KR20180108707A - 석유 또는 석탄으로부터 유래된 코크스를 위한 촉매 활성 첨가제 - Google Patents

석유 또는 석탄으로부터 유래된 코크스를 위한 촉매 활성 첨가제 Download PDF

Info

Publication number
KR20180108707A
KR20180108707A KR1020187024404A KR20187024404A KR20180108707A KR 20180108707 A KR20180108707 A KR 20180108707A KR 1020187024404 A KR1020187024404 A KR 1020187024404A KR 20187024404 A KR20187024404 A KR 20187024404A KR 20180108707 A KR20180108707 A KR 20180108707A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphitization
catalyst
doped
coke
powder
Prior art date
Application number
KR1020187024404A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102176380B1 (ko
Inventor
헤리베르트 발터
빌헬름 프로스
요한 다이머
마르틴 크리스트
오스빈 외팅거
베른트 케테러
이파노 갈비아티
Original Assignee
에스지엘 카본 에스이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스지엘 카본 에스이 filed Critical 에스지엘 카본 에스이
Publication of KR20180108707A publication Critical patent/KR20180108707A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102176380B1 publication Critical patent/KR102176380B1/ko

Links

Classifications

    • 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
    • C01B32/20—Graphite
    • C01B32/205—Preparation
    • 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
    • C01B32/20—Graphite
    • C01B32/21—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B55/00—Coking mineral oils, bitumen, tar, and the like or mixtures thereof with solid carbonaceous material
    • C10B55/02—Coking mineral oils, bitumen, tar, and the like or mixtures thereof with solid carbonaceous material with solid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/50—Solid solutions
    • C01P2002/52—Solid solutions containing elements as dopants
    • C01P2002/54—Solid solutions containing elements as dopants one element only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/77—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by unit-cell parameters, atom positions or structure diagrams
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/61—Micrometer sized, i.e. from 1-100 micrometer
    • 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
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Coke Industry (AREA)

Abstract

본 발명은 흑연 물질의 제조 방법 및 리튬 이온 배터리를 위한 그의 용도에 관한 것이다.

Description

석유 또는 석탄으로부터 유래된 코크스를 위한 촉매 활성 첨가제
본 발명은 흑연 물질의 제조 방법뿐만 아니라 리튬 이온 배터리에서의 그의 용도에 관한 것이다.
흑연 물질을 제조하기 위해서는, 예컨대 딜레이드 코커(delayed coker)의 도움으로 제조된 석유-기반 또는 석탄-기반 코크스가 사용될 수 있다. 이 경우, 석유 잔류물; 콜타르 피치; 또는 석탄 가스화, 석탄 수소화 또는 심지어 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성으로부터의 잔류물이 코크스로 가공된다. 딜레이드 코커는 고분자 점성 잔류물이 코킹되는 (딜레이드 코킹 공정) 원유 정제의 변환 공정에 관한 것이다. 원유 가공에서 발생하는 고중유; 중질잔사유(슬러리유, 디캔팅유, 열적 타르, 또는 에틸렌 타르); 콜타르 피치; 석탄 가스화, 석탄 수소첨가 공정의 잔류물; 및/또는 피셔-트롭쉬 합성의 잔류물(왁스 오일);은 실온에서 액체 또는 페이스트이거나 매우 낮은 연화점을 가지므로, 첨가제의 첨가를 사용한 구현은 통상의 기술자에게 장애가 되지 않는다.
딜레이드 코커는 실질적으로 두 개의 유닛, 하나의 연속 흐름 노(coker furnace) 및 교대로 동작하는 두 개의 코커 드럼으로 구성된다. 잔류물은 연속 흐름 노에서 약 450 내지 550℃로 가열된다.
이렇게 수득된 코크스는 하소될 수 있고, 2,200℃ 이상에서의 추가 열처리를 통해 합성 흑연으로 변환될 수 있다.
전통적인 공정 기술 중 하나는 애치슨(Acheson) 흑연화 공정이다(US 702,758). 노는 불연성 물질로 만들어진 수평 베드와; 노로 공급원료를 전달하는 노 헤드와; 콘크리트 블록, 철판, 또는 철망으로 제작된 긴 측벽들;로 이루어진다. 바닥부는 공기로 냉각되고, 과립형 탄화규소, 야금 코크스, 모래, 또는 톱밥과 같은 절연 물질들로 이루어진 층으로 덮인다. 동일한 물질들이 노의 측벽 및 표면을 절연하기 위해 사용된다. 특히, 낮은 회분 함량을 가지는 흑연 생성물이 요구될 때, 그을음이 절연 물질로서 사용된다. 흑연화될 물질은 노 헤드들 사이에 일반적으로 수평으로, 그리고 전류의 흐름에 대해 횡방향으로 적층된다. 애치슨 노는 모든 가능한 형상의 흑연화에 상당히 적합한 고정 구조물이다. 높은 비율의 불활성 물질, 1회분의 흑연화를 위해 대략 2 내지 6주의 생성 기간을 초래할 수 있는 긴 가열 및 냉각 기간, 이에 따른 높은 에너지 요구량, 및 생성물의 비균질성은 만족스럽지 못하다.
흑연화될 물질을 직접 통하여 흐르는 전류를 사용하여 수평 자세에서 흑연화하기 위한 또 다른 시스템은 캐스트너 노(Castner furnace)이며, 캐스트너 노는, 에너지의 직접 도입이 일반적으로 더 적은 에너지를 소모하고, 단 수일에 불과한 현저히 더 짧은 공정 진행 기간을 가능케 하므로, 산업 설비에서 오늘날 상당히 보편화되어 있다(DE10244351A).
또 다른 공정 기술은 유동층 흑연화(EP0274165B1)로서, 예컨대 원재료로서 추가로 사용될 코크스를 제련하기 위해 사용된다. 데술코®(Desulco®)에 의해 정의된 이 방법에서는 유동층에 의해 과립화가 지지된다. 주입 방향은 중력에 의해 상부로부터 하부로 수행되며, 이때 질소 스트림은 주입 방향의 반대 방향으로 안내된다. 유동층은 반응기의 병목부에 구성된다. 구성 유형에 따라, 코크스의 체류 시간은 수 초에 불과할 수 있다.
높은 국소 온도는 개별 입자, 그레인(grain), 또는 과립 사이의 마이크로-아크 방전의 결과로서 발생한다. 이 온도는 측정될 수 없다. 휘발성 후연소에서 미세 물질 및 가연성 가스의 높은 배출이 분해 산물의 배출을 방지한다. 이 방법의 현저한 단점은 전술한 매우 짧은 반응 시간과, 예컨대 리튬 이온 배터리용 애노드 물질의 제조에 거의 부적합한 상대적으로 낮은 흑연화도이다.
피셔-트롭쉬 합성은 석탄 액화에 사용되는 산업 공정이다. 이는 일산화탄소/수소 혼합물인 합성 가스를 넓은 스펙트럼의 액체 및 기체상 탄화수소로 불균일 촉매 변환하는 방식으로 수행된다. 또다른 산업 공정으로, 발열 반응에서 석탄 및 수소의 수소첨가 반응을 통해 탄화수소가 생성되는 베르기우스 법(Bergius process)이 있다.
리튬과 더불어, 이 흑연 물질은 리튬 이온 배터리용 애노드 물질의 리튬 층간삽입 물질로서 사용될 수 있다. 그 결과, 양호한 사이클링(cycling) 효율을 갖는 신뢰할만한 전지가 제조될 수 있다. 사이클링 효율은 충전 및 방전 사이클의 횟수에 걸친 쿨롱 효율을 나타낸다. 쿨롱 효율은 방전 동안 리튬 이온 배터리를 빠져나간 전하량과 충전 과정 동안 유입된 전하량 사이의 비이다.
특허 출원 US2014/0349173A1호에서는, 예컨대 철, 니켈, 티타늄, 규소, 및 붕소뿐만 아니라 이들의 탄화물 및 산화물과 같은 촉매가 애치슨 흑연화(4쪽, 단락 [0062])를 위해 사용된다. 이러한 촉매에 의해 더 나은 흑연화도가 달성된다.
그러나, 이 방법의 단점은 상당한 양(3 내지 30wt% 사이)의 촉매뿐만 아니라 촉매의 비균질 분포도 포함한다. 바로 코크스 입자 크기가 더 큰 경우에는, 결합제 상(phase)에서 혼합된 촉매가 코크스 입자의 표면 위에 존재함에 따라, 균일하게 분포되지 않는다.
본 발명의 목적은 개별 코크스 알갱이들에서의 촉매의 균일한 분포를 제공하는 것이다.
상기 목적은 하기 단계들을 포함하는 흑연 물질 제조 방법에 의해 달성된다:
a) 원소 철, 니켈, 티타늄, 규소, 및 붕소를 포함하는 군으로부터의 산화물 및 탄화물의 적어도 하나의 화합물로부터 선택되는, 촉매 흑연화에 효과적인 적어도 하나의 촉매를 석유 잔류물; 콜타르 피치; 및/또는 딜레이드 코커에서의 석탄 가스화, 피셔-트롭쉬 합성, 또는 석탄 수소첨가의 잔류물;에 첨가하는 단계;
b) 딜레이드 코커 내에서, 도핑된 미소결 코크스(green coke)를 제조하는 단계;
c) 단계 b)에서 수득된 도핑된 미소결 코크스의 1,100 내지 1,400℃에서 하소하여, 도핑되고 하소된 코크스를 형성하는 단계;
d) 도핑되고 하소된 코크스의 기계적 분쇄 단계;
e) 단계 d)로부터의 도핑되고 하소된 코크스와 더불어 결합제 첨가물로부터 미소결체(green body)를 성형한 다음, 상기 미소결체를 600 내지 1,400℃에서 탄화하는 단계;
f) 애치슨 또는 캐스트너 흑연화 공정을 사용한 또는 단계 d)로부터의 분말의 연속적인 또는 배치 분말 흑연화에 의한 2,600℃ 초과, 바람직하게는 2,800℃ 초과, 및 특히 바람직하게는 3,000℃ 초과의 온도에서 단계 d)로부터의 탄화된 미소결체의 흑연화 단계;
g) 단계 e)로부터의 체(body)를 그라인딩하는 단계.
본 발명의 범주에서, 용어 "미소결 코크스"는 딜레이드 코커에서 제조되고 방출된 코크스를 의미한다. 용어 "도핑된"은 코크스가 균일하게 분포된 촉매를 함유함을 의미한다. 하소(calcination)는, 도핑된 미소결 코크스에서 잔류 휘발성 탄화수소를 유리시키기 위해 상기 도핑된 미소결 코크스를 1,100 내지 1,400℃에서 열처리하는 공정이다. 이 공정을 통해, 촉매 함량은 적어도 50% 감소될 수 있고, 이때 "촉매 함량"은 본 발명의 범주에서 출발 물질을 기준으로 촉매의 비율을 의미한다.
본 발명에 따른 방법에 의해 촉매의 균일한 분포가 달성되는데, 이는 촉매가 딜레이드 코커의 액체 출발 물질/추출물에 첨가되기 때문이다. 게다가, 촉매의 정량은 추출물을 기준으로 최대 15wt%로 감소될 수 있고, 그 결과로 촉매의 작용이 더 개선된다. 코크스 내 촉매의 균일한 분포로 인해, 흑연 생성물의 제조 시 촉매로 도핑된 미소결 코크스의 사용은 불균일한 분포의 경우보다 더 적은 양의, 바람직하게는 2 내지 10wt%의 결합제를 필요로 한다. 소량의 결합제로 인해 휘발성 구성 성분도 더 적게 제거되면 되므로, 더 높은 순도를 가진 생성물이 더 용이하게 수득된다. 결합제 및 촉매의 휘발성 구성 성분의 배출은 흑연화의 고온 처리 공정 단계에서 수행된다.
또한, 상기 방법을 통해 이른바 굵은 제형(coarse formulations)이 사용될 수 있다. "굵은 제형"은 100μm 내지 20mm의 d50 값을 가진 거친 구성 성분들로 이루어진 코크스의 조성을 의미한다. 이는, 굵은 제형이 현저히 더 작은 결합제 비율을 요구하기 때문에, 굵은 제형으로 제조된 미소결체가 더 빠르고 간단하게 탄화 및 흑연화될 수 있다는 장점이 있다. 게다가, 본 발명에 따른 도핑된 코크스를 사용하는 연속 분말 흑연화 방법은 흑연화도가 높은 흑연을 제공할 수 있다. 흑연화도는 층간 간격을 나타내는 특성값이다. 이상적인 흑연의 경우, 층간 간격(d002)은 0.3354nm이며, 흑연화도 1에 상응한다. 정의에 따르면, 흑연화도 0은 [마이어(Maire) 및 메링(Mehring)에 따라) 0.344nm의 층간 간격에 상응한다 .
문헌[예컨대 문헌[C.L. Fan 외 공저, Electrochimica Acta 75(2012), 311-315 참조]으로부터, 리튬 이온 베터리에서의 흑연의 방전 용량은 흑연화도에 따라 거의 선형으로 증가하는 것으로 공지되어 있다. 여기서, 이상적인 흑연의 최대 이론 방전 용량은 372mAh/g이다.
바람직하게는, 단계 a)에서의 촉매는 SiC, SiO2, Fe2O3, 또는 TiO2를 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물이다.
바람직하게는, 단계 c)로부터의 도핑되고 하소된 코크스는 최대 15wt%의 촉매, 바람직하게는 1 내지 10wt%의 촉매, 및 특히 바람직하게는 1 내지 5wt%의 촉매를 포함한다. 15wt%의 촉매보다 많은 경우에는 추가적인 긍정적 효과는 발생하지 않았으며, 1wt%보다 적은 경우에는 사용된 촉매의 양이 촉매 흑연화를 하기에 충분하지 않다.
바람직하게는, 단계 e)의 미소결체의 제조 동안, 도핑되고 하소된 코크스는 100μm보다 큰, 바람직하게는 1 내지 20mm의 최대 입자 크기를 가진다. 100μm 미만 20mm 초과의 입자 크기에서는 미소결체의 제조 시 처리가 더 어려워진다. 도핑되고 하소된 코크스의 입자 크기는 체분석(sieve analysis)(DIN I66165-2016; 방법 F)을 이용하여 결정된다.
바람직하게는, 단계 f)의 흑연화는 성형체 흑연화의 경우 캐스트너 방법이고, 분말 흑연화의 경우 연속 분말 흑연화이다.
더욱 바람직한 실시양태에서, 단계 d)로부터의 분말은 성형에 앞서 50wt% 미만, 바람직하게는 10 내지 30wt%의 천연 흑연과 추가적으로 혼합된다. 천연 흑연을 사용하는 이점은 미소결체의 밀도가 증가하는 데 있다. 50wt%보다 많은 사용은 미소결체의 제조를 복잡하게 만들며, 10wt% 미만에서는 천연 흑연의 긍정적인 효과가 나타나지 않는다.
바람직하게는, 단계 e)에서 미소결체의 성형을 위해 사용되는 결합제는 콜타르 피치, 역청, 페놀 수지, 푸란 수지, 또는 이들의 임의의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된다.
더욱 바람직한 실시양태에서, 단계 e)에서 사용된 결합제에 추가적으로 촉매가 혼합된다. 이는, 촉매가 코크스 입자뿐만 아니라 결합제 내에도 존재함으로써, 전체 혼합물에 걸쳐 촉매가 균일하게 분포하게 되는 이점을 가진다.
바람직하게, 상기 추가 촉매는 원소 철, 니켈, 티타늄, 규소, 및 붕소를 포함하는 군으로부터의 산화물 및 탄화물의 적어도 하나의 화합물로부터 선택되며, 결합제 비율을 기준으로 최대 15wt%를 갖는다. 결합제 비율을 기준으로 촉매 비율이 15wt%보다 큰 경우, 추가의 개선이 나타나지 않는다.
하기 혼합물들이 도핑과 관련하여 선호된다:
a) 도핑되고 하소된 코크스와 결합제
b) 도핑되고 하소된 코크스와, 추가 촉매를 함유한 결합제
c) 도핑되고 하소된 코크스, 천연 흑연, 및 결합제
d) 도핑되고 하소된 코크스, 천연 흑연, 및 추가 촉매를 함유한 결합제.
바람직하게는, 흑연화가 2,600℃ 초과, 바람직하게는 2,800℃ 초과, 및 특히 바람직하게는 3,000℃ 초과의 온도에서 수행된다. 이로써, 촉매가 배출되고 합성 흑연에 대해 0.90 내지 1.0의 높은 흑연화도가 달성되는 점이 보장된다. 흑연화도는 본 발명의 범주에서 마이어 및 메링에 따라 결정된다[J. Maire, J. Mering 저, Chemistry and Physics of Carbon, vol. 6, Marcel Dekker, 1970, pp. 125ff.].
바람직하게는, 흑연화 이후 흑연 물질은 345 내지 365mAh/g, 바람직하게는 355 내지 365mAh/g의 방전 용량을 갖는다. 본 발명의 범주에서, 탄소-기반 애노드 물질의 방전 용량(QE)을 측정하기 위하여 시험 전지들이 2016 버튼 전지 포맷으로 조립되어 정전류식 배터리 사이클러(galvanostatic battery cycler)에 연결된다. 이 경우, 전지는 0.1C("1C"는 전지를 1시간 내에 완충하는 데 필요한 전류에 상응함)의 전류 비(C-rate)에서 정전류(CC = constant current)로 0V의 컷오프 전압까지 충전되며, 이때 정전위(CV = constant voltage) 하에서 C/50에서 컷오프 전류에 도달해야 한다. 이어서, 전지는 1.5V의 전압 및 0.1C의 전류 비에 도달하기까지, 정전류에서 다시 방전된다. 이 경우, 방전 용량(QE)은 결정된 전하량(mAh)을 비 애노드 질량으로 나누어 계산된다.
본 발명에 따른 흑연 물질은 리튬 이온 배터리의 애노드로서 사용된다.
하기의 실시예들은 본 발명을 더욱 명확히 하는 역할을 하며, 이 실시예들이 본 발명을 한정하는 거은 아니다.
실시예 1
60℃의 연화점을 갖는 콜타르 피치를 150℃까지 가열하면 액체 상태로 변한다. 이 용융물에 50μm의 d50 값을 가지는 SiC 분말을 첨가한다. 촉매와 혼합한 이 분산물을 위로부터 연속적으로 딜레이드 코커 내로 첨가한다.
공정 기술상, 촉매가 혼합된 분산물의 기저 물질(여기서는 콜타르 피치)이 딜레이드 코커로의 공급물의 부분 흐름이 되는 것이 가장 간단하다.
딜레이드 코커 공정에 이어, 물질을 분쇄하고 1,300℃에서 하소하였다.
SiC로 도핑하고 하소한 코크스를 회분 분석하였고, 대략 5wt%의 SiC 함량이 측정되었다.
3mm의 최대 입도를 가진 도핑되고 하소된 코크스를 90℃의 연화점을 가진 20wt%의 콜타르 피치(결합제)와 혼합하였고, 압출을 이용하여(직경: 90mm) 성형하였다.
후속하여, 막대형 물질을 2,800℃의 캐스트너 노에서 탄화하고 흑연화하였다. 이어서, 이 흑연 물질을 20μm의 d50 입자 크기를 가지는 애노드 물질 분말로 추가 가공하였다. d50 값은 평균 입자 크기를 나타내며, 입자의 50%가 제시된 값보다 작은 경우이다. 이 범위 내에 속하는 직경은 레이저 광 회절을 이용하여 측정된다(ISO 13320-2009). 상기 분말을 회분 분석하였고, Si 함량은 100ppm 미만으로 측정되었다.
분말의 X-선 분석을 통해 0.3359nm의 d002 값과, 170nm의 Lc 값을 갖는 겉보기 결정 크기가 도출되었다. 흑연화도는 놀랍게도 0.94로 높았다.
이어서, 애노드 분말을, 반-전지 구성을 사용한, 즉, 상대 전극으로서 금속성 리튬을 사용한 배터리 전지 시험에서 시험하였다. 포메이션 사이클(formation cycle)에 따라, C/10의 사이클링 비에서 방전 용량은 360mAh/g로 산출되었다. 이는 372mAh/g의 이론적 용량에 근접하는 매우 양호한 결과를 나타낸다.
실시예 2
60℃의 연화점을 갖는 콜타르 피치를 150℃까지 가열하면 액체 상태로 변한다. 이 용융물에 50μm의 d50 값을 가지는 SiC 분말을 첨가한다. 촉매와 혼합하고, 이 분산물을 위로부터 딜레이드 코커 내로 연속적으로 첨가한다.
공정 기술상, 촉매가 혼합된 분산물의 기저 물질(여기서는 콜타르 피치)이 딜레이드 코커로의 공급물의 부분 흐름이 되는 것이 가장 간단하다.
딜레이드 코커 공정에 이어, 물질을 분쇄하여 1,300℃에서 하소하였다.
SiC로 도핑하고 하소한 코크스를 회분 분석하였고, 대략 5wt%의 SiC 함량이 측정되었다.
3mm의 최대 입도를 가진 도핑되고 하소된 코크스를 90℃의 연화점을 가진 20wt%의 콜타르 피치(결합제)와 혼합하였고, 이때 결합제에 5wt%의 촉매(SiC)를 첨가하였으며, 압출을 이용하여(직경: 90mm) 성형하였다.
이 막대형 물질을 후속하여 2,800℃의 캐스트너 노에서 탄화하고 흑연화하였다. 이어서, 이 흑연 물질을 20μm의 d50 입자 크기를 가지는 애노드 물질 분말로 추가 가공하였다. d50 값은 평균 입자 크기를 나타내며, 입자의 50%가 제시된 값보다 작은 경우이다. 이 범위 내에 속하는 직경은 레이저 광 회절을 이용하여 측정된다(ISO 13320-2009). 상기 분말을 회분 분석하였고, Si 함량은 100ppm 미만으로 측정되었다.
분말의 X-선 분석을 통해 0.3357nm의 d002 값과, 200nm의 Lc 값을 갖는 겉보기 결정 크기가 도출되었다. 흑연화도는 놀랍게도 0.95로 높았다.
이어서, 애노드 분말을, 반-전지 구성을 사용한, 즉, 상대 전극으로서 금속성 리튬을 사용한 배터리 전지 시험에서 시험하였다. 포메이션 사이클에 따라, C/10의 사이클링 비에서 방전 용량은 362mAh/g로 산출되었다. 이는 372mAh/g의 이론적 용량에 근접하는 매우 양호한 결과를 나타낸다.
비교 실시예 A (선행 문헌)
이 실시예에서, 흑연은 실시예 1과 유사한 방법으로 제조되었다. 코크스의 제조 시 촉매(SiC)가 첨가되지 않았다는 점에서만 차이가 있다.
분말의 X-선 분석을 통해 0.3365nm의 d002 값 및 100nm의 Lc 값이 도출되었다. 이에 따라 흑연화의 정도는 0.87로 측정되었다. 리튬 이온 전지 시험에서는 실시예 1과 유사하게 평균 방전 용량이 337mAh/g이었다.
비교 실시예 B (선행 문헌)
이 비교 실시예에서는 비교 실시예 A와 유사하게 코크스 제조 시 어떠한 촉매도 첨가하지 않았다. 그러나 미소결 제형에서, 단지 결합제 피치에만 SiC 분말을 첨가하였다. 이때, 하기의 표 1에 요약되어 있는 비율로 3가지 종류의 혼합물을 시험하였다.
표 1
Figure pct00001
상기 모든 제형을 실시예 1과 유사한 방법으로 처리하고 분석하였다. 표 1에 기입된 방전 용량은 전지 시험에서 측정되었다.
실시예 1 및 비교 실시예 B의 결과를 비교하면, 비교 실시예 B에서 촉매 함량이 매우 높은 경우에만 양호한 방전 용량이 획득되었다.
코크스와 결합제 피치 모두에 흑연화 촉매를 첨가함으로써(실시예 2 참조), 전체 물질에 걸쳐 촉매의 균일한 분포가 달성되었고, 그 결과로서 방전 용량이 더욱 증가하였다.
따라서, 도핑된 코크스를 사용한 흑연 제조는 성능 및 비용 모두의 측면에서, 더욱 효과적인 흑연화 촉매 물질의 도입과, 탄화 및 흑연화 시 더 높은 공정 속도에 의해 달성되는 놀라운 이점을 갖는다.

Claims (11)

  1. a) 원소 철, 니켈, 티타늄, 규소, 및 붕소를 포함하는 군으로부터의 산화물 및 탄화물의 적어도 하나의 화합물로부터 선택되는, 촉매 흑연화에 효과적인 적어도 하나의 촉매를 석유 잔류물; 콜타르 피치; 및/또는 딜레이드 코커(Delayed coker)에서의 석탄 가스화, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성, 또는 석탄 수소첨가의 잔류물;에 첨가하는 단계,
    b) 딜레이드 코커 내에서 도핑된 미소결 코크스(green coke)를 제조하는 단계,
    c) 단계 b)에서 수득된 도핑된 미소결 코크스를 1,100 내지 1,400℃에서 하소하여, 도핑되고 하소된 코크스를 형성하는 단계,
    d) 도핑되고 하소된 코크스의 기계적 분쇄 단계,
    e) 단계 d)로부터의 도핑되고 하소된 코크스와 더불어 결합제 첨가물로부터 미소결체(green body)를 성형한 다음, 상기 미소결체를 탄화하는 단계,
    f) 애치슨(Acheson) 또는 캐스트너(Castner) 흑연화 공정에서, 또는 단계 d)로부터의 분말의 연속 분말 흑연화 또는 배치 분말 흑연화를 통해, 2,600℃ 초과, 바람직하게는 2,800℃ 초과, 및 특히 바람직하게는 3,000℃ 초과의 온도에서 단계 d)로부터의 탄화된 미소결체를 흑연화하는 단계,
    g) 단계 e)로부터의 체(body)를 그라인딩하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 흑연 물질의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 a)에서의 촉매로서, SiC, SiO2, Fe2O3 또는 TiO2를 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물이 선택되는 것을 특징으로 하는, 흑연 물질의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 b)로부터 하소되고 도핑된 코크스는 최대 15wt%의 촉매를 함유하는 것을 특징으로 하는, 흑연 물질의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 단계 e)에서의 미소결체의 제조 동안, 도핑되고 하소된 코크스는 100μm보다 큰 최대 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는, 흑연 물질의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 단계 f)의 흑연화는 성형체 흑연화의 경우 캐스트너 방법이고, 분말 흑연화의 경우 연속 분말 흑연화인 것을 특징으로 하는, 흑연 물질의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 단계 d)로부터의 분말은 성형에 앞서 50wt% 미만의 천연 흑연과 추가적으로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 흑연 물질의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 단계 e)에서의 성형체를 제조하기 위해 사용되는 결합제는 콜타르 피치, 역청, 페놀 수지, 푸란 수지, 또는 이들의 임의의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 흑연 물질의 제조 방법.
  8. 제1항 또는 제11항에 있어서, 단계 d)에서 사용된 결합제에 추가적으로 촉매가 혼합되는 것을 특징으로 하는, 흑연 물질의 제조 방법.
  9. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 추가 촉매는 원소 철, 니켈, 티타늄, 규소, 및 붕소를 포함하는 군으로부터의 산화물 및 탄화물의 적어도 하나의 화합물로부터 선택되며, 결합제 비율을 기준으로 최대 15wt%인 것을 특징으로 하는, 흑연 물질의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 흑연 물질은 흑연화 이후 345 내지 365mAh/g의 비 방전 용량을 갖는 것을 특징으로 하는, 흑연 물질의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따라 제조된 흑연 물질의, 리튬 이온 배터리의 애노드 물질로서의 용도.
KR1020187024404A 2016-01-29 2017-01-27 석유 또는 석탄으로부터 유래된 코크스를 위한 촉매 활성 첨가제 KR102176380B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016201430 2016-01-29
DE102016201430.7 2016-01-29
PCT/EP2017/051818 WO2017129774A1 (de) 2016-01-29 2017-01-27 Katalytisch wirksame additive für petrolstaemmige oder kohlestaemmige kokse

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180108707A true KR20180108707A (ko) 2018-10-04
KR102176380B1 KR102176380B1 (ko) 2020-11-10

Family

ID=58016670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187024404A KR102176380B1 (ko) 2016-01-29 2017-01-27 석유 또는 석탄으로부터 유래된 코크스를 위한 촉매 활성 첨가제

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10899623B2 (ko)
EP (1) EP3408225B1 (ko)
JP (1) JP6895982B2 (ko)
KR (1) KR102176380B1 (ko)
CN (1) CN108698832A (ko)
ES (1) ES2978980T3 (ko)
WO (1) WO2017129774A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102305756B1 (ko) * 2021-04-05 2021-09-27 한국화학연구원 페트콕 기반 리튬이차전지용 인조흑연 음극재의 제조방법, 이로부터 제조된 리튬이차전지용 인조흑연 음극재 및 리튬이차전지
US20220259050A1 (en) * 2019-11-04 2022-08-18 Korea Metal Silicon Co., Ltd. Method for preparing silicon composite

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112456482B (zh) * 2020-11-26 2022-09-06 同济大学 一种锂离子电池负极材料包覆改性方法
WO2022168170A1 (ja) * 2021-02-02 2022-08-11 昭和電工マテリアルズ株式会社 リチウムイオン二次電池用負極材、リチウムイオン二次電池用負極材組成物、リチウムイオン二次電池用負極、及びリチウムイオン二次電池

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6379759A (ja) * 1986-09-22 1988-04-09 東洋炭素株式会社 高純度黒鉛材の製造方法
KR20120064685A (ko) * 2009-08-21 2012-06-19 그라프텍 인터내셔널 홀딩스 인코포레이티드 석탄의 촉매 추출 방법
US20140349173A1 (en) * 1996-08-08 2014-11-27 Hitachi Chemical Company, Ltd. Graphite Particles And Lithium Secondary Battery Using The Same As Negative
JP2015164127A (ja) * 2014-01-31 2015-09-10 三菱化学株式会社 非水系二次電池負極用炭素材、非水系二次電池用負極及び非水系二次電池

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US702758A (en) 1900-12-13 1902-06-17 Internat Acheson Graphite Company Method of graphitizing electrodes.
US4334980A (en) 1979-02-02 1982-06-15 Great Lakes Carbon Corporation Non-puffing petroleum coke
EP0274165B1 (en) 1987-01-05 1992-03-18 Superior Graphite Co. Thermal purification of natural mineral carbons
JP3285520B2 (ja) * 1996-08-08 2002-05-27 日立化成工業株式会社 黒鉛粒子、黒鉛粒子の製造法、黒鉛粒子を用いた黒鉛ペースト、リチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池
KR100358801B1 (ko) * 2000-05-17 2002-10-25 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 음극 활물질
DE10244351B4 (de) 2002-09-24 2005-09-22 Sgl Carbon Ag Ofenanlage nach Castner, deren Verwendung und Verfahren zum Graphitieren von Kohlenstoffkörpern
JP5415684B2 (ja) * 2007-10-02 2014-02-12 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 リチウムイオン二次電池負極用人造黒鉛及びその製造方法
JP2011082054A (ja) * 2009-10-08 2011-04-21 Osaka Gas Chem Kk 負極炭素材用コークス、負極炭素材及びリチウムイオン電池
JP5571270B1 (ja) 2012-10-12 2014-08-13 昭和電工株式会社 炭素材料、電池電極用炭素材料、及び電池
CN103887502B (zh) * 2012-12-21 2017-11-03 上海杉杉科技有限公司 一种人造石墨锂离子电池负极材料及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6379759A (ja) * 1986-09-22 1988-04-09 東洋炭素株式会社 高純度黒鉛材の製造方法
US20140349173A1 (en) * 1996-08-08 2014-11-27 Hitachi Chemical Company, Ltd. Graphite Particles And Lithium Secondary Battery Using The Same As Negative
KR20120064685A (ko) * 2009-08-21 2012-06-19 그라프텍 인터내셔널 홀딩스 인코포레이티드 석탄의 촉매 추출 방법
JP2015164127A (ja) * 2014-01-31 2015-09-10 三菱化学株式会社 非水系二次電池負極用炭素材、非水系二次電池用負極及び非水系二次電池

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220259050A1 (en) * 2019-11-04 2022-08-18 Korea Metal Silicon Co., Ltd. Method for preparing silicon composite
KR102305756B1 (ko) * 2021-04-05 2021-09-27 한국화학연구원 페트콕 기반 리튬이차전지용 인조흑연 음극재의 제조방법, 이로부터 제조된 리튬이차전지용 인조흑연 음극재 및 리튬이차전지
WO2022215933A1 (ko) * 2021-04-05 2022-10-13 한국화학연구원 페트콕 기반 리튬이차전지용 인조흑연 음극재의 제조방법, 이로부터 제조된 리튬이차전지용 인조흑연 음극재 및 리튬이차전지

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019510714A (ja) 2019-04-18
US10899623B2 (en) 2021-01-26
WO2017129774A1 (de) 2017-08-03
CN108698832A (zh) 2018-10-23
EP3408225A1 (de) 2018-12-05
EP3408225B1 (de) 2024-03-06
ES2978980T3 (es) 2024-09-23
JP6895982B2 (ja) 2021-06-30
KR102176380B1 (ko) 2020-11-10
US20190031514A1 (en) 2019-01-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102176380B1 (ko) 석유 또는 석탄으로부터 유래된 코크스를 위한 촉매 활성 첨가제
JP5638802B2 (ja) 炭素質負極材料の製造方法及びその使用方法
TWI613335B (zh) 碳化矽粉末及碳化矽單晶的製造方法
JP5657103B2 (ja) 炭素体、炭素体の製造方法及びその使用
JP2020532058A (ja) リチウム二次電池用負極活物質の製造方法、およびそれを含むリチウム二次電池
WO1983004188A1 (en) Process for manufacturing metal carbides and their precursors
CN101535178B (zh) 高纯度核石墨
JP2003297357A (ja) リチウム二次電池負極材料とその製造方法
JP6985213B2 (ja) 気相反応器中でのケイ素−炭素複合材の合成
JPS6229367B2 (ko)
JP2000007436A (ja) 黒鉛材及び黒鉛材の製造方法
KR102699473B1 (ko) 리튬이차 전지용 급속충전형 음극활물질, 이를 포함하는 리튬이차 전지의 제조방법
JP4220777B2 (ja) 特殊炭素材用アモルファスコークスとその製造方法
US9802825B2 (en) Process for manufacturing silicon carbide
CN1290937C (zh) 炭素粉的生产制造方法
JP4107038B2 (ja) 仮焼コークスの製造方法
EP4079686A1 (en) Composition of matter for the production of graphite powder
RU2682732C1 (ru) Способ изготовления катодного блока для алюминиевого электролизера
EP4447154A1 (en) Anode active material for lithium secondary battery, preparing method thereof, and lithium secondary battery comprising same
TW202248123A (zh) 用於生產石墨粉的物質組合物
JP2017084660A (ja) 蓄電デバイスの負極用炭素材料の製造方法及び蓄電デバイスの負極用炭素材料
JP6173969B2 (ja) 粒状珪素酸化物及びその製造方法
JPS6399290A (ja) 高品位電極用コ−クスの製造方法
CN115872398A (zh) 一种中硫焦生产单次颗粒负极材料
JP2002241763A (ja) 人造黒鉛用骨材コークスの製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant