,v)을 나타낸다.
도 4는 세 개의 다른 활성화 온도에서 제조된 활성탄 샘플에 대한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 중량비의 함수에 따른 대칭 버튼 전지에서 측정된 퍼센트 비-선형성 (percentage non-linearity)을 나타낸다.
도 5는 세 개의 활성화 온도에서 제조된 활성탄 샘플에 대한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 중량비의 함수에 따른 비대칭 버튼 전지에 측정된 부피 비 전정용량을 나타낸다.
도 6은 세 개의 다른 활성화 온도에서 제조된 활성탄 샘플에 대한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 중량비의 함수에 따른 비대칭 버튼 전지에서 측정된 퍼센트 비-선형성을 나타낸다.
도 7은 선택된 활성탄의 기공 크기 분포를 나타내는 막대그래프를 제공한다.
도 8은 선택된 활성탄을 포함하는 비대칭 전기화학 이중층 커패시터 (electrochemical double layer capacitor: EDLC) 전지에 대해 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 정전용량을 나타낸다.
도 9는 활성탄을 포함하는 비대칭 EDLC 전지에 대해 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 퍼센트 (%) 정전용량을 나타낸다.
도 10은 선택된 활성탄을 포함하는 비대칭 EDLC 전지에 대해 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 등가 직렬 저항 (equivalent series resistance: ESR)을 나타낸다.
도 11은 선택된 활성탄을 포함하는 비대칭 EDLC 전지에 대해 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 퍼센트 등가 직렬 저항 (% ESR)을 나타낸다.
본 개시의 다양한 구체 예는, 만약 있다면, 도면을 참조하여 더욱 상세하게 기재될 것이다. 다양한 구체 예에 대한 언급은, 본 발명의 범주를 제한하지 않고, 여기에 첨부된 청구항의 범주에 의해 오직 제한된다. 부가적으로, 본 명세서에서 서술된 어떤 실시 예는, 청구된 발명의 많은 가능한 구체 예의 몇몇을 제한 없이 단순 서술된 것이다.
정의
"전지화학 이중층 커패시터", "EDLC", "슈퍼커패시터", "울트라커패시터", 및 이와 유사한 용어는, 이중층 정전용량 및 의사정전용량 (pseudocapacitance)을 갖는 전기화학 커패시터와 관련된다. "EDLC 전지", "EDLC 버튼 전지", 및 이와 유사한 용어는, 예를 들어, 하우징, 및 상기 하우징 내에 또는 하우징과 통합된: 두 개의 전극; 상기 전극 사이에 분리막; 상기 전극과 접촉하는 전해질; 및 선택적으로 두 개의 집전장치를 갖는, 및 선택적으로 실시 예 섹션에 기재된 바와 같은, 전기화학 이중층 커패시터와 관련된다.
"화학적으로 결합된 산소 함량" 및 이와 유사한 용어는, 분자 산소, 물, 이산화탄소, 및 탄소에 물리적으로 흡수된 다른 산소-함유 가스 분자로 존재하는 산소를 배제하고, 화학 결합을 통해 탄소에 부착되며, 및 공동 소유 및 양도된 미국 특허 제8,541,338호에 언급된 바와 같은, 산소와 관련된다. 본 개시의 구체 예에서, 활성탄에 화학적으로 결합된 산소 함량이 낮을수록, 활성탄은 커패시터 적용에 더 우수하게 수행될 것이다.
"기공 부피" 및 이와 유사한 용어는, 활성탄 내에 보이드 부피 (void volume)와 관련되며, 공동 소유 및 양도된, 미국 특허 제8,564,934호 참조.
"포함", "포함하는", 또는 이와 유사한 용어는 포괄하지만 제한되지 않는, 즉, 배제 없는 포함을 의미한다.
본 개시의 구체 예를 묘사하는데 사용된, 예를 들어, 조성물에서 성분의 양, 농도, 부피, 공정 온도, 공정 시간, 수율, 유속, 압력, 점도 및 이와 유사한 값, 및 이의 범위, 또는 부품의 치수, 및 이와 유사한 값, 및 이의 범위를 변경하는 "약"은, 예를 들어: 물질, 조성물, 복합물, 농축물, 구성품, 제작의 제품, 또는 사용 제제를 제조하는데 사용된 통상적인 측정 및 취급 절차를 통해; 이들 절차에서 부주의한 실수를 통해; 제작, 공급원, 또는 이 방법들을 수행하는데 사용된 출발 물질 또는 성분의 순도의 차이를 통해; 및 이와 유사한 고려사항을 통해 일어날 수 있는 수치에서 변화와 관련된다. 용어 "약"은 또한 특정 개시 농도를 갖는 조성물 또는 제제 또는 혼합물의 숙성에 기인하여 다른 양, 및 특정 개시 농도를 갖는 조성물 또는 제제 또는 혼합물을 혼합 또는 가공에 기인하여 다른 양을 포괄한다.
"선택적" 또는 "선택적으로"는, 나중에 기재된 사건 또는 상황이 일어날 수 있거나 또는 일어나지 않을 수 있고, 및 설명이 사건 또는 사항이 일어나는 경우 및 일어나지 않는 경우를 포함하는 것을 의미한다.
"단수" 및 "복수"는 특별히 구분없이 사용되며, 별도의 언급이 없는 한, "단수" 및 "복수" 모두 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미한다.
기술분야에서 당업자에게 잘 알려진 약어는 사용될 수 있다 (예를 들어, 시간 또는 시간들에 대해 "h" 또는 "hrs", 그램에 대해 "g" 또는 "gm", 밀리리터에 대해 "mL", 및 실온에 대해 "rt", 나노미터에 대해 "㎚", 및 이와 유사한 약어).
구성분, 성분, 첨가제, 치수, 조건, 시간, 및 이와 유사한 관점에 대해 기재된 특정 및 바람직한 값, 및 이의 범위는, 오직 예시를 위한 것이다: 이들은 다른 정의된 값 정의된 범위 내에 다른 값을 배제하지 않는다. 본 개시의 조성물 및 방법들은 어떤 값 또는 상기 값의 어떤 조합, 특정 값, 좀 더 특정된 값, 및 여기에 기재된 바람직한 값을 포함할 수 있어, 명시적 또는 암시적 중간값 및 범위를 포함한다.
활성탄은 탄소에서 표면적 및 다공성 (porosity)을 생성하기 위해 고온 (예를 들어, 500℃ 이상)에서 탄소질 재료의 (예를 들어, 활성제 (activating agent)로서 CO2 또는 스팀을 사용하여) 물리적 활성화 또는 (예를 들어, 활성제로서, KOH, K2CO3, NaOH, Na2CO3, AlCl3, ZnCl2, MgCl2, 또는 H3PO4, 등을 사용하여) 화학적 활성화에 의해 통상적으로 만들어진다. 특정 적용의 요건을 충족하기 위해 활성화 단계에서 탄소의 표면적 및 다공성을 설계해서 제작하는 것은 중요하다. 전기화학 이중층 커패시터 (EDLC) 적용에 대해, 고성능을 달성하기 위해 활성탄에서 다량의 미소공 (micropores)을 생성하는 것은 바람직하다. 화학적 활성화, 특히 알칼리 활성화 (즉, 알칼리 금속 화합물에 의한 활성화)는 EDLC용 활성탄을 제조하는데 매우 적합하다.
큰 표면적 및 큰 기공 부피가 EDLC에서 높은 비 전정용량을 달성하기 위해 활성탄에 요구된다는 것은 알려져 있다. 이러한 활성탄은, 탄소질 재료 (예를 들어, 숯, 코크스, 등)의 알칼리 활성화 (예를 들어, KOH, NaOH, 등)에 의해 쉽게 만들어질 수 있지만, 다량의 활성화제 (activation agent)가 요구된다. 예를 들어, 숯의 KOH 활성화에 대해, 2:1 이상의 KOH:숯 중량비는 종종 사용된다. 비용 모델링 (Cost modeling)은, 2:1의 중량비에서, KOH가 대략 매출 원자 (COGS)의 3분의 1로, 단일의 가장 큰 원가동인 (cost driver)인 것을 나타낸다. 이러한 높은 중량비는, 예를 들어:
다량의 활성화제에 기인한 높은 원료 비용, 이는 더 낮은 탄소 수율을 유도하는 탄소의 더 높은 번-오프 속도 (burn-off rate)를 또한 유도함;
심각한 장비 부식;
반응 부산물로서 알칼리 금속의 발생과 관련된 심각한 공정 위험; 및
공정 생산량을 결과적으로 제한할 수 있는, 배치로부터 가스 및 물의 방출과 조합된 활성화제의 용융에 기인한 배치 물질의 큰 부피 팽창을 포함하는 제작에서 알칼리 활성화 공정에 대하여 중대한 과제를 또한 유도할 있다.
이들 과제의 모두는, 종래의 기술에서 알칼리 활성탄을 만드는 상대적으로 높은 비용에 기여할 수 있고, 알칼리 활성화가 활성탄의 대규모 제작에 널리 채택될 수 없는 주된 이유이다.
더군다나, EDLC 전지는 내구성에 대한 엄격한 상업적인 요건을 충족하여야 한다. 산업에서 광범위하게 채택된 현재 사양은 65℃ 및 정격 전압 (rated voltage)에서 1500시간의 응력 시험 후에, 전지가 초기 정전용량의 80% 이상을 보유하고, 초기 등가 직렬 저항 (ESR)의 200% 이하를 유지하는 것을 요구한다. 산업에서 EDLC 전지의 최신 기술은 2.7 V 이하로 평가된다. 전지의 에너지 밀도가 작동 전압의 제곱에 의존하기 때문에 전압 전격 (voltage rating)을 증가하는 것은 매우 바람직하다. 더 높은 전압에서 내구성 문제를 해결하는 것은 중요한 과제로 남는다.
2013년 9월 24일자에 Gadkaree 등에게 등록되고, 발명의 명칭이 "Highly porous Activated Carbon with controlled oxygen content"으로 공동 소유 및 양도된 미국 특허 8,541,338호는, EDLCs에서 높은 비 전정용량 및 조절된 산소 함량을 갖는 나노기공성 활성탄 물질, 및 이러한 활성탄 물질의 제조방법을 언급한다. 산소 함량의 감소는: 불활성 또는 환원 환경에서 탄소 전구체/첨가제 혼합물을 경화하는 단계; 불활성 또는 환원 환경에서 합성 후에 활성탄 물질을 정제하는 단계 (가열하는 단계); 또는 모두에 의해 달성된다. 경화 단계 또는 정제 단계에 대해 사용된 불활성 또는 환원 환경은 바람직하게는 산소가 실질적으로 없다.
본 개시는 에너지 저장 장치 및 상기 장치의 사용 및 제조를 위한 방법을 제공한다.
구체 예에서, 본 개시는:
1000 내지 1700㎡/g의 표면적;
0.3 내지 0.6 cc/g의 기공 부피;
0.01 내지 1.5 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량; 및
7.5 내지 10의 pH를 포함하는; 제1 활성탄을 포함하는, 에너지 저장 장치 내에 전극을 제공한다.
구체 예에서, 상기 제1 활성탄은: 예를 들어, 1300 내지 1700㎡/g의 표면적; 0.4 내지 0.6 cc/g의 기공 부피, 8 내지 10의 pH; 0.01 내지 1 wt%의 산소 함량; 유기 전해질을 갖는 대칭 전기화학 이중층 커패시터 전지에서 측정된 것으로, 80 F/cc 내지 120 F/cc의 초기 비 전정용량; 또는 이의 조합 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 유기 전해질은, 유기 용매, 예를 들어, 아세토니트릴, 프로필렌 카보네이트, 또는 몇몇 다른 일반적으로 사용된 유기 용매에 용해된, 염, 예를 들어, 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트 (TEA-TBF), 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트 (TEMA-TFB), 또는 몇몇 다른 일반적으로 사용된 전해질 염; 또는 둘 이상의 염, 둘 이상의 유기 용매, 또는 모두를 혼합한 이의 조합을 포함한다.
구체 예에서, 에너지 저장 장치는, 예를 들어, 1500시간 동안 3V 및 65℃에 유지된 경우 초기 등가 직렬 저항 (ESR)의 최대 200%, 및 초기 정전용량의 적어도 80%를 유지하는 것을 특징으로 하는 내구성을 갖는 전기화학 이중층 커패시터일 수 있다.
구체 예에서, 본 개시는:
1000 내지 1700㎡/g의 표면적;
0.3 내지 0.6 cc/g의 기공 부피;
0.01 내지 1.5 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량; 및
7.5 내지 10의 pH를 포함하는; 제1 활성탄을 포함하는, 적어도 하나의 전극을 포함하는 에너지 저장 장치를 제공한다.
구체 예에서, 에너지 저장 장치는, 예를 들어:
하우징, 및 상기 하우징 내에:
양극 및 음극;
상기 전극 사이에 위치된 분리막;
전해질; 및
선택적으로 두 개의 집전장치를 더욱 포함할 수 있다.
구체 예에서, 양극 및 음극은, 예를 들어, 조성적으로 또는 물리적으로, 같거나 또는 다를 수 있다.
구체 예에서, 양극 및 음극은 같다, 즉, 대칭적이다. 구체 예에서, 양극 및 음극 모두는 제1 활성탄을 포함한다.
구체 예에서, 양극 및 음극은 다르다, 즉, 비대칭적이다. 구체 예에서, 양극은 제1 활성탄을 포함하고, 음극은 제1 활성탄과 다른, 예를 들어, 상업적으로 이용 가능한 YP-50F인, 제2 활성탄을 포함한다.
구체 예에서, 장치는, 1500시간 동안 3V 및 65℃에서 유지된 경우, 초기 등가 직렬 저항의 최대한 200% 및 초기 정전용량의 적어도 80%를 유지하는 것을 특징으로 하는 내구성을 갖는 전기화학 이중층 커패시터일 수 있다.
구체 예에서, 본 개시는 에너지 저장 장치 내에 전극에 제1 활성탄을 제공하고, 상기 제1 활성탄은:
1000 내지 1700㎡/g의 표면적;
0.3 내지 0.6 cc/g의 기공 부피;
0.01 내지 1.5 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량; 및
7.5 내지 10의 pH를 포함한다.
구체 예에서, 전극은 카본 블랙 (carbon black)과 같은 전도성 첨가제, 및 바인더를 더욱 포함할 수 있다.
구체 예에서, 본 개시는:
적합한 탄소 원재료를 탄화시켜 숯을 형성하는 탄화단계, 상기 탄소 원재료는, 밀가루, 호두가루, 옥수수 가루, 옥수수 전분, 쌀가루, 감자가루, 비트, 기장, 콩, 보리 및 목화, 견과의 껍질, 페놀 수지, 폴리(비닐알코올), 폴리아크릴로니트릴, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고; 예를 들어, 밀가루는 N2로 퍼지된 레토르트 가열로 (retort furnace)에서 800℃에 탄화됨;
또는:
예를 들어, 숯, 코크스, 석탄, 피치 (pitch), 활성탄, 또는 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적합한 탄소질 재료를 제공하는 단계;
탄화된 원재료 또는 제공된 탄소질 재료를 약 3 내지 10 microns의 d50을 갖는 탄소 미립자로 분말화하는 단계, 예를 들어, 약 5 microns의 d50으로 숯을 분말 밀링하는 분말화하는 단계; 및
상기 미세한 탄소 미립자 및 알칼리 수산화물 (MOH)의 혼합물을, 예를 들어, 2.5:1 내지 0.5:1의 MOH:숯 또는 알칼리 수산화물 대 탄소 중량비에서, 원하는 비율로, KOH 분말과 숯 분말을 혼합하여 제1 활성탄을 생산하는 가열 단계를 포함하는, 제1 활성탄을 제조하는 방법을 제공한다.
구체 예에서, MOH:숯 또는 알칼리 수산화물 대 탄소 중량비는, 예를 들어, 1.5:1 내지 1:1일 수 있다.
구체 예에서, MOH는, 예를 들어, NaOH, KOH, 또는 이의 혼합물일 수 있다.
구체 예에서, 가열 단계는, 예를 들어, 0.25 내지 4 hrs 동안, 600 내지 1000℃에서 N2 분위기의 가열로에서 달성될 수 있다. 가열 단계는 원하는 활성화 온도로 150℃/hr에서 상승되고, 2시간 동안 유지되며, 도움없이 120℃로 냉각되는 것을 포함할 수 있다.
구체 예에서, 방법은, 예를 들어, 가열된 혼합물이 100℃ 내지 400℃로 냉각된 후에 수증기를 도입하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
구체 예에서, 방법은, 여과액 pH가, DI 수와 대략적으로 같은 주변 pH, 예를 들어, 중간 값 및 범위를 포함하는, pH 5 내지 7.5일 때까지, 연속하여: DI 수, HCl 용액, 및 DI 수로, 활성탄을 세척 및 여과하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
구체 예에서, 방법은, 예를 들어, 0.25 내지 4 hrs 동안 500 내지 1000℃에서, 불활성 분위기, 환원 분위기, 또는 이의 조합에서 세척된 제1 활성탄을 열처리하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
구체 예에서, 본 개시는 EDLC 적용을 위한 고성능 활성탄을 제공한다. 개시된 제1 활성탄은, 예를 들어, 1000 내지 1700㎡/g의 중간 표면적, 및 예를 들어, 0.3 내지 0.6 cc/g의 기공 부피를 특징으로 할 수 있다. 이들 특성은, 고 표면적 (예를 들어, 1800㎡/g 이상) 및 큰 기공 부피 (예를 들어, 0.7 cc/g 이상)가 높은 비 전정용량을 이루기 위해 요구되는 점에서 종래의 관점과 다르다. 예를 들어, Kansai Coke MSP-20인, 상업적으로 이용 가능한 KOH 활성탄은, 약 2300㎡/g의 표면적 및 약 0.8 g/cc의 기공 부피를 갖는다.
구체 예에서, 본 개시는, 중간 값 및 범위를 포함하는, 7.5 내지 10, 8 내지 10, 및 8 내지 9.5와 같은, 7을 초과하는 pH를 가지며, 염기성 표면 기능성 (basic surface functionality)을 갖는 활성탄을 제공한다. 산성 표면 기능성이 EDLC 장치의 장-기간 내구성에 불리할 수 있기 때문에, 염기성 표면 기능성 및 pH 특성은 유리하다. 바람직하게는, 본 개시의 제1 활성탄은 8 내지 10의 pH를 가질 수 있고, 좀 더 바람직하게는, 제1 활성탄은 중간 값 및 범위를 포함하는 8 내지 9의 pH를 갖는다.
구체 예에서, 본 개시는, 제1 활성탄의 총 중량에 기초하여, 0.01 내지 1.5 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량을 갖는 활성탄을 제공한다. 산소 표면 기능성이 EDLC 장치의 장-기간 내구성에 불리할 수 있기 때문에, 저 함량의 화학적으로 결합된 산소는 유리하다 (예를 들어, Pandolfo, A. G., et al., Carbon properties and their role in supercapacitors, Journal of Power Sources, 2006, 157, 11-27, 및 그 안에 문헌, 참조). 바람직하게는, 본 개시된 활성탄은, 중간 값 및 범위를 포함하는, 0.01 내지 1.0 wt%의 산소 함량을 갖는다.
구체 예에서, 본 개시된 활성탄은, 산업적인 사양을 충족하고, 3V 및 65℃에서 우수한 내구성인, 비슷한 전지와 비교하여, 80 F/cc 내지 120 F/cc과 같은, 가장 높은 초기 정전용량 중 하나를 갖는 것으로 EDLC 전지에서 입증되었다.
구체 예에서, 본 개시는 또한, 1:1 만큼 낮은 KOH:숯 중량비에서 KOH와 숯을 활성화하는 단계를 포함하는, 활성탄을 제조하기 위한 공정을 제공하고, 상기 공정은 여기에 언급된 공정 과제를 완화시킨다. KOH:숯 (또는 교환할 수 있게 사용된, KOH:탄소) 비는, 활성화를 위한 공급 물질에서 KOH 고체 중량 대 숯 (또는 탄소) 고체 중량의 비로 정의된다.
본 개시된 조성물 (즉, 활성탄), 제품 (즉, 전극), 장치 (즉, 에너지 저장 장치), 및 제조 및 사용 방법은, 예를 들어:
높은 부피 비 전정용량에 의해 측정된 것으로, EDLC 제품 또는 장치용 고성능 활성탄;
산성 표면 기능성과 비교하여, 7을 초과하는 pH를 가지며, 탄소 상에 염기성 표면 기능성, 여기서 산성 표면은 EDLC 장치의 장-기간 내구성에 불리한 것으로 믿어짐; 및
예를 들어, 낮은 KOH 사용량 및 더 높은 탄소 수율 (즉, 더 낮은 번-오프)에 기인한 더 낮은 재료비;
적은 KOH가 가공되는데 필요하고, 탄소 수율이 높기 때문에, 동일 장비에서, 활성탄 생산물 부피에 의해 측정된 것으로, 더 높은 생산량;
알칼리 금속에 관련된 덜한 부식 및 덜한 안전 문제에 기인한 더 낮은 장비 유지비; 및
부식 및 칼륨 일소 (clean-out)에 기인하는 감소된 정지 시간으로부터 실현된 더 낮은 작동 및 제작비를 포함하는, 활성탄을 만드는데 사용된 낮은 KOH 비로부터 얻어진 중요한 공정 개선; 중 적어도 하나를 제공하는 것을 장점으로 한다.
도면들을 참조하면, 도 1은 750℃ 및 850℃에서 밀 유래된 숯의 알칼리 활성화를 위한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 비의 함수에 따른 BET 표면적 측정을 나타낸다. 샘플 모두는 675℃에서 열 처리된다 (실시 예 1 참조).
도 2는 750℃ 및 850℃에서 밀 유래된 숯의 알칼리 활성화를 위한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 비의 함수에 따른 밀도범함수 이론 (DFT) 기공 부피를 나타낸다. 샘플 모두는 그 다음 675℃에서 열 처리된다 (실시 예 1 참조).
도 3은 750℃ (시리즈로 8 샘플), 800℃ (시리즈로 4 샘플), 및 850℃ (시리즈로 4 샘플)에서 각각 활성화되고, 그 다음 675℃에 열 처리된 (실시 예 1 참조), 세 시리즈의 활성탄 샘플에 대한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 중량비의 함수에 따른 대칭 버튼 전지에서 측정된 부피 비 전정용량 (Csp,v)을 나타낸다. 각 시리즈 내에 샘플은 동일한 활성화 온도이지만, 다른 MPH : 탄소 비를 갖는다.
도 4는 750℃, 800℃, 및 850℃에서 각각 활성화되고, 그 다음 675℃에서 열 처리된 (실시 예 1 참조), 세 시리즈의 탄소 활성화된 샘플에 대한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 비의 함수에 따른 대칭 버튼 전지에서 측정된 비-선형성을 나타낸다.
도 5는 750℃, 800℃ 및 850℃에서 각각 활성화되고, 그 다음 675℃에서 열 처리된 (실시 예 1 참조), 세 시리즈의 탄소 활성화된 샘플에 대한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 중량비의 함수에 따른 비대칭 버튼 전지에서 측정된 부피 비 전정용량을 나타낸다.
도 6은 750℃, 800℃ 및 850℃에서 각각 활성화되고, 그 다음 675℃에서 열 처리된 (실시 예 1 참조), 세 시리즈의 탄소 활성화된 샘플에 대한 KOH 대 탄소 (또는 숯) 중량비의 함수에 따른 비대칭 버튼 전지에서 측정된 비-선형성을 나타낸다.
도 7은 실시 예 2, 실시 예 3, 비교 예 4, 및 900℃에서 열 처리된 YP-50F에서 활성탄의 기공 크기 분포를 나타내는 막대그래프를 제공한다.
도 8은 실시 예 2, 실시 예 3, 및 비교 예 4에서 활성탄을 포함하는 조율된 EDLC 전지에 대한 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 정전용량을 나타낸다. 도 8 내지 11에서, 및 실시 예 중에서, 실시 예 2는 2.7 V에서 시험된다. 실시 예 3 및 비교 예 4는 3V에서 시험된다.
도 9는, 실시 예 2, 실시 예 3, 및 비교 예 4에서 활성탄을 포함하는 조율된 EDLC 전지에 대한 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 퍼센트 (%) 정전용량을 나타낸다.
도 10은, 실시 예 2, 실시 예 3, 및 비교 예 4에서 활성탄을 포함하는 비대칭 EDLC 전지에 대한 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 등가 직렬 저항 (ESR)을 나타낸다.
도 11은, 실시 예 2, 실시 예 3, 및 비교 예 4에서 활성탄을 포함하는 조율된 EDLC 전지에 대한 65℃에서 정전압 응력 시험 동안 시간의 함수에 따른 퍼센트 등가 직렬 저항 (% ESR)을 나타낸다.
실시 예
하기 실시 예는, 전술한 일반적인 설명 및 절차에 따라서, 본 개시된 활성탄, 전극, 및 에너지 저장 장치의 제조, 사용 및 분석을 보여준다.
구체 예에서, 본 개시는 개시된 활성탄을 제조하는 일반적인 방법을 제공한다. 구체적인 상세는, 예를 들어, 실시 예들에 언급된 바와 같이, 변화될 수 있다.
활성탄 제조
구체 예에서, 밀가루는 N2로 퍼지된 레토르트 가열로에서 800℃로 탄화된다. 최종 숯은 약 5 microns의 d50로 미세 분말로 밀링된다. 숯 분말은 원하는 비로 KOH 분말과 혼합된다.
숯-KOH 혼합물은 N2로 퍼지된 레토르트 가열로에서 활성화된다.
통상적인 가열로 사이클은, 예를 들어, 원하는 활성화 온도까지 150℃/hr로 상승하고, 2시간 동안 유지되며, 120℃까지 도움없이 냉각되는 것으로 이루어진다.
다음, 수증기는 3시간 동안 고온 (약 90℃) 물을 통해 N2 버블링에 의해 가열로에 도입되고, 상기 가열로는 70℃ 이하로 도움없이 냉각된다.
활성화된 물질은 여과액의 pH가 DI 수의 pH와 일치할 때까지, DI 수, HCl 용액, 및 DI 수로 연속적으로 세척되고 여과된다. 세척된 활성탄은 1 vol% H2/N2 혼합물로 퍼지된 레토르트 가열로에서 최종적으로 열 처리된다. 가열로는 원하는 열 처리 온도로 150℃/hr에서 상승되고, 2시간 동안 유지되며, 실온으로 도움없이 냉각된다.
활성탄 샘플 특징
활성탄 샘플은 Micrometrics ASAP 2420에서 N2 흡착을 사용하여 특징화된다. 표면적은 BET 이론에 의해 특징화된다. 기공 부피 및 기공 크기 분포는, 밀도범함수 이론 (DFT)를 사용하여 특징화되고, 흡착 등온선으로부터 계산된다. 상기 활성탄 샘플의 pH는 ASTM D3838-05에 따라 측정된다. 활성탄 샘플의 산소 함량 (wt%)은, ASTM D5622에 따라 진공 건조된 샘플의 원소 연소 분석에 의해 결정되고, 표 1에 열거된다.
EDLC 버튼 전지 제조 및 평가
EDLC에서 활성탄 샘플의 성능은, 버튼 전지를 사용하여 먼저 평가되는데, 하기 절차를 사용하여 제조되고 시험된다.
전극은 중량에 의한 85:5:10의 비율로 본 개시된 활성탄, 카본 블랙 (전도성 첨가제로서, Black Pearl 2000) 및 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTEE) (바인더)을 블렌딩하고, 상기 혼합물을, 예를 들어, 둥근-형태 전극으로 절단된 독립-형 필름 (free-standing film)으로 롤링하여 제작된다.
버튼 전지는, 수직 순서로 다음 부품 (펀치를 사용하여 5/8"의 직경으로 모두 절단)을 쌓아 조립된다: 집전장치 #1 (Pt 호일)/ 탄소 전극 #1 / 분리막 (셀룰로오스지) / 탄소 전극 #2 / 집전장치 #2 (집전장치 #1과 동일).
탄소 전극 및 분리막은, 조립 전에, 전해질 용액, 예를 들어, 아세트니트릴 내의 1.5M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트 (TEA-TBF)에서 사전-함침된다.
소정의 추가 전해질 용액은, 스택 (stack) 상에 탄소 전극 #2를 놓은 후 및 집전장치 #2를 놓기 전에 전지에 첨가된다.
마지막으로, 전지는 스택 주위를 열경화성 밀봉제의 고리를 가열하여 밀봉된다. 버튼 전지는 20mA의 일정한 방전 전류 (constant discharge current)에서 2,7V로 정전류 방전 (galvanostatic discharge)을 사용하여 측정된다.
방전 곡선 (전위 대 시간)으로부터, 실제 에너지 (와트*초의 단위)는 하기 수학식 1을 사용하여 방전 곡선 하의 면적을 절대치로 적분하여 계산되고 (즉, "통합된 에너지법 (integrated energy method)"):
[수학식 1]
여기서 Idisch는 방전 전류 (상수)이고, V1 및 V2는 각각 초 및 종 전위 (end potential)이다. 장치 정전용량 (device capacitance) (Farad 단위로, Cdevice)는 다음 수학식 2로 에너지로부터 계산된다:
[수학식 2]
비 전정용량은 그 다음, 양 전극에서 총 부피 (부피 측정, Csp,v, F/㎤) 또는 총 탄소 중량 (중량 측정, Csp,m , F/g)으로 장치 정전용량을 나누어 계산된다. 선택적으로, 장치 정전용량은 또한 방전 곡선의 선형 부분의 기울기를 사용하여 계산된다 (즉, "기울기법 (slope method)").
만약 방전 곡선이 (통상적으로 IR 하락 후 초기 단계 (initial phase)에서) 비-선형이라면, "기울기법"은 "통합된 에너지법"보다 더 높은 정전용량 값을 제공할 것이다. 두 개의 값 사이에 퍼센트 차이는 "비-선형성" 또는 "% 비-선형성"이라 언급되고, 활성탄의 기공 구조 내에 제한된 이온 이동 (ion movement)을 나타낸다. "기울기법"을 사용하여 계산된 장치 정전용량은 "비-선형성"의 계산을 위해 오직 사용되는 반면, 비 전정용량 값은 "통합된 에너지법"을 사용하여 모두 계산된다.
네 개 버튼 전지는 제작되고 각 탄소 샘플에 대해 측정되며, 평균값은 이상치 (outliers)를 제외하고 보고된다. 비 전정용량은 그 다음, 양 전극에서 총 부피 (부피 측정, Csp,v, F/㎤) 또는 총 탄소 중량 (중량 측정, Csp,m, F/g)로 장치 정전용량을 나뉘어 계산된다.
버튼 전지 구조에서, 전극 #1 및 #2는 동일한 활성탄 ("대칭 전지"로 언급됨, 즉, 조성적으로 동일함) 또는 다른 활성탄 ("조율된 전지", "비-대칭 전지", "비대칭 전지" 또는 "대칭이 아닌 전지"로 언급됨, 즉, 조성적으로 다름)으로 구성될 수 있다. 본 개시에서 "비대칭 버튼 전지"는, 양극에 대해 개시된 실험 활성탄 샘플, 및 음극에 대해 Kuraray YP-50F (상업적 활성탄) 샘플로 만들어지고 평가된다. 버튼 전지에서 전극은, 예를 들어, 5-8의 인치 직경 및 100 micrometer의 두께의 치수를 갖는다.
실시 예 1
세 시리즈의 활성탄은 각각 750℃, 800℃, 및 850℃의 세 개의 다른 열 활성화 온도, 및 0.5:1 내지 2.2:1의 다양한 KOH 대 숯 중량비 (KOH:숯)에서 밀가루로부터 유래된 숯을 열적으로 활성화시켜 제조된다. 열적 활성화 및 세척 후에, 세 개의 시리즈에서 모든 활성탄 샘플은 675℃에서 열 처리된다.
750℃ 및 850℃ 활성화 온도 시리즈에 대해 KOH 대 숯 비의 함수에 따른 BET 표면적, 및 DFT 기공 부피는, 도 1 및 2에 나타낸다. 각 온도 시리즈 내에서, BET 표면 및 DFT 기공 부피 모두는 KOH 대 숯 중량비가 증가함에 따라 증가한다. 같은 KOH 대 숯 중량비에서, BET 표면 및 DFT 기공 부피 모두는, 활성화 온도가 증가함에 따라 증가한다.
이들 활성탄은 대칭 및 비대칭 버튼 전지 모두에서 시험되고, 결과는 도 3 내지 6에서 플롯된다. 대칭 버튼 전지에서 성능은 도 3 및 4에서 나타낸다. 750℃의 활성화 온도에서, Csp,v는 2.2:1 내지 1.5:1의 KOH:숯 중량비에서 90 F/cc 이상이지만, 1.5:1보다 더 낮은 비에서 가파른 하락하면서, 비-선형성은 가파르게 상승한다. 활성화 온도가 750℃로부터 800℃로, 그 다음 850℃로 증가된 경우, Csp,v는 1.5:1 내지 1:1의 비 내에 어떤 KOH:숯 중량비에 대해 온도와 함께 증가하고, 800℃에서 추세는 750℃에서의 것과 유사하게 가파르지만, 이 추세는 850℃에서 상대적으로 평평하다 (예를 들어, 1:1 비 및 850℃에서, Csp,v는 87.7 F/cc이다). 동시에, 비-선형성은 증가하는 활성화 온도와 함께 개선을 나타낸다 (즉, 이것은 감소함). 비록 비-선형성이 질적 또는 반-정량적인 미터법인 것으로 고려되어야 할지라도, 10% 이하의 값은 통상적으로 바람직하다.
다음, 조율된 (즉, 비대칭) 버튼 전지에서 동일한 세 개의 시리즈의 탄소 샘플의 성능은 평가되고, 도 5 및 6에 나타낸다. 1.5:1 내지 1:1의 KOH:탄소 중량비에서, 비록 (85 F/cc를 중심으로 하는) Csp,v가 대칭 버튼 전지에서 값들의 몇몇만큼 높지 않을지라도, Csp,v는 활성화 온도에서 상대적으로 영향을 받지 않고, 85 F/cc는 여전히 우수한 성능이며, 대부분 상업적 탄소보다 더 높다. 더군다나, 비-선형성은 이 범위에서 모든 탄소에 대해 10% 아래로 유지된다. 이들 결과는 실용적인 EDLC 장치를 만들기 위한 활성탄의 잠재적 유용성을 입증하는 것이고, 이것은 실시 예 2 및 3에서 더욱 입증된다.
실시 예 2
활성탄은, 850℃에서 1:1의 KOH 대 숯 비로 밀가루로부터 만들어진 숯을 활성화시키고, 그 다음 900℃에서 열 처리하여 제조된다. 활성탄의 특성은, 표 1에 나타내고, DFT 기공 크기 분포는 도 7에 나타낸다. 비대칭 EDLC 전지는 양극에 대해 본 활성탄 및 음극에 대해 900℃에서 열 처리된 YP-50F, 및 전해질로서 아세토니트릴 내에 1.2 M 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트 (TEMA-TFB)를 사용하여 제작된다. 전지는 12 oz. soda can의 것과 유사한 치수를 갖는다. 수명 초기 (Beginning of life: BOL) 성능은 표 2에 나타낸다.
| BET 표면적 (㎡/g) |
DFT 총 기공 부피 (cc/g) |
pH | Sub-nm 기공 부피 (cc/g) |
미소공 부피 (cc/g) |
%Sub-nm 기공 부피 |
% 미소공 부피 |
|
| 실시 예 2 | 1362 | 0.47 | 9.1 | 0.39 | 0.45 | 81.6 | 96.0 |
| 실시 예 3 | 1683 | 0.57 | 8.6 | 0.41 | 0.56 | 72.4 | 97.7 |
| 비교 예 4 | 1989 | 0.70 | 약 6.5 | 0.41 | 0.66 | 58.9 | 95.6 |
| 900℃에서 열처리된 YP-50F | 1693 | 0.60 | 약 7.0 | 0.29 | 0.56 | 48.7 | 92.8 |
[표 1] 계속
| 전정용량 (F) | ESR (mΩ) | 시험 전압 (V) | |
| 실시 예 2 | 2783 | 0.33 | 2.7 |
| 실시 예 3 | 2766 | 0.38 | 3 |
| 비교 예 4 | 2803 | 0.48 | 3 |
실시 예 3
활성탄은, 850℃에서 1.5:1의 KOH 대 숯 비로 밀가루로부터 만들어진 숯을 활성화시키고, 그 다음 900℃에서 열 처리하여 제조된다. 최종 활성탄의 특성은, 표 1에 나타내고, DFT 기공 크기 분포는 도 7에 나타낸다.
비대칭 EDLC 전지는 양극에 대해 본 활성탄 및 음극에 대해 900℃에서 열 처리된 YP-50F, 및 전해질로서 아세토니트릴 내에 1.2 M TEMA-TFB를 사용하여 제작된다. 본 커패시터에 대한 수명 초기 성능은 표 2에 나타낸다.
비교 예 4
활성탄은, 750℃에서 2.2:1의 KOH 대 숯 비로 밀가루로부터 만들어진 숯을 활성화시키고, 그 다음 900℃에서 열 처리하여 제조된다. 최종 활성탄의 특성은, 표 1에 나타내고, DFT 기공 크기 분포는 도 7에 나타낸다.
구체적으로, 도 7은 실시 예 2, 실시 예 3, 비교 예 4, 및 900℃에서 열 처리된 YP-50F에서 활성탄의 기공 크기 분포를 나타내는 막대그래프이다.
비대칭 EDLC 전지는 양극에 대해 본 활성탄 및 음극에 대해 900℃에서 열 처리된 YP-50F, 및 전해질로서 아세토니트릴 내에 1.2 M TEMA-TFB를 사용하여 제작된다.
수명 초기 (BOL) 성능은 표 2에 나타낸다. 표 1은, 실시 예 2 및 3에서 활성탄이 상당히 더 낮은 표면적 및 기공 부피를 갖지만, 비교 예 4에서 활성탄보다 상당히 더 높은 pH 값을 갖는 것을 보여준다.
표 2는, 실시 예 2 및 3에서 활성탄으로 만들어진 EDLC 전지가 비교 예 4에서 활성탄으로 만들어진 전지보다 유사한 초기 정전용량 및 더 낮은 ESRs를 갖는 것을 나타낸다.
이들 전지는 65℃에서 정전압 응력 시험하에 놓이고, 결과는 도 8 내지 11에 나타낸다. 실시 예 2는 2.7 V에 시험된다.
실시 예 3 및 비교 예 4는 3 V에 시험된다. 비록 실시 예 2가 시험 전압에서 차이에 기인하여 비교 예 4와 직접적으로 비교될 수 없을지라도, 절대 및 정규화된 관점 모두에서 정전용량 감쇠 (capacitance decay)는 2.7 V 하에 만족스럽다.
참조를 위해, 산업적인 사양은 65℃에서 정전압 (전지의 전압 등급에 의존하여, 2.7 V 또는 3 V) 응력하에 1500시간에서 80% 이상에서 유지하도록 정규화된 정전용량이다. 실시 예 2에 대한 ESR은 또한 안정하게 유지된다.
실시 예 3에 대하여, 절대 정전용량 감쇠는 비교 예 4의 것과 밀접하게 따라가는 반면, 정규화된 정전용량 감쇠는 약 1500시간까지 비교 예 4의 것보다 우수하다. ESR은 또한 안정되게 유지된다.
실시 예 2 및 3은, 본 개시의 활성탄이 (초기 및 장기간 모두) 만족스러운 성능을 갖는 EDLC 장치를 만드는데 사용될 수 있으면서, 활성화를 위해 사용된 KOH의 양은, 예를 들어, 각각 55 wt% 및 32 wt% 만큼 감소될 수 있고, 전술된 몇 가지 중요한 장점은 개시된 공정으로부터 실현될 수 있음을 나타낸다.
본 개시는 다양한 특정 구체 예 및 기술을 참조하여 기재되었다. 그러나, 다수의 변화 및 변형은 본 개시의 범주 내에서 가능한 것으로 이해되어야 한다.
Claims (17)
1000 내지 1700㎡/g의 표면적;
0.3 내지 0.6 cc/g의 기공 부피;
0.01 내지 1.5 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량; 및
7.5 내지 10의 pH를 포함하는,
적어도 하나의 활성탄을 포함하는, 에너지 저장 장치용 전극.
0.3 내지 0.6 cc/g의 기공 부피;
0.01 내지 1.5 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량; 및
7.5 내지 10의 pH를 포함하는,
적어도 하나의 활성탄을 포함하는, 에너지 저장 장치용 전극.
청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 활성탄은: 1300 내지 1700㎡/g의 표면적; 0.4 내지 0.6 cc/g의 기공 부피; 8 내지 10의 pH; 0.01 내지 1 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량; 유기 전해질을 갖는 대칭 전기화학 이중층 커패시터 전지에서 측정된 것으로, 80 F/cc 내지 120 F/cc의 초기 비 전정용량; 또는 이의 조합 중 적어도 하나를 갖는, 에너지 저장 장치용 전극.
상기 적어도 하나의 활성탄은: 1300 내지 1700㎡/g의 표면적; 0.4 내지 0.6 cc/g의 기공 부피; 8 내지 10의 pH; 0.01 내지 1 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량; 유기 전해질을 갖는 대칭 전기화학 이중층 커패시터 전지에서 측정된 것으로, 80 F/cc 내지 120 F/cc의 초기 비 전정용량; 또는 이의 조합 중 적어도 하나를 갖는, 에너지 저장 장치용 전극.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는 전기화학 이중층 커패시터이고, 3V 및 65℃에서 1500시간 동안 유지된 경우, 초기 정전용량의 적어도 80% 및 초기 등가 직렬 저항의 최대 200%를 유지하는 것을 특징으로 하는 내구성을 갖는, 에너지 저장 장치용 전극.
상기 에너지 저장 장치는 전기화학 이중층 커패시터이고, 3V 및 65℃에서 1500시간 동안 유지된 경우, 초기 정전용량의 적어도 80% 및 초기 등가 직렬 저항의 최대 200%를 유지하는 것을 특징으로 하는 내구성을 갖는, 에너지 저장 장치용 전극.
1000 내지 1700㎡/g의 표면적;
0.3 내지 0.6 cc/g의 기공 부피;
0.01 내지 1.5 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량; 및
7.5 내지 10의 pH를 포함하는,
적어도 하나의 제1 활성탄을 포함하는,
적어도 하나의 전극을 포함하는, 에너지 저장 장치.
0.3 내지 0.6 cc/g의 기공 부피;
0.01 내지 1.5 wt%의 화학적으로 결합된 산소 함량; 및
7.5 내지 10의 pH를 포함하는,
적어도 하나의 제1 활성탄을 포함하는,
적어도 하나의 전극을 포함하는, 에너지 저장 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 적어도 하나의 제1 활성탄은: 1300 내지 1700㎡/g의 표면적; 0.4 내지 0.6 cc/g의 기공 부피; 8 내지 10의 pH; 0.01 내지 1 wt%의 산소 함량; 유기 전해질을 갖는 대칭 전기화학 이중층 커패시터 전지에서 측정된 것으로, 80 F/cc 내지 120 F/cc의 초기 비 전정용량; 또는 이의 조합 중 적어도 하나를 갖는, 에너지 저장 장치.
상기 적어도 하나의 제1 활성탄은: 1300 내지 1700㎡/g의 표면적; 0.4 내지 0.6 cc/g의 기공 부피; 8 내지 10의 pH; 0.01 내지 1 wt%의 산소 함량; 유기 전해질을 갖는 대칭 전기화학 이중층 커패시터 전지에서 측정된 것으로, 80 F/cc 내지 120 F/cc의 초기 비 전정용량; 또는 이의 조합 중 적어도 하나를 갖는, 에너지 저장 장치.
청구항 4 또는 5에 있어서,
상기 장치는, 3V 및 65℃에서 1500시간 동안 유지된 경우, 초기 정전용량의 적어도 80% 및 초기 등가 직렬 저항의 최대 200%를 유지하는 것을 특징으로 하는 내구성을 갖는 전기화학 이중층 커패시터인, 에너지 저장 장치.
상기 장치는, 3V 및 65℃에서 1500시간 동안 유지된 경우, 초기 정전용량의 적어도 80% 및 초기 등가 직렬 저항의 최대 200%를 유지하는 것을 특징으로 하는 내구성을 갖는 전기화학 이중층 커패시터인, 에너지 저장 장치.
청구항 4 내지 6중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는:
하우징, 및 상기 하우징 내에 또는 하우징과 통합된:
양극 및 음극;
전극들 사이에 위치된 분리막;
전극들과 접촉하는 전해질; 및
두 개의 집전장치를 더욱 포함하는, 에너지 저장 장치.
상기 장치는:
하우징, 및 상기 하우징 내에 또는 하우징과 통합된:
양극 및 음극;
전극들 사이에 위치된 분리막;
전극들과 접촉하는 전해질; 및
두 개의 집전장치를 더욱 포함하는, 에너지 저장 장치.
청구항 4 내지 7중 어느 한 항에 있어서,
상기 양극 및 음극은 같거나 또는 다른, 에너지 저장 장치.
상기 양극 및 음극은 같거나 또는 다른, 에너지 저장 장치.
청구항 4 내지 8중 어느 한 항에 있어서,
상기 양극 및 음극은 적어도 하나의 제1 활성탄을 포함하는, 에너지 저장 장치.
상기 양극 및 음극은 적어도 하나의 제1 활성탄을 포함하는, 에너지 저장 장치.
청구항 4 내지 9중 어느 한 항에 있어서,
상기 양극은 적어도 하나의 제1 활성탄을 포함하고, 상기 음극은 제1 활성탄과 다른 제2 활성탄을 포함하는, 에너지 저장 장치.
상기 양극은 적어도 하나의 제1 활성탄을 포함하고, 상기 음극은 제1 활성탄과 다른 제2 활성탄을 포함하는, 에너지 저장 장치.
적합한 탄소 원재료를 탄화시켜 숯을 형성하는 탄화단계, 상기 탄소 원재료는, 밀가루, 호두가루, 옥수수 가루, 옥수수 전분, 쌀가루, 감자가루, 비트, 기장, 콩, 보리 및 목화, 견과의 껍질, 페놀 수지, 폴리(비닐알코올), 폴리아크릴로니트릴, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택됨;
또는:
숯, 코크스, 석탄, 피치, 활성탄, 또는 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적합한 탄소질 재료를 제공하는 단계;
탄화된 원재료 또는 제공된 탄소질 재료를 약 3 내지 10 microns의 d50을 갖는 미립자로 분말화하는 단계;
상기 미립자 및 알칼리 수산화물 (MOH)의 혼합물을 2.5:1 내지 0.5:1의 MOH:숯 또는 탄소 중량비로 가열하여 활성탄을 생산하는 가열 단계를 포함하는, 활성탄의 제조방법.
또는:
숯, 코크스, 석탄, 피치, 활성탄, 또는 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적합한 탄소질 재료를 제공하는 단계;
탄화된 원재료 또는 제공된 탄소질 재료를 약 3 내지 10 microns의 d50을 갖는 미립자로 분말화하는 단계;
상기 미립자 및 알칼리 수산화물 (MOH)의 혼합물을 2.5:1 내지 0.5:1의 MOH:숯 또는 탄소 중량비로 가열하여 활성탄을 생산하는 가열 단계를 포함하는, 활성탄의 제조방법.
청구항 11에 있어서,
상기 MOH:숯 또는 MOH:탄소 중량비는 1.5:1 내지 1:1인, 활성탄의 제조방법.
상기 MOH:숯 또는 MOH:탄소 중량비는 1.5:1 내지 1:1인, 활성탄의 제조방법.
청구항 11 또는 12에 있어서,
상기 MOH는 NaOH, KOH, 또는 이의 혼합물인, 활성탄의 제조방법.
상기 MOH는 NaOH, KOH, 또는 이의 혼합물인, 활성탄의 제조방법.
청구항 11 내지 13중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 단계는, 600 내지 1000℃에서, 0.25 내지 4시간 동안 N2 분위기하에 가열로에서 완성되는, 활성탄의 제조방법.
상기 가열 단계는, 600 내지 1000℃에서, 0.25 내지 4시간 동안 N2 분위기하에 가열로에서 완성되는, 활성탄의 제조방법.
청구항 11 내지 14중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은, 상기 가열된 혼합물이 100℃ 내지 400℃로 냉각된 후에 수증기를 도입하는 단계를 더욱 포함하는, 활성탄의 제조방법.
상기 방법은, 상기 가열된 혼합물이 100℃ 내지 400℃로 냉각된 후에 수증기를 도입하는 단계를 더욱 포함하는, 활성탄의 제조방법.
청구항 11 내지 15중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은, 여과액 pH가 DI 수와 대략 같은 pH일 때까지, DI 수, HCl 용액, 및 DI 수로 순차적으로 활성탄을 세척하는 단계 및 여과하는 단계를 더욱 포함하는, 활성탄의 제조방법.
상기 방법은, 여과액 pH가 DI 수와 대략 같은 pH일 때까지, DI 수, HCl 용액, 및 DI 수로 순차적으로 활성탄을 세척하는 단계 및 여과하는 단계를 더욱 포함하는, 활성탄의 제조방법.
청구항 16에 있어서,
상기 방법은, 500 내지 1000℃에서, 0.25 내지 4시간 동안, 불활성 분위기, 환원 분위기, 또는 이의 조합에서, 세척된 및 여과된 활성탄을 열처리하는 단계를 더욱 포함하는, 활성탄의 제조방법.
상기 방법은, 500 내지 1000℃에서, 0.25 내지 4시간 동안, 불활성 분위기, 환원 분위기, 또는 이의 조합에서, 세척된 및 여과된 활성탄을 열처리하는 단계를 더욱 포함하는, 활성탄의 제조방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201462011264P | 2014-06-12 | 2014-06-12 | |
| US62/011,264 | 2014-06-12 | ||
| PCT/US2015/034820 WO2015191523A1 (en) | 2014-06-12 | 2015-06-09 | Electrode, energy storage device and method for making an activated carbon |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170020852A true KR20170020852A (ko) | 2017-02-24 |
Family
ID=53484162
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020177000915A KR20170020852A (ko) | 2014-06-12 | 2015-06-09 | 전극, 에너지 저장 장치 및 활성탄의 제조방법 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US9613760B2 (ko) |
| KR (1) | KR20170020852A (ko) |
| CN (1) | CN106604889A (ko) |
| TW (1) | TW201602416A (ko) |
| WO (1) | WO2015191523A1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220085479A (ko) * | 2020-12-15 | 2022-06-22 | 한국화학연구원 | 물리적 활성화를 이용한 활성탄의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 활성탄 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9799459B2 (en) * | 2014-08-08 | 2017-10-24 | Corning Incorporated | High pore volume utilization carbon and electric double layer capacitor |
| EP3202462B1 (en) * | 2016-02-08 | 2018-04-18 | RAS Technology Sàrl | Device for inflating an inflatable bag, avalanche safety system and a backpack with such a device and use |
| CN109161915B (zh) * | 2018-09-30 | 2020-07-14 | 东北大学 | 基于熔盐利用煤制备超级电容器用活性炭粉的方法 |
| CN110627061A (zh) * | 2019-10-24 | 2019-12-31 | 宁夏恒辉活性炭有限公司 | 一种新型柱状活性炭及其生产方法 |
| CN112062128B (zh) * | 2020-09-10 | 2023-01-24 | 中国矿业大学 | 一种基于农作物秸秆的氮掺杂多孔碳材料的制备方法及其应用 |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002246276A (ja) | 2000-12-12 | 2002-08-30 | Mitsubishi Paper Mills Ltd | 電気二重層キャパシタ |
| JP2003104710A (ja) | 2001-09-27 | 2003-04-09 | Kyocera Corp | 固形状活性炭及びその製造方法並びにそれを用いた電気二重層コンデンサおよびその製造方法 |
| FR2867600B1 (fr) | 2004-03-09 | 2006-06-23 | Arkema | Procede de fabrication d'electrode, electrode ainsi obtenue et supercondensateur la comprenant |
| FR2886045B1 (fr) * | 2005-05-23 | 2007-07-13 | Ceca Sa Sa | Electrode pour systemes de stockage d'energie, son procede de fabrication et systeme de stockage d'energie la comprenant |
| FR2901156B1 (fr) | 2006-05-16 | 2009-01-23 | Arkema Sa | Composite catalytique a base de charbon actif catalytique et nanotubes de carbone, procede de fabrication, electrode et supercondensateur comprenant le composite catalytique |
| MX2009004951A (es) * | 2006-11-08 | 2009-07-27 | Univ Missouri | Carbon de alta area superficial y proceso para su produccion. |
| US8541338B2 (en) * | 2008-11-04 | 2013-09-24 | Corning Incorporated | Highly porous activated carbon with controlled oxygen content |
| JP5235715B2 (ja) * | 2009-02-25 | 2013-07-10 | 富士重工業株式会社 | 蓄電デバイスおよびその製造方法 |
| US8524632B2 (en) * | 2010-01-22 | 2013-09-03 | Corning Incorporated | High-capacitance and low-oxygen porous carbon for EDLCs |
| DE102010029034A1 (de) | 2010-05-17 | 2011-11-17 | Sgl Carbon Se | Poröser Kohlenstoff mit hoher volumetrischer Kapazität für Doppelschichtkondensatoren |
| US8198210B2 (en) * | 2010-05-27 | 2012-06-12 | Corning Incorporated | Halogenated activated carbon materials for high energy density ultracapacitors |
| US20120270102A1 (en) * | 2010-10-12 | 2012-10-25 | Aquion Energy, Inc. | Activated Carbon with Surface Modified Chemistry |
| US8564934B2 (en) | 2011-04-07 | 2013-10-22 | Corning Incorporated | Ultracapacitor with improved aging performance |
| US8809231B2 (en) * | 2011-09-28 | 2014-08-19 | Corning Incorporated | Method for making alkali activated carbon |
| US10043615B2 (en) | 2012-10-08 | 2018-08-07 | Maxwell Technologies, Inc. | Electrode porosity for three-volt ultracapacitor |
| CN102963891B (zh) | 2012-11-14 | 2014-10-08 | 湖北华强科技有限责任公司 | 一种低灰分超高比表面积活性炭及其制备方法 |
-
2015
- 2015-05-13 US US14/711,174 patent/US9613760B2/en active Active
- 2015-06-09 WO PCT/US2015/034820 patent/WO2015191523A1/en active Application Filing
- 2015-06-09 CN CN201580043195.0A patent/CN106604889A/zh active Pending
- 2015-06-09 KR KR1020177000915A patent/KR20170020852A/ko unknown
- 2015-06-12 TW TW104119135A patent/TW201602416A/zh unknown
-
2017
- 2017-02-15 US US15/433,596 patent/US20170162340A1/en not_active Abandoned
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220085479A (ko) * | 2020-12-15 | 2022-06-22 | 한국화학연구원 | 물리적 활성화를 이용한 활성탄의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 활성탄 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US9613760B2 (en) | 2017-04-04 |
| CN106604889A (zh) | 2017-04-26 |
| WO2015191523A1 (en) | 2015-12-17 |
| US20150364266A1 (en) | 2015-12-17 |
| US20170162340A1 (en) | 2017-06-08 |
| TW201602416A (zh) | 2016-01-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20170020852A (ko) | 전극, 에너지 저장 장치 및 활성탄의 제조방법 | |
| JP5473282B2 (ja) | 電気二重層キャパシタ用炭素材およびその製造方法 | |
| JP5344972B2 (ja) | 電気二重層キャパシタ電極用炭素材およびその製造方法 | |
| JP6380993B2 (ja) | 電気二重層キャパシタ電極用活性炭およびその製造方法 | |
| WO2011081086A1 (ja) | 電気二重層キャパシタ電極用活性炭およびその製造方法 | |
| WO2013043453A1 (en) | High voltage electro-chemical double layer capacitor | |
| US9607775B2 (en) | High-voltage and high-capacitance activated carbon and carbon-based electrodes | |
| WO2015031432A1 (en) | Edlc electrode and manufacturing process thereof | |
| JP4092344B2 (ja) | 電気二重層キャパシタ電極用炭素材の原料油組成物 | |
| WO2009005170A1 (ja) | 電気二重層キャパシタ電極用活性炭の製造方法 | |
| JP5242090B2 (ja) | 電気二重層キャパシタ電極用活性炭の製造方法 | |
| TW201624510A (zh) | 用於高溫高電壓操作之電雙層電容器 | |
| WO2015123076A1 (en) | Method for forming activated carbon | |
| US20180330894A1 (en) | Activated carbon and electric double layer capacitor thereof | |
| JP5242216B2 (ja) | 電気二重層キャパシタ電極用炭素材およびその製造方法 | |
| Obreja | Supercapacitors based on carbon nanomaterials | |
| WO2016168146A1 (en) | Carbon pyrolyzate material, and edlc carbon electrode comprising same | |
| JP2008205173A (ja) | 電気二重層キャパシタ用電極材及びそれを用いた電気二重層キャパシタ | |
| TW201618142A (zh) | 高孔體積利用率碳以及電雙層電容器 | |
| Deraman et al. | Effects of Activation Time on the Performance of Supercapacitor Binderless Activated Carbon Electrodes Derived from Fibers of Oil Palm Empty Fruit Bunches |