KR20230100827A - 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법 및 이로부터 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 및 슈퍼커패시터 - Google Patents
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법 및 이로부터 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 및 슈퍼커패시터 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230100827A KR20230100827A KR1020210190292A KR20210190292A KR20230100827A KR 20230100827 A KR20230100827 A KR 20230100827A KR 1020210190292 A KR1020210190292 A KR 1020210190292A KR 20210190292 A KR20210190292 A KR 20210190292A KR 20230100827 A KR20230100827 A KR 20230100827A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- activated carbon
- petroleum coke
- supercapacitor
- low
- supercapacitor electrode
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 389
- 239000002006 petroleum coke Substances 0.000 title claims abstract description 169
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 70
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims abstract description 66
- 239000012190 activator Substances 0.000 claims abstract description 44
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 43
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 34
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 104
- 238000001994 activation Methods 0.000 claims description 68
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims description 61
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M potassium hydroxide Substances [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 46
- 239000000376 reactant Substances 0.000 claims description 43
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 claims description 39
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 34
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 31
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 31
- 239000003921 oil Substances 0.000 claims description 29
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 27
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 238000005554 pickling Methods 0.000 claims description 23
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 19
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 17
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 15
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 10
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 claims description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000000295 fuel oil Substances 0.000 claims description 9
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 claims description 9
- 239000003027 oil sand Substances 0.000 claims description 9
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000004231 fluid catalytic cracking Methods 0.000 claims description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 7
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000006837 decompression Effects 0.000 claims description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 4
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000007865 diluting Methods 0.000 claims description 3
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011802 pulverized particle Substances 0.000 claims description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 11
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 19
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 16
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 16
- 239000010903 husk Substances 0.000 description 14
- 235000013162 Cocos nucifera Nutrition 0.000 description 13
- 244000060011 Cocos nucifera Species 0.000 description 13
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 13
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 12
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 12
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 7
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 6
- 238000011161 development Methods 0.000 description 6
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 238000005504 petroleum refining Methods 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical compound [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BXVSAYBZSGIURM-UHFFFAOYSA-N 2-phenoxy-4h-1,3,2$l^{5}-benzodioxaphosphinine 2-oxide Chemical compound O1CC2=CC=CC=C2OP1(=O)OC1=CC=CC=C1 BXVSAYBZSGIURM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000809 air pollutant Substances 0.000 description 2
- 231100001243 air pollutant Toxicity 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 2
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 description 2
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 2
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011331 needle coke Substances 0.000 description 2
- 230000003472 neutralizing effect Effects 0.000 description 2
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 description 2
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 230000009469 supplementation Effects 0.000 description 2
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 2
- 101000705294 Arabidopsis thaliana Oxygen-evolving enhancer protein 1-2, chloroplastic Proteins 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001413 alkali metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000003637 basic solution Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000012858 packaging process Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 description 1
- 230000008685 targeting Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 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
- H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
- H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
-
- 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
-
- 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
본 발명은 저급 석유코크스를 원료로 하고, 분쇄/분급된 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리를 거쳐 중비표면적 또는 고비표면적의 활성탄을 제조하는 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법 및 이로부터 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 및 슈퍼커패시터를 제공한다.
Description
본 발명은 저급 석유코크스를 원료로 하고, 분쇄/분급된 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리를 거쳐 중비표면적 또는 고비표면적의 활성탄으로 제조하는 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법 및 이로부터 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 및 슈퍼커패시터에 관한 것이다.
최근 문명의 급속한 발달과 화석 원료의 사용 등으로 인한 이산화탄소 발생량의 증가에 따라 지구 온난화가 가속되면서 탄소 제로 사회로의 전환에 따른 대체 에너지 산업의 발달이 활발해지고 있다. 화석연료의 고갈과 함께 이를 대체하기 위한 풍력, 태양광 등의 신재생에너지 산업의 발달과 더불어 자동차나 휴대용 전자기기에 사용되는 에너지 저장장치의 개발 및 성능 향상, 에너지의 지속성과 효율성의 보완에 중점을 둔 연구가 진행되고 있다.
특히, 하이브리드, 전기자동차 및 기억소자용 백업 전원 등으로 널리 사용되고 있는 전기이중층 커패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor)가 최근 주목받고 있다.
그 중, 초고용량 커패시터는 높은 출력밀도, 충방전 효율, 무한에 가까운 사이클 특성을 가지고 있는 장점으로 가장 주목받고 있다.
또한, 전극물질로서 탄소소재를 사용하여 친환경적이고 우수한 안정성으로 차세대 에너지 백업 및 저장장치라고 할 수 있다.
전기이중층 커패시터는 고출력 밀도의 콘덴서와 고에너지 밀도의 리튬이차전지의 중간적인 특성을 가진 에너지 저장장치로 물리적인 이온들의 흡착·탈착반응 현상을 이용하는 에너지 저장장치이다.
이러한, 전기이중층 커패시터는 물리적 흡착·탈착 현상이 이루어지는 탄소 소재의 전극과 이를 분리하는 분리막, 집전체, 전해질로 구성되어 있으며 이중에서 용량 발현 및 주요 특성을 결정하는 전극활물질이 커패시터의 핵심 기술이라고 할 수 있다.
상기 전기이중층 커패시터의 전극활물질은 활성탄과 도전재, 바인더, 집전체 등으로 구성되어 있으며 이들 구성물 중 활성탄은 넓은 비표면적과 내화학성, 낮은 열팽창률, 높은 전기전도성 등의 장점으로 현재 상용화된 전극활물질용 소재로 사용되고 있다.
그리고, 대부분의 상용 활성탄은 야자각, 레진계의 카본류 전구체를 이용하여 탄화 및 활성화공정을 통하여 제조되어 높은 비표면적을 갖는 활성탄으로 판매되고 있지만, 낮은 에너지밀도의 단점의 보완 및 개선이 필요하여 차세대 활성탄 소재에 대한 연구개발이 진행되고 있다.
또한, 석유코크스(Petroleum coke)는 오일샌드, 감압잔사유, FCC-DO, LCO, 등의 석유계 중질 유분을 고온으로 열분해하여 얻는 다공질의 저렴한 코크스이다.
그러나, 상기 석유코크스는 고가의 침상코크스에 비해 불순물 함량이 높고, 결정성이 낮아 열처리 후 높은 흑연화도를 발현하기 어려워, 대부분은 별다른 용도를 갖지 못한 채, 연소를 통한 열원 또는 에너지원으로 사용되어 왔다.
하지만, 상기 석유코크스 연소시 온실가스 및 미세먼지 등의 대기오염물질을 발생시킴에 따라, 최근 환경규제로 인해 그 활용이 제한되고 있는 실정이다.
그러나, 석유의 정제 과정에서 발생된 정유 부산물인 석유코크스의 높은 불순물 함량 및 유분 함유의 문제점을 해소하여 야자각, 레진계 유래 슈퍼커패시터 전극용 활성탄과 성능은 유사하면서도 가격은 저렴한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하고자 하지만 그러한 연구는 아직 미비한 실정이다.
따라서, 본 출원인은 각고의 노력과 여러 연구를 통하여, 저급 석유코크스의 높은 불순물 함량 및 유분 함유의 문제점을 분쇄/분급된 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리를 거쳐 해결하고, 환원 열처리하여, 저급 석유코크스를 중비표면적 또는 고비표면적의 활성탄으로 제조하는 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법 및 이로부터 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 및 슈퍼커패시터를 획득하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명은 저급 석유코크스의 높은 불순물 함량 및 유분 함유의 문제점을 분쇄/분급된 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리를 거쳐 해결하고, 환원 열처리하여, 저급 석유코크스를 야자각, 레진계 유래 슈퍼커패시터 전극용 활성탄과 성능은 유사하면서도 가격은 저렴한 중비표면적 또는 고비표면적의 활성탄으로 제조하는 방법인 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명은 저급 석유코크스의 높은 불순물 함량 및 유분 함유의 문제점을 분쇄/분급된 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리를 거쳐 해결하고, 환원 열처리하여, 저급 석유코크스를 야자각, 레진계 유래 슈퍼커패시터 전극용 활성탄과 성능은 유사하면서도 가격은 저렴한 중비표면적 또는 고비표면적의 활성탄으로 제조하는 방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명은 석유코크스 유래 저비용의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 사용한 슈퍼커패시터를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면,
저급 석유코크스의 불순물 함량 및 유분 함량을 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리하여 감소시키고, 상기 저급 석유코크스로부터 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하는 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조방법으로서,
(a-1) 오일샌드, 감압잔사유, 유동접촉 분해유(FCC-DO), 또는 경질 사이클 오일(LCO)의 석유계 중질 유분을 고온으로 열분해하여 얻은 다공질의 저급 석유코크스를 건조하는 단계;
(a-2) 상기 저급 석유코크스를 분쇄/분급하는 단계;
(a-3) 상기 분쇄/분급된 저급 석유코크스를 활성화제인 알칼리 화합물과 무게비로 혼합하여 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 얻는 단계;
(a-4) 상기 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 열처리하여 화학적 활성화 반응물을 얻는 단계;
(a-5) 상기 화학적 활성화 반응물을 수세/산세 공정을 통해 불순물을 제거하여 수세/산세한 반응물을 얻는 단계;
(a-6) 상기 수세/산세한 반응물을 여과한 후 대기 중에서 건조하거나 진공하에서 건조하여 활성탄 건조물을 수득하는 단계; 및
(a-7) 상기 활성탄 건조물을 환원 열처리하여 표면관능기를 제거하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 비표면적(BET)은 1,300 m2/g 내지 3,000 m2/g인 중비표면적 또는 고비표면적의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄인 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-1) 오일샌드, 감압잔사유, 유동접촉 분해유(FCC-DO), 또는 경질 사이클 오일(LCO)의 석유계 중질 유분을 고온으로 열분해하여 얻은 다공질의 저급 석유코크스를 건조하는 단계에서,
상기 건조는 대기 중 또는 진공하에서 5 ~ 150 ℃의 온도에서 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-2) 저급 석유코크스를 분쇄/분급하는 단계에서,
상기 분쇄는 Jaw Crusher, Gyratory Crusher, roller Crusher, Cone Crusher, Hammermil Crusher, Tumbling Mill, Vibration Mill, Attrition Mill, Ball Mill, Rod Mill, Pebble Mill, 및 Autogeneous Mill로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 장비로 상기 저급 석유코크스를 10 nm 내지 200 ㎛의 분쇄물로 분쇄하고,
상기 분급은 기류식 분급기, 회전체 분급기, 체, 및 메쉬로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 분급기로 10 nm 내지 200 ㎛의 분쇄물을 분급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-3) 분쇄/분급된 저급 석유코크스를 활성화제인 알칼리 화합물과 무게비로 혼합하여 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 얻는 단계에서,
상기 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합비는 석유코크스:알칼리 화합물 = 1: 2 ~ 10의 무게비로 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-3) 분쇄/분급된 저급 석유코크스를 활성화제인 알칼리 화합물과 무게비로 혼합하여 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 얻는 단계에서,
상기 알칼리 화합물은 KOH, NaOH, K2CO3, Na2CO3, CH3COOK, 및 CH3COONa으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 화합물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-4) 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 화학적 활성화 열처리하여 화학적 활성화 반응물을 얻는 단계에서,
상기 화학적 활성화 열처리는 500 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-4) 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 화학적 활성화 열처리하여 화학적 활성화 반응물을 얻는 단계에서,
상기 화학적 활성화 열처리는 30 분 내지 64 시간 동안 열처리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-4) 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 화학적 활성화 열처리하여 화학적 활성화 반응물을 얻는 단계에서,
상기 화학적 활성화 열처리는 H2/Ar 혼합가스, 질소 또는 아르곤을 사용하여 불활성 분위기에서 화학적 활성화 열처리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-5) 화학적 활성화 반응물을 수세/산세 공정을 통해 불순물을 제거하여 수세/산세한 반응물을 얻는 단계에서,
상기 수세/산세 공정시 산성 용액은 염산, 황산, 질산, 인산, 및 아세트산으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택한 산을 물에 희석한 용액일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수세/산세 공정시 염기성 반응물의 중화를 목적으로 산성 용액을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산성 용액의 농도는 5 중량 % 내지 50 중량% 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산성용액으로 산세 후 고순도수로 수세하여 잔류산을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-6) 수세/산세한 반응물을 여과한 후 대기 중에서 건조하거나 진공하에서 건조하여 활성탄 건조물을 수득하는 단계에서,
상기 수세/산세한 반응물을 진공 감압 장치를 사용하여 여과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-6) 수세/산세한 반응물을 여과한 후 대기 중에서 건조하거나 진공하에서 건조하여 활성탄 건조물을 수득하는 단계에서,
상기 여과된 수세/산세 반응물을 80 ℃ 내지 150 ℃의 온도에서 건조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 건조는 80 ℃ 내지 150 ℃의 온도 및 진공하에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-7) 활성탄 건조물을 환원 열처리하여 표면관능기를 제거하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하는 단계에서,
상기 환원 열처리는 500 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 환원 열처리는 H2/Ar 혼합가스, 질소 또는 아르곤을 사용하여 환원 분위기에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 환원 열처리를 통해 얻어진 활성탄의 산소 함량은 0.5 wt% 내지 10 wt% 일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면,
상기 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 비표면적(BET)은 1,300 m2/g 내지 3,000 m2/g인 슈퍼커패시터 전극용 활성탄일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면,
상기 슈퍼커패시터 전극용 활성탄으로 제조된 슈퍼커패시터를 제공한다.
본 발명에 따르면, 저급 석유코크스의 높은 불순물 함량 및 유분 함유의 문제점을 분쇄/분급된 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리를 거쳐 해결하고, 환원 열처리하여, 저급 석유코크스를 야자각, 레진계 유래 슈퍼커패시터 전극용 활성탄과 성능은 유사하면서도 가격은 저렴한 중비표면적 또는 고비표면적의 활성탄으로 제조하는 방법인 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조방법을 제공하므로, 경제적이고 작업 안정성이 높다.
또한, 본 발명은 본 발명은 저급 석유코크스의 높은 불순물 함량 및 유분 함유의 문제점을 분쇄/분급된 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리를 거쳐 해결하고, 환원 열처리하여, 저급 석유코크스를 야자각, 레진계 유래 슈퍼커패시터 전극용 활성탄과 성능은 유사하면서도 가격은 저렴한 중비표면적 또는 고비표면적의 활성탄으로 제조하는 방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제공하므로, 물성이 우수하고, 경제적이다.
그리고, 본 발명은 석유코크스 유래 저비용의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 사용한 슈퍼커패시터를 제공하므로, 성능이 우수하여 다양한 용도에 적용할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조방법의 공정흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에서 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 N2 흡탈착등온선이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에서 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 N2 흡탈착등온선이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법
본 발명은 저급 석유코크스의 높은 불순물 함량 및 유분 함유의 문제점을 분쇄/분급된 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리를 거쳐 해결하고, 환원 열처리하여, 저급 석유코크스를 야자각, 레진계 유래 슈퍼커패시터 전극용 활성탄과 성능은 유사하면서도 가격은 저렴한 중비표면적 또는 고비표면적의 활성탄으로 제조하는 방법인 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조방법을 제공한다.
본 발명의 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법은
저급 석유코크스의 불순물 함량 및 유분 함량을 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리하여 감소시키고, 상기 저급 석유코크스로부터 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하는 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조방법으로서,
(a-1) 오일샌드, 감압잔사유, 유동접촉 분해유(FCC-DO), 또는 경질 사이클 오일(LCO)의 석유계 중질 유분을 고온으로 열분해하여 얻은 다공질의 저급 석유코크스를 건조하는 단계;
(a-2) 상기 저급 석유코크스를 분쇄/분급하는 단계;
(a-3) 상기 분쇄/분급된 저급 석유코크스를 활성화제인 알칼리 화합물과 무게비로 혼합하여 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 얻는 단계;
(a-4) 상기 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 열처리하여 화학적 활성화 반응물을 얻는 단계;
(a-5) 상기 화학적 활성화 반응물을 수세/산세 공정을 통해 불순물을 제거하여 수세/산세한 반응물을 얻는 단계;
(a-6) 상기 수세/산세한 반응물을 여과한 후 대기 중에서 건조하거나 진공하에서 건조하여 활성탄 건조물을 수득하는 단계; 및
(a-7) 상기 활성탄 건조물을 환원 열처리하여 표면관능기를 제거하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 비표면적(BET)은 1,300 m2/g 내지 3,000 m2/g인 중비표면적 또는 고비표면적의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄일 수 있다.
본 발명은 저급 석유코크스의 높은 불순물 함량 및 유분 함유의 문제점을 분쇄/분급된 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리를 거쳐 해결하고, 환원 열처리하여, 저급 석유코크스를 야자각, 레진계 유래 슈퍼커패시터 전극용 활성탄과 성능은 유사하면서도 가격은 저렴한 중비표면적 또는 고비표면적의 활성탄으로 제조하는 방법인 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조방법을 제공하므로, 경제적이고 작업 안정성이 높다.
하이브리드, 전기자동차 및 기억소자용 백업 전원 등으로 널리 사용되고 있는 전기이중층 커패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor)가 최근 주목받고 있다.
그 중, 초고용량 커패시터는 높은 출력밀도, 충방전 효율, 무한에 가까운 사이클 특성을 가지고 있는 장점으로 가장 주목받고 있다.
또한, 전극물질로서 탄소소재를 사용하여 친환경적이고 우수한 안정성으로 차세대 에너지 백업 및 저장장치라고 할 수 있다.
전기이중층 커패시터는 고출력 밀도의 콘덴서와 고에너지 밀도의 리튬이차전지의 중간적인 특성을 가진 에너지 저장장치로 물리적인 이온들의 흡착·탈착반응 현상을 이용하는 에너지 저장장치이다.
이러한, 전기이중층 커패시터는 물리적 흡착·탈착 현상이 이루어지는 탄소 소재의 전극과 이를 분리하는 분리막, 집전체, 전해질로 구성되어 있으며 이중에서 용량 발현 및 주요 특성을 결정하는 전극활물질이 커패시터의 핵심 기술이라고 할 수 있다.
상기 전기이중층 커패시터의 전극활물질은 활성탄과 도전재, 바인더, 집전체 등으로 구성되어 있으며 이들 구성물 중 활성탄은 넓은 비표면적과 내화학성, 낮은 열팽창률, 높은 전기전도성 등의 장점으로 현재 상용화된 전극활물질용 소재로 사용되고 있다.
그리고, 대부분의 상용 활성탄은 야자각, 레진계의 카본류 전구체를 이용하여 탄화 및 활성화공정을 통하여 제조되어 높은 비표면적을 갖는 활성탄으로 판매되고 있지만, 낮은 에너지밀도의 단점의 보완 및 개선이 필요하여 차세대 활성탄 소재에 대한 연구개발이 진행되고 있다.
일반적으로, 전극활물질에 사용되는 활성탄은 야자 껍질, 왕겨, 페놀수지 등을 전구체로 하는 탄소체 원료를 500 ℃ 이상의 온도에서 탄화(소성)시킨 다음, 다공질 구조로 활성화시켜 제조한다.
활성화 공정에서는 주로 전구체로 사용되는 탄소체와 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 등의 알칼리 활성화제를 혼합하여 불활성가스 분위기에서 500 ~ 1200 ℃ 범위에서 열처리하면 알칼리 금속 이온이 탄소 결정층 사이에 삽입 및 반응을 통해 미세기공이 형성된 다공성의 활성탄을 얻을 수 있다.
이렇게 알칼리 화합물을 이용한 화학적 활성화법으로 얻어진 활성탄은 비표면적이 크고 입자 크기가 균일하여 전기이중층 커패시터용 소재로 사용되고 있다.
또한, 페놀 수지를 출발 물질로 하여 제조한 활성탄은 불순물의 함량이 높아 저항 특성 등이 낮으며, 야자각 등을 이용하여 제조한 활성탄의 경우, 저항 특성은 페놀 수지와 대비하여 상대적으로 양호하나, 이 역시 낮은 저항 특성을 보이며, 이에 따른 단위 부피당 정전 용량이 작다.
여기에, 저항 특성을 개선하기 위해 카본블랙 등의 도전재가 사용되는데, 전기전도도 향상으로 저항 특성이 개선될 수는 있지만 함량이 늘어날수록 활성탄의 함량이 적어져 정전용량이 떨어지는 문제점이 있다.
슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조방법은 탄소체 원료를 500 ~ 1200 ℃ 범위에서 탄화하고 탄화된 코크스를 적절한 크기로 분쇄한 후 활성화제와 일정한 비율로 혼합한다. 그 후, 혼합물을 반응 용기에 넣어 500 ~ 1200 ℃의 불활성 분위기 하에서 활성화(열처리)를 한다. 활성화 후, 반응물에 존재하는 불순물을 제거하기 위해 세정을 하고 수분 제거를 위해 건조한다.
그런 다음, 전극재로 사용하기 위해 활성탄 표면에 존재하는 표면관능기를 제거하는 환원 열처리 공정을 500 ~ 900 ℃에서 진행하고, 이후 일정 크기 이상의 분말을 제거하는 분급 공정을 거쳐 제품 출하를 위한 포장 공정을 거치면 활성탄 제품이 된다.
또한, 석유코크스(Petroleum coke)는 오일샌드, 감압잔사유, FCC-DO, LCO, 등의 석유계 중질 유분을 고온으로 열분해하여 얻는 다공질의 저렴한 코크스이다.
그러나, 상기 석유코크스는 고가의 침상코크스에 비해 불순물 함량이 높고, 결정성이 낮아 열처리 후 높은 흑연화도를 발현하기 어려워, 대부분은 별다른 용도를 갖지 못한 채, 연소를 통한 열원 또는 에너지원으로 사용되어 왔다.
하지만, 상기 석유코크스 연소시 온실가스 및 미세먼지 등의 대기오염물질을 발생시킴에 따라, 최근 환경규제로 인해 그 활용이 제한되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 석유의 정제 과정에서 발생된 정유 부산물인 석유코크스의 높은 불순물함량 및 유분 함유 등의 문제점을 해소하여 야자각, 레진계 유래 슈퍼커패시터 전극용 활성탄과 성능은 유사하면서도 가격은 저렴한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하고자 한다.
여기서, 상기 (a-1) 오일샌드, 감압잔사유, 유동접촉 분해유(FCC-DO), 또는 경질 사이클 오일(LCO)의 석유계 중질 유분을 고온으로 열분해하여 얻은 다공질의 저급 석유코크스를 건조하는 단계에서,
상기 건조는 대기 중 또는 진공하에서 5 ~ 150 ℃의 온도에서 수행할 수 있다.
이때, 진공하에서 건조는 대기 중 건조보다 건조 온도가 낮을 수 있다.
그리고, 상기 (a-2) 저급 석유코크스를 분쇄/분급하는 단계에서,
상기 분쇄는 Jaw Crusher, Gyratory Crusher, roller Crusher, Cone Crusher, Hammermil Crusher, Tumbling Mill, Vibration Mill, Attrition Mill, Ball Mill, Rod Mill, Pebble Mill, 및 Autogeneous Mill로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 장비로 상기 저급 석유코크스를 10 nm 내지 200 ㎛의 분쇄물로 분쇄하고,
상기 분급은 기류식 분급기, 회전체 분급기, 체, 및 메쉬로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 분급기로 10 nm 내지 200 ㎛의 분쇄물을 분급할 수 있다.
여기서, 상기 체는 목재 재질, 플라스틱 재질, 세라믹 재질, 유리 재질, 및 섬유 재질로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 재질의 체를 사용할 수 있다.
또한, 상기 메쉬는 목재 재질, 플라스틱 재질, 세라믹 재질, 유리 재질, 및 섬유 재질로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 재질의 메쉬 구조를 사용할 수 있다.
또한, 상기 (a-3) 분쇄/분급된 저급 석유코크스를 활성화제인 알칼리 화합물과 무게비로 혼합하여 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 얻는 단계에서,
상기 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합비는 석유코크스:알칼리 화합물 = 1: 2 ~ 10의 무게비로 수행될 수 있다.
여기서, 상기 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합비가 상기 범위를 벗어나는 경우, 상기 석유코크스-알칼리 화합물의 화학적 활성화 열처리 공정에서 파쇄되거나 분리될 수 있다.
이때, 상기 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합비는 바람직하게는 석유코크스:알칼리 화합물 = 1: 2 ~ 8의 무게비로 수행될 수 있고, 보다 바람직하게는 석유코크스:알칼리 화합물 = 1: 2 ~ 6의 무게비로 수행될 수 있다.
그리고, 상기 (a-3) 분쇄/분급된 저급 석유코크스를 활성화제인 알칼리 화합물과 무게비로 혼합하여 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 얻는 단계에서,
상기 알칼리 화합물은 KOH, NaOH, K2CO3, Na2CO3, CH3COOK, 및 CH3COONa으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 화합물일 수 있다.
여기서, 상기 알칼리 화합물은 알칼리 금속과 약산의 화합물로서 약산은 유기산의 화합물 또는 무기산의 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 (a-4) 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 화학적 활성화 열처리하여 화학적 활성화 반응물을 얻는 단계에서,
상기 화학적 활성화 열처리는 500 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
여기서, 상기 화학적 활성화 열처리 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우, 상기 석유코크스-알칼리 화합물의 화학적 활성화 열처리 공정에서 파쇄되거나 분리될 수 있다.
이때, 상기 화학적 활성화 열처리는 바람직하게는 550 ℃ 내지 1100 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 보다 바람직하게는 600 ℃ 내지 1000 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
그리고, 상기 (a-4) 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 화학적 활성화 열처리하여 화학적 활성화 반응물을 얻는 단계에서,
상기 화학적 활성화 열처리는 30 분 내지 64 시간 동안 열처리할 수 있다.
여기서, 상기 화학적 활성화 열처리 시간이 상기 범위를 벗어나는 경우, 상기 석유코크스-알칼리 화합물의 화학적 활성화 열처리 공정에서 파쇄되거나 분리될 수 있다.
이때, 상기 화학적 활성화 열처리 시간은 바람직하게는 30 분 내지 52 시간 동안 수행될 수 있고, 보다 바람직하게는 30 분 내지 48 시간 동안 수행될 수 있다.
그리고, 상기 (a-4) 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 열처리하여 화학적 활성화 반응물을 얻는 단계에서,
상기 화학적 활성화 열처리는 H2/Ar 혼합가스, 질소 또는 아르곤을 사용하여 불활성 분위기에서 화학적 활성화 열처리할 수 있다.
여기서, 불활성 분위기를 나타낼 수 있으면 어느 기체나 어느 기체의 혼합물도 사용될 수 있다.
또한, 상기 (a-5) 화학적 활성화 반응물을 수세/산세 공정을 통해 불순물을 제거하여 수세/산세한 반응물을 얻는 단계에서,
상기 수세/산세 공정시 산성 용액은 염산, 황산, 질산, 인산, 및 아세트산으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택한 산을 물에 희석한 용액일 수 있다.
여기서, 상기 수세/산세 공정시 염기성 반응물의 중화를 목적으로 산성 용액을 사용할 수 있다.
이때, 상기 중화 pH는 3 ~ 11 일 수 있고, 바람직하게는 4 ~ 10 일 수 있고, 보다 바람직하게는 4 ~ 9 일 수 있다.
그리고, 상기 산성 용액의 농도는 5 중량 % 내지 50 중량% 일 수 있다.
여기서, 상기 산성 용액의 농도는 바람직하게는 6 중량% 내지 48 중량% 일 수 있고, 보다 바람직하게는 7 중량% 내지 45 중량% 일 수 있다.
또한, 상기 산성용액으로 산세 후 고순도수로 수세하여 잔류산을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 (a-6) 수세/산세한 반응물을 여과한 후 대기 중에서 건조하거나 진공하에서 건조하여 활성탄 건조물을 수득하는 단계에서,
상기 수세/산세한 반응물을 진공 감압 장치를 사용하여 여과할 수 있다.
여기서, 상기 진공 감압 장치는 신속하게 대량으로 여과하기 목적으로 사용하므로, 상기 목적을 달성할 수 있으면 어느 진공 감압 장치라도 사용할 수 있다.
또한, 상기 (a-6) 수세/산세한 반응물을 여과한 후 대기 중에서 건조하거나 진공하에서 건조하여 활성탄 건조물을 수득하는 단계에서,
상기 여과된 수세/산세 반응물을 80 ℃ 내지 150 ℃의 온도에서 건조할 수 있다.
그리고, 상기 건조는 80 ℃ 내지 150 ℃의 온도 및 진공하에서 수행될 수 있다.
여기서, 상기 건조는 바람직하게는 83 ℃ 내지 148 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 보다 바람직하게는 85 ℃ 내지 145 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 (a-7) 활성탄 건조물을 환원 열처리하여 표면관능기를 제거하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하는 단계에서,
상기 환원 열처리는 500 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
여기서, 상기 환원 열처리 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우, 상기 슈퍼커패시터 전극용 활성탄에 표면관능기 제거가 미흡할 수 있다.
이때, 상기 환원 열처리는 바람직하게는 550 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 보다 바람직하게는 600 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
그리고, 상기 환원 열처리는 H2/Ar 혼합가스, 질소 또는 아르곤을 사용하여 환원 분위기에서 수행될 수 있다.
여기서, 상기 환원 분위기를 나타낼 수 있으면, 어느 기체 또는 어느 기체의 혼합물도 사용할 수 있다.
또한, 상기 환원 열처리를 통해 얻어진 활성탄의 산소 함량은 0.5 wt% 내지 10 wt% 일 수 있다.
이때, 상기 환원 열처리를 통해 얻어진 활성탄의 산소 함량은 바람직하게는 0.5 wt% 내지 9.8 wt% 일 수 있고, 보다 바람직하게는 0.5 wt% 내지 9.5 wt% 일 수 있다.
그리고, 상기 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 비표면적(BET)은 1,300 m2/g 내지 3,000 m2/g인 중비표면적 또는 고비표면적의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄일 수 있다.
여기서, 상기 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 비표면적(BET)은 바람직하게는 1,300 m2/g 내지 2,980 m2/g인 중비표면적 또는 고비표면적의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄일 수 있고, 보다 바람직하게는 1,300 m2/g 내지 2,950 m2/g인 중비표면적 또는 고비표면적의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조방법의 공정흐름도이다.
도 1을 참조하면, 오일샌드, 감압잔사유, 유동접촉 분해유(FCC-DO), 또는 경질 사이클 오일(LCO)의 석유계 중질 유분을 고온으로 열분해하여 얻은 다공질의 저급 석유코크스 원료(S110)를 대기 중 또는 진공하에서 5 ~ 150 ℃의 온도에서 건조(S120)할 수 있다.
그 후, 상기 건조된 저급 석유코크스를 분쇄기와 분급도구를 이용하여 분쇄/분급(S130)할 수 있다.
그런 다음, 분쇄/분급된 석유코크스를 활성화제인 알칼리 화합물과 1: 2 ~ 10의 무게비로 혼합(S140)하여 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 얻을 수 있다.
그 후, 상기 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 500 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 30 분 내지 64 시간 동안 화학적 활성화 열처리(S150)하여 화학적 활성화 반응물을 제조할 수 있다.
그런 다음, 상기 화학적 활성화 반응물을 수세/산세(S160)하여 염기성 반응물을 중화할 수 있다.
그 후, 수세/산세한 반응물을 여과한 후 대기 중에서 건조하거나 진공하에서 건조(S170)하여 활성탄 건조물을 제조할 수 있다.
그런 다음, 활성탄 건조물을 500 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 환원 열처리(S180)하여 표면관능기를 제거하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄(S190)을 제조할 수 있다.
슈퍼커패시터 전극용 활성탄
본 발명은 저급 석유코크스의 높은 불순물 함량 및 유분 함유의 문제점을 분쇄/분급된 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리를 거쳐 해결하고, 환원 열처리하여, 저급 석유코크스를 야자각, 레진계 유래 슈퍼커패시터 전극용 활성탄과 성능은 유사하면서도 가격은 저렴한 중비표면적 또는 고비표면적의 활성탄으로 제조하는 방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제공한다.
본 발명은 상기 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제공한다.
본 발명은 본 발명은 저급 석유코크스의 높은 불순물 함량 및 유분 함유의 문제점을 분쇄/분급된 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리를 거쳐 해결하고, 환원 열처리하여, 저급 석유코크스를 야자각, 레진계 유래 슈퍼커패시터 전극용 활성탄과 성능은 유사하면서도 가격은 저렴한 중비표면적 또는 고비표면적의 활성탄으로 제조하는 방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제공하므로, 물성이 우수하고, 경제적이다.
그리고, 상기 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 비표면적(BET)은 1,300 m2/g 내지 3,000 m2/g인 중비표면적 또는 고비표면적의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄일 수 있다.
여기서, 상기 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 비표면적(BET)은 바람직하게는 1,300 m2/g 내지 2,980 m2/g인 중비표면적 또는 고비표면적의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄일 수 있고, 보다 바람직하게는 1,300 m2/g 내지 2,950 m2/g인 중비표면적 또는 고비표면적의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄일 수 있다.
슈퍼커패시터
본 발명은 석유코크스 유래 저비용의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 사용한 슈퍼커패시터를 제공한다.
본 발명은 상기 슈퍼커패시터 전극용 활성탄으로 제조된 슈퍼커패시터를 제공한다.
본 발명은 석유코크스 유래 저비용의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 사용한 슈퍼커패시터를 제공하므로, 성능이 우수하여 다양한 용도에 적용할 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
<분석방법>
석유코크스 활성탄의 비표면적은 Surface area & pore size analyzer volumetric adsorption equipment(Micromeritics, 3Flex)를 사용하여 분석하였다.
유기원소분석은 원소분석(Elemental analysis) 방법(Thermo Scientific FLASH EA-2000 Organic Elemental Analyzer 또는 Thermo Finnigan FLASH EA-1112 Elemental Analyzer)을 사용하여 분석하였다.
<실시예>
<실시예 1 내지 실시예 5> 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조
도 1의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조 공정도에 따라, 원료인 석유코크스에서 하기 표 1에 기재된 바와 같이 알칼리 화합물 혼합, 활성화 열처리를 포함한 활성탄 제조공정으로 실시예 1 내지 실시예 5의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하였다.
건조: 원료물질인 석유코크스에 함유된 수분을 120 ℃의 온도에서 건조하여 제거하였다.
분쇄/분급: 균일한 활성화 및 전극재로 사용하기 위해 석유코크스를 100 ㎛ 이하로 줄이고자 Ball Mill로 분쇄하였고, 세라믹 체로 분급하였다.
Coke-활성화제 혼합: 분급된 분말 석유코크스와 활성화제로 사용한 KOH를 하기 표1에 기재된 무게비로 혼합하여 활성화 열처리 준비하였다.
활성화 열처리: 분급된 석유코크스 분말과 KOH의 혼합물을 불활성 분위기에서 600 ℃ ~ 1000 ℃로 가열하여 활성화 열처리를 진행하였다. 이때, 분급된 석유코크스 분말과 KOH를 1:4의 중량비로 혼합하였다. 그리고 반응로를 5 ℃/min의 승온 속도로 승온하여 질소가스 분위기 하에서 600 ℃ ~ 1000 ℃에서 1시간 동안 활성화 열처리시켰다.
수세/산세: 상기 활성화 열처리를 통해 활성화된 석유코크스 활성탄을 증류수로 1차 수세를 통해 염기성 용액을 따라내었다. 이후, 염산 수용액으로 산세를 3회 반복했다. 상기 산세 공정시 사용한 염산 수용액은 15 중량%로 희석하여 사용하였다.
여과/건조: 상기 수세/산세한 석유코크스 활성탄을 진공감압장치를 사용하여 여과하였다. 여과 공정시 잔류 산 성분이 제거될 수 있도록 pH 7이 되도록 증류수를 첨가하며 여과하였다. 여과된 석유코크스 활성탄은 100 ℃에서 12 시간 건조하였다.
< 비교예 1> 석유코크스 원료
석유코크스 원료를 준비하였다.
| 석유코크스-KOH 혼합비 | 활성화 열처리 온도 (℃) |
||
| 석유코크스 | KOH | ||
| 실시예 1 | 1 | 4 | 600 |
| 실시예 2 | 1 | 4 | 700 |
| 실시예 3 | 1 | 4 | 800 |
| 실시예 4 | 1 | 4 | 900 |
| 실시예 5 | 1 | 4 | 1000 |
| 비교예 1 | - | - | - |
<실시예 6> 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조
Coke-활성화제 혼합 공정에서 석유코크스 : KOH = 1 : 2의 무게비인 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 활성화 열처리, 수세/산세 및 여과/건조까지 수행하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하였다.
<실시예 7> 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조
Coke-활성화제 혼합 공정에서 석유코크스 : KOH = 1 : 3의 무게비인 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 활성화 열처리, 수세/산세 및 여과/건조까지 수행하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하였다.
<실시예 8> 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조
Coke-활성화제 혼합 공정에서 석유코크스 : KOH = 1 : 6의 무게비 및 활성화 열처리 온도 600 ℃ 인 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 활성화 열처리, 수세/산세 및 여과/건조까지 수행하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하였다.
< 비교예 2> 상용 슈퍼커패시터 전극용 활성탄
상용 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 준비하였다.
<실시예 9> 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조
상기 실시예 2와 동일한 방법으로 활성화 열처리, 수세/산세 및 여과/건조하여 석유코크스 활성탄을 제조한 후, 반응로를 5 ℃/min의 승온 속도로 승온하여 H2/Ar 혼합가스 분위기 하에서 600 ℃에서 1 시간 동안 환원 열처리까지 수행하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하였다.
<실험예>
<실험예 1> 활성화 열처리 온도에 따른 석유코크스 활성탄의 비표면적 분석
상기 실시예 1 내지 실시예 5에서 수행한 석유코크스 : KOH = 1 : 4의 무게비로 600 ℃ 내지 1000 ℃에서 활성화 열처리 하여 수득한 석유코크스 활성탄의 비표면적과 비교예 1의 석유코크스 원료의 비표면적을 Surface area & pore size analyzer로 분석하여 도 2와 하기 표 2에 나타내었다.
도 2는 상기 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1에서 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 N2 흡탈착등온선이다.
| Porosity | ||||
| Total surface area(BET) [m2/g] |
Total pore volume [cm3/g] |
Micro pore volume [cm3/g] |
Average pore size [nm] |
|
| 실시예 1 | 1,442 | 0.66 | 0.59 | 1.86 |
| 실시예 2 | 2,382 | 1.14 | 1.04 | 1.91 |
| 실시예 3 | 1,560 | 1,04 | 0.88 | 2.68 |
| 실시예 4 | 1,632 | 1.24 | 0.15 | 3.04 |
| 실시예 5 | 1,884 | 1.60 | 0.36 | 3.49 |
| 비교예 1 (석유코크스 원료) |
0.94 | 0.0004 | 0.000 | 16.75 |
도 2와 표 2를 참조하면, 실시예 1의 600 ℃의 활성화 열처리 후 석유코크스 활성탄의 비표면적은 1,442 m2/g으로 비교예 1의 석유코크스 원료의 비표면적 0.94에 비해 크게 증대되었고, 실시예 2의 700 ℃의 활성화 열처리 후 석유코크스 활성탄의 비표면적은 더욱 증대되어 2,382 m2/g으로 나타났다.
실시예 3의 800 ℃의 활성화 열처리 후 석유코크스 활성탄의 비표면적은 1,560 m2/g으로 나타났다. 실시예 4의 900 ℃의 활성화 열처리 후 석유코크스 활성탄의 비표면적은 1,632 m2/g, 실시예 5의 1000 ℃의 활성화 열처리 후 석유코크스 활성탄의 비표면적은 1,884 m2/g으로 감소하였다.
실시예 1 내지 실시예 5에서 활성화 열처리 온도의 증가에 따라 total pore volume이 0.66 cm3/g에서 1.60 cm3/g으로 약 2.5배 증가했지만 micropore volume은 실시예 2의 활성화 열처리 온도 700 ℃에서 1.04 cm3/g으로 가장 크게 나타났다.
즉, 활성화 열처리 온도의 증가에 따라 비표면적이 증가하는 경향을 보이지만 800 ℃ 이상의 온도에서의 활성화 열처리는 활성화가 과하게 진행되어 mesopore 및 macropore가 형성되면서 비표면적 및 micropore volume이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 2> Coke-활성화제 혼합비에 따른 석유코크스 활성탄의 비표면적 분석
상기 실시예 2, 실시예 6 및 실시예 7에서 수행한 700 ℃의 활성화 열처리 온도에서 Coke-활성화제 혼합비 석유코크스 : KOH = 1 : 2 내지 1 : 4의 무게비로 하여 수득한 석유코크스 활성탄의 비표면적을 Surface area & pore size analyzer로 분석하여 하기 표 3에 나타내었다.
| 활성화 열처리 온도 (℃) |
Coke-활성화제 혼합비 | Porosity | ||||
| Total surface area(BET) [m2/g] |
Total pore volume [cm3/g] |
Micro pore volume [cm3/g] |
Average pore size [nm] |
|||
| 실시예 2 | 700 | 1 : 4 | 2,382 | 1.14 | 1.04 | 1.91 |
| 실시예 6 | 700 | 1 : 2 | 1,314 | 0.61 | 0.55 | 1.87 |
| 실시예 7 | 700 | 1 : 3 | 1,729 | 0.86 | 0.77 | 1.99 |
실시예 6 및 실시예 7에서 700 ℃의 활성화 열처리 온도에서 각각 Coke-활성화제 혼합비 1 : 2, 1 : 3으로 수행한 석유코크스 활성탄의 비표면적은 각각 1,314 m2/g, 1,729 m2/g으로 혼합비가 증가할수록 total pore volume, micropore volume의 증가와 함께 비표면적이 증가하는 것으로 나타났다.
상용 슈퍼커패시터 전극용 활성탄으로 잘 알려져 있는 MSP-2(Kansai Cokes & Chemical, 비표면적 ＞ 2,200 m2/g)을 타겟으로 하여 각 활성탄의 비표면적에 상응하는 석유코크스 활성탄을 제조하기 위해 활성화 열처리 온도 및 Coke-활성화제 혼합비 조절을 통하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하였다.
<실험예 3> Coke-활성화제 혼합비에 따른 석유코크스 활성탄의 비표면적 분석
상기 실시예 2 및 실시예 8에서 수행한 600 ℃ 내지 700 ℃의 활성화 열처리 온도에서 Coke-활성화제 혼합비 석유코크스 : KOH = 1 : 4 내지 1 : 6의 무게비로 하여 수득한 석유코크스 활성탄 및 비교예 2의 상용 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 비표면적을 Surface area & pore size analyzer로 분석하여 하기 표 4에 나타내었다.
| 활성화 열처리 온도 (℃) |
Coke-활성화제 혼합비 | Porosity | ||||
| Total surface area(BET) [m2/g] |
Total pore volume [cm3/g] |
Micro pore volume [cm3/g] |
Average pore size [nm] |
|||
| 실시예 2 | 700 | 1 : 4 | 2,382 | 1.14 | 1.04 | 1.91 |
| 실시예 8 | 600 | 1 : 6 | 1,799 | 0.61 | 0.55 | 1.87 |
| 비교예 2 | - | - | 2,310 | 0.99 | 0.95 | 1.73 |
실시예 8에서 600 ℃의 활성화 열처리 온도에서 Coke-활성화제 혼합비 1 : 6으로 수행한 석유코크스 활성탄의 비표면적은 1,799 m2/g으로 나타났다.
상기 실시예 2에서 수득한 석유코크스 활성탄과 동등한 비표면적을 가지는 석유코크스 활성탄을 활성화 열처리 온도를 낮춤과 동시에 Coke-활성화제 혼합비의 증가, 활성화 열처리 온도를 높임과 동시에 Coke-활성화제 혼합비의 감소를 통해 제조하고자 시도하였으나 두가지 활성화 인자 간의 밸런스가 맞지 않아 비표면적의 증대 효과가 나타나지 않았다.
<실험예 4> 석유코크스 활성탄 및 환원 열처리한 석유코크스 활성탄의 비표면적 분석
상기 실시예 2 및 실시예 9에서 수행한 700 ℃의 활성화 열처리 온도에서 Coke-활성화제 혼합비 석유코크스 : KOH = 1 : 4의 무게비로 하여 수득한 석유코크스 활성탄 및 환원 열처리한 석유코크스 활성탄 및 비교예 2의 상용 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 비표면적을 Surface area & pore size analyzer로 분석하여 하기 표 5에 나타내었다.
<실험예 5> 석유코크스 활성탄 및 환원 열처리한 석유코크스 활성탄의 유기불순물 함량 분석
상기 실시예 2 및 실시예 9에서 수행한 700 ℃의 활성화 열처리 온도에서 Coke-활성화제 혼합비 석유코크스 : KOH = 1 : 4의 무게비로 하여 수득한 석유코크스 활성탄 및 환원 열처리한 석유코크스 활성탄의 유기불순물 함량과, 비교예 2의 상용 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 유기불순물 함량을 원소분석(Elemental analysis) 방법으로 분석하여 하기 표 5에 나타내었다.
| Elemental composition | Porosity | ||||||||
| C [wt%] |
H [wt%] |
N [wt%] |
S [wt%] |
O [wt%] |
Total surface area(BET) [m2/g] |
Total pore volume [cm3/g] |
Micro pore volume [cm3/g] |
Average pore size [nm] |
|
| 실시예 2 | 83.79 | 0.74 | 0.32 | 0.27 | 8.51 | 2,382 | 1.14 | 1.04 | 1.91 |
| 실시예 9 | 94.65 | 0.36 | 0.43 | 0.48 | 0.99 | 2,808 | 1.53 | 1.27 | 2.18 |
| 비교예 2 | 93.45 | 0.18 | 0.23 | 0.00 | 1.34 | 2,310 | 0.99 | 0.95 | 1.73 |
상기 실시예 2에서 수득한 석유코크스 활성탄의 산소 함량은 8.51 %로 나타났다. 상기 실시예 9에서 환원 열처리를 통해 수득한 석유코크스 활성탄의 산소 함량은 0.99 %로 효과적으로 감소 되었으며 H, N, S 함량 또한 1 % 미만으로 매우 적은 양을 나타냈다.
또한, 상기 비교예 2의 원소 함량과 비교하여 실시예 9의 석유코크스 활성탄의 원소 함량이 유사한 수준으로 관리되고 있는 것으로 나타났다.
또한. 상기 실시예 9의 환원 열처리 후 비표면적은 2,808 m2/g으로 증가하는 결과를 나타냈다.
<실험예 6> 슈퍼커패시터 전극 성능
상기 실험예 4의 실시예 9 및 비교예 2의 석유코크스 활성탄 시료 및 상용 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 슈퍼커패시터 전극재로 사용하여 specific capacitance 시험을 실시하였고 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
| Specific Capacitance (F/g) | Capacitance reaction rate (%) (100 mV/s/5 mV/s) |
|||||
| 5 mV/s | 10 mV/s | 20 mV/s | 50 mV/s | 100 mV/s | ||
| 실시예 9 | 452.8 | 382.8 | 347.8 | 291.4 | 228.8 | 50.5 |
| 비교예 2 | 195.2 | 176.1 | 151.1 | 112.9 | 74.6 | 38.2 |
상기 실시예 2에서 상기 실시예 9로 환원 열처리 공정을 거치면서 산소 함량의 감소와 함께 비표면적의 증가가 나타났으며, 석유코크스 활성탄은 상용 슈퍼커패시터 전극재용 활성탄에 비해 높은 비표면적에 기인하는 높은 축전량을 나타냈다.
이상의 실시예에서와 같이 본 발명에 따른 방법으로 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하면, 저급 석유코크스로부터 용량 특성이 향상되는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법 및 이로부터 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 및 슈퍼커패시터에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지고, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (16)
- 저급 석유코크스의 불순물 함량 및 유분 함량을 상기 저급 석유코크스를 알칼리 화합물의 활성화제와 혼합한 후 화학적 활성화 열처리하여 감소시키고, 상기 저급 석유코크스로부터 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하는 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조방법으로서,
(a-1) 오일샌드, 감압잔사유, 유동접촉 분해유(FCC-DO), 또는 경질 사이클 오일(LCO)의 석유계 중질 유분을 고온으로 열분해하여 얻은 다공질의 저급 석유코크스를 건조하는 단계;
(a-2) 상기 저급 석유코크스를 분쇄/분급하는 단계;
(a-3) 상기 분쇄/분급된 저급 석유코크스를 활성화제인 알칼리 화합물과 무게비로 혼합하여 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 얻는 단계;
(a-4) 상기 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 열처리하여 화학적 활성화 반응물을 얻는 단계;
(a-5) 상기 화학적 활성화 반응물을 수세/산세 공정을 통해 불순물을 제거하여 수세/산세한 반응물을 얻는 단계;
(a-6) 상기 수세/산세한 반응물을 여과한 후 대기 중에서 건조하거나 진공하에서 건조하여 활성탄 건조물을 수득하는 단계; 및
(a-7) 상기 활성탄 건조물을 환원 열처리하여 표면관능기를 제거하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 비표면적(BET)은 1,300 m2/g 내지 3,000 m2/g인 중비표면적 또는 고비표면적의 슈퍼커패시터 전극용 활성탄인 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a-1) 오일샌드, 감압잔사유, 유동접촉 분해유(FCC-DO), 또는 경질 사이클 오일(LCO)의 석유계 중질 유분을 고온으로 열분해하여 얻은 다공질의 저급 석유코크스를 건조하는 단계에서,
상기 건조는 대기 중 또는 진공하에서 5 ~ 150 ℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a-2) 저급 석유코크스를 분쇄/분급하는 단계에서,
상기 분쇄는 Jaw Crusher, Gyratory Crusher, roller Crusher, Cone Crusher, Hammermil Crusher, Tumbling Mill, Vibration Mill, Attrition Mill, Ball Mill, Rod Mill, Pebble Mill, 및 Autogeneous Mill로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 장비로 상기 저급 석유코크스를 10 nm 내지 200 ㎛의 분쇄물로 분쇄하고,
상기 분급은 기류식 분급기, 회전체 분급기, 체, 및 메쉬로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 분급기로 10 nm 내지 200 ㎛의 분쇄물을 분급하는 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a-3) 분쇄/분급된 저급 석유코크스를 활성화제인 알칼리 화합물과 무게비로 혼합하여 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 얻는 단계에서,
상기 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합비는 석유코크스:알칼리 화합물 = 1: 2 ~ 10의 무게비로 수행되는 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a-3) 분쇄/분급된 저급 석유코크스를 활성화제인 알칼리 화합물과 무게비로 혼합하여 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 얻는 단계에서,
상기 알칼리 화합물은 KOH, NaOH, K2CO3, Na2CO3, CH3COOK, 및 CH3COONa으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 화합물인 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a-4) 석유코크스-알칼리 화합물의 혼합물을 화학적 활성화 열처리하여 화학적 활성화 반응물을 얻는 단계에서,
상기 화학적 활성화 열처리는 500 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a-5) 화학적 활성화 반응물을 수세/산세 공정을 통해 불순물을 제거하여 수세/산세한 반응물을 얻는 단계에서,
상기 수세/산세 공정시 산성 용액은 염산, 황산, 질산, 인산, 및 아세트산으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택한 산을 물에 희석한 용액인 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 산성 용액의 농도는 5 중량 % 내지 50 중량% 인 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a-6) 수세/산세한 반응물을 여과한 후 대기 중에서 건조하거나 진공하에서 건조하여 활성탄 건조물을 수득하는 단계에서,
상기 수세/산세한 반응물을 진공 감압 장치를 사용하여 여과하는 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a-6) 수세/산세한 반응물을 여과한 후 대기 중에서 건조하거나 진공하에서 건조하여 활성탄 건조물을 수득하는 단계에서,
상기 여과된 수세/산세 반응물을 80 ℃ 내지 150 ℃의 온도에서 건조하는 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a-7) 활성탄 건조물을 환원 열처리하여 표면관능기를 제거하여 슈퍼커패시터 전극용 활성탄을 제조하는 단계에서,
상기 환원 열처리는 500 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제11항에 있어서,
상기 환원 열처리는 H2/Ar 혼합가스, 질소 또는 아르곤을 사용하여 환원 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제11항에 있어서,
상기 환원 열처리를 통해 얻어진 활성탄의 산소 함량은 0.5 wt% 내지 10 wt%인 것을 특징으로 하는
저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법으로 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄.
- 제 14 항에 있어서,
상기 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 비표면적(BET)은 1,300 m2/g 내지 3,000 m2/g인 슈퍼커패시터 전극용 활성탄.
- 제14항에 기재된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄으로 제조된 슈퍼커패시터.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210190292A KR102674629B1 (ko) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법 및 이로부터 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 및 슈퍼커패시터 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210190292A KR102674629B1 (ko) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법 및 이로부터 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 및 슈퍼커패시터 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230100827A true KR20230100827A (ko) | 2023-07-06 |
| KR102674629B1 KR102674629B1 (ko) | 2024-06-12 |
Family
ID=87185728
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210190292A KR102674629B1 (ko) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법 및 이로부터 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 및 슈퍼커패시터 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102674629B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040030646A (ko) * | 2001-05-31 | 2004-04-09 | 니뽄페트롤륨리파이닝컴파니리미티드 | 전기 이중층 커패시터용 탄소재료의 원료 조성물 및 이의제조방법 및 전기 이중층 커패시터 및 이의 제조방법 |
| KR101340864B1 (ko) | 2012-03-28 | 2013-12-12 | 비나텍주식회사 | 활성탄-전이금속산화물 복합체 전극 활물질 및 그 제조방법 |
| KR20150054030A (ko) * | 2013-11-08 | 2015-05-20 | 파워카본테크놀로지 (주) | 전극 재료, 이를 포함하는 전기 화학 소자 및 그 제조방법 |
| KR101689479B1 (ko) * | 2015-10-15 | 2016-12-23 | 지에스에너지 주식회사 | 전기이중층 커패시터 전극용 활성탄 및 이의 제조방법 |
-
2021
- 2021-12-28 KR KR1020210190292A patent/KR102674629B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040030646A (ko) * | 2001-05-31 | 2004-04-09 | 니뽄페트롤륨리파이닝컴파니리미티드 | 전기 이중층 커패시터용 탄소재료의 원료 조성물 및 이의제조방법 및 전기 이중층 커패시터 및 이의 제조방법 |
| KR101340864B1 (ko) | 2012-03-28 | 2013-12-12 | 비나텍주식회사 | 활성탄-전이금속산화물 복합체 전극 활물질 및 그 제조방법 |
| KR20150054030A (ko) * | 2013-11-08 | 2015-05-20 | 파워카본테크놀로지 (주) | 전극 재료, 이를 포함하는 전기 화학 소자 및 그 제조방법 |
| KR101689479B1 (ko) * | 2015-10-15 | 2016-12-23 | 지에스에너지 주식회사 | 전기이중층 커패시터 전극용 활성탄 및 이의 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102674629B1 (ko) | 2024-06-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11370665B2 (en) | Method for producing activated carbon | |
| JP3446339B2 (ja) | 活性炭の製造方法 | |
| JP5027849B2 (ja) | 活性炭の製造方法、および該製造方法により得られた活性炭を用いた電気二重層キャパシタ | |
| US8541338B2 (en) | Highly porous activated carbon with controlled oxygen content | |
| KR102113719B1 (ko) | 활성탄 및 이의 제조방법 | |
| JP5271851B2 (ja) | 活性炭の製造方法および該製造方法により得られた活性炭を用いた電気二重層キャパシタ | |
| JP2012507470A5 (ko) | ||
| KR101871174B1 (ko) | 커피콩 추출물을 이용한 활성 탄소의 제조방법 및 이를 포함하는 전지용 전극 | |
| KR100878262B1 (ko) | 비지를 이용한 고성능 활성탄의 제조방법 | |
| KR20200055698A (ko) | 활성탄 및 이의 제조방법 | |
| KR101956993B1 (ko) | 고성능 다공성 활성탄 및 그의 제조방법 | |
| Devi et al. | Rice straw: a major renewable lignocellulosic biomass for value-added carbonaceous materials | |
| KR102040379B1 (ko) | 전극소재용 활성탄의 제조방법 | |
| KR102674629B1 (ko) | 저급 석유코크스를 이용한 슈퍼커패시터 전극용 활성탄의 제조방법 및 이로부터 제조된 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 및 슈퍼커패시터 | |
| JP5563239B2 (ja) | 多孔質炭素材料の製造方法 | |
| KR20140087534A (ko) | 알칼리계 활성화제로 활성화 처리된 활성탄소 및 이를 이용한 슈퍼커패시터용 전극 | |
| CN115231570A (zh) | 一种吸附剂活性炭颗粒及其制备方法 | |
| KR102522123B1 (ko) | 메조 기공 부피와 비표면적이 큰 활성탄소의 제조방법 및 이를 통해 제조된 활성탄소 | |
| Kokulnathan et al. | Introduction to Biowaste‐Derived Materials: Synthesis, Characterization, and Its Properties | |
| KR102157482B1 (ko) | 전극활물질 및 그의 제조방법 | |
| KR102020126B1 (ko) | 전극소재용 활성탄의 제조방법 | |
| KR20210066054A (ko) | Co2-알칼리 복합 활성화를 통한 전기이중층 커패시터용 활성탄 및 그 제조방법 | |
| KR20220063537A (ko) | NaOH-CO2 복합 활성화를 통한 EDLC용 활성탄 및 그 제조방법 | |
| KR20240067150A (ko) | Co2-알칼리 복합 활성화를 통한 고신뢰성 전기이중층 커패시터용 활성탄 및 그 제조방법 | |
| KR100715872B1 (ko) | 수산화칼륨을 이용한 메조포어가 발달된 고축전수퍼캐패시터 전극의 제조 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |