TW201940426A - 用於電極材料的活性碳製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及用於電極材料的活性碳製造方法，包括將活化的碳材料在包括含氯氣體的環境中進行熱處理的步驟，其中，在所述進行熱處理的步驟之後的活化的碳材料中，金屬雜質的含量為0.1ppm至20ppm以下。

Description

用於電極材料的活性碳製造方法
本發明涉及一種用於電極材料的活性碳製造方法。
隨著電子電器技術的發展，各種各樣的個人終端與可擕式電子設備得到普及，並且，隨著對於混合動力電動汽車的研究不斷活躍，電池市場及基於此的能量儲存裝置的適用範圍也不斷擴大。近來，為彌補低電能量密度的傳統的電容器(Capacitor)與低功率密度的二次電池的缺點，研究出能夠瞬間進行高功率充電‧放電的作為電能儲存裝置的電化學電容器。電化學電容器分為雙電層電容器與贗電容器等兩種形態。雙電層電容器與活性碳一起，相對來說導電性好，能夠將與離子接觸的比表面積很大的多孔性材料作為正極與負極的電極材料使用，是能夠將根據雙電層原理儲存的電荷的量最大化的電化學電容器。
一方面，雙電層電容器的技術開發分為活性碳電極、電解液、隔膜製造技術等領域。對於活性碳電極的技術開發主要是圍繞比表面積、氣孔大小分佈、氣孔體積、導電度等進行，並且相關的技術開發使其具有均勻的電壓、對於集電體的附著力，以及低的內電阻等特性。近來，作為雙電層電容器的電極材料的活性碳的氣孔結構與電化學特性的相關關係，成為許多研究所圍繞的主題。研究結果表明，通常充電容量隨著比表面積的增加而增加。並且，當確保一定程度以上的比表面積時，中孔百分比的增加對充電容量的大小產生很大影響。由此，近來，在用於電極材料的活性碳製備技術的研究中，對於最大限度地增加活性碳的比表面積的同時確保中孔百分比，從而提高靜電容量的方法的研究十分活躍。為了減少活性碳中的金屬雜質及氧，多採用熱處理的方式，然而氣孔結構會因熱處理受到破壞，具有比表 面積減少20%至30%的問題。
本發明是為實現上述要求而開發，涉及一種用於電極材料的活性碳製造方法，能夠最小化在熱處理程序中活性碳的比表面積減少的問題，同時能夠有效去除雜質。
但是，在本發明要解決的課題並不局限於如前述的課題，且未提及的其它課題可通過如下說明，為所屬領域具有通常知識的人提供理解上的幫助。
根據本發明的一實施例，涉及一種用於電極材料的活性碳製造方法，包括：在包括一含氯氣體的環境中，對活化的碳材料進行一熱處理的步驟，在所述進行該熱處理的步驟之後的活化的碳材料中，金屬雜質的含量為0.1ppm至20ppm以下。
根據本發明的一實施例，所述製備方法，還包括：準備碳材料的步驟；對所述碳材料進行碳化的步驟；將該碳化的碳材料與一活化劑進行混合的步驟；對與該活化劑混合的碳化的碳材料進行一活化的步驟；對該活化的碳材料進行一洗滌乾燥的步驟；以及在進行該洗滌乾燥的步驟之後，在包括該含氯氣體的環境中，對該活化的碳材料進行該熱處理的步驟。
根據本發明的一實施例，在與該活化劑進行混合的步驟中，該活化劑是鹼性氫氧化物，並且，該活化劑按照對於該碳化的碳材料具有1至5的重量比進行投放。
根據本發明的一實施例，該進行該活化的步驟是在500℃至1000℃的活化溫度中進行。
根據本發明的一實施例，在該進行該活化的步驟之後，活化的碳材料中該活化劑的含量為50ppm以下。
根據本發明的一實施例，進行該洗滌乾燥的步驟，是通過由.酸洗滌、蒸餾水洗滌，以及非活性氣體洗滌組成的群組中選擇的一種以上方法進行。
根據本發明的一實施例，進行該洗滌乾燥的步驟是在50℃ 至200℃的溫度進行乾燥。
根據本發明的一實施例，在進行該洗滌乾燥的步驟之後，該活化的碳材料的pH為6.5至7.5。
根據本發明的一實施例，該含氯氣體包括由HCl、Cl2、CHCl3、ClO2、BCl3、SiCl4、CCl4、CHCl3、COCl2、CHCl3及CH2Cl2組成的群組中選擇的一種以上。
根據本發明的一實施例，該含氯氣體與非活性氣體混合而形成環境，該含氯氣體在形成該環境的氣體中為1至50體積百分比%。
根據本發明的一實施例，該進行該熱處理的步驟是在500℃至1000℃的溫度中進行。
根據本發明的一實施例，在該進行碳化的步驟之後，還包括將該碳化的碳材料粉碎為平均3μm至20μm的步驟。
根據本發明的一實施例，相比該進行該熱處理的步驟之前的活化的碳材料的比表面積，該進行該熱處理的步驟之後的活化的碳材料的比表面積減少20%以下。
根據本發明的一實施例，在該進行該熱處理的步驟之後的活化的碳材料中，氧含量為1%以下。
根據本發明的一實施例，在該進行該熱處理的步驟之後，活化的碳材料中的金屬雜質的含量為0.1ppm至20ppm以下。
本發明涉及一種用於電極材料的活性碳製造方法，使用含氯氣體適用洗滌，防止比表面積的減少，同時能夠有效洗滌氧及金屬雜質。
110‧‧‧準備碳材料的步驟
120‧‧‧對碳材料進行碳化的步驟
130‧‧‧將碳化的碳材料與活化劑進行混合的步驟
140‧‧‧對與活化劑混合的碳化的碳材料進行活化的步驟
150‧‧‧對活化的碳材料進行洗滌乾燥的步驟
160‧‧‧對活化的碳材料進行熱處理的步驟
第1圖為根據本發明的一實施例的活性碳製備方法的示例流程圖。
以下，參照附圖詳細地說明實施例。各附圖中相同的附圖編號表示相同的部件。
以下說明的實施例可施加多種變更。以下實施例不限定實施 形態，應該理解為，包括對這些的所有變更、均等物至代替物。在實施例使.用的用語只是為了說明特定的實施例而使用的，所以不是要限定實施例的意圖。單數的表現除了在內容上明確指定之外，包括複數表現。在本說明書中，「包括」或者「具有」等用語要理解為，指定說明書中記載的特徵、數值、步驟、操作、構成要素、部件或者這些組合的存在，而不是預先排除一個或者其以上的其他特徵或者數值、步驟、操作、構成要素、部件或者這些組合的存在，或者附加可能性。
除了另外被定義，在這裡所使用的包括技術或者科學用語的所有用語與本發明領域的技藝人士一般理解具有相同的意思。一般所使用的事先被定義的用語解析成與有關技術具有意思相同的意思，且除了在本說明書沒有明確的定義，不能解釋成理想的或者過於形式的意思。
此外，參照附圖進行說明中，與附圖符號無關，相同的構成要素賦予相同的參照符號，且對此重複的說明給予省略。在說明實施例的程序中，判斷有關公知技術的具體說明，不必要地模糊實施例的要點時，其詳細說明給予省略。
本發明涉及活性碳的製備方法。參照第1圖並根據本發明的一實施例進行說明。第1圖為根據本發明的一實施例的活性碳的製備方法的示例流程圖，在第1圖中，該製備方法包括：準備碳材料的步驟(110)；對碳材料進行碳化的步驟(120)；將碳化的碳材料與一活化劑進行混合的步驟(130)；對與該活化劑混合的碳化的碳材料進行一活化的步驟(140)；對活化的碳材料進行一洗滌乾燥的步驟(150)；對活化的碳材料進行一熱處理的步驟(160)。
作為本發明的一例，準備碳材料的步驟(110)是準備作為活性碳的主要材料的碳材料的步驟。例如，該碳材料能夠包括由瀝青、焦碳、等方性碳、異方性碳、易石墨化碳、難石墨化碳組成的群組中選擇的一種以上。
作為本發明的一例，對碳材料進行碳化的步驟(120)是為了提高活性碳的結晶度、性能、品質(例如，純度)等，在高溫中將除碳成分外的其他元素和/或雜質等從碳材料中去除的步驟。
例如，在對碳材料進行碳化的步驟(120)中，該碳成分外的成分能夠以油蒸汽的形式蒸發，當完成碳化時，雖根據原有成分存在差異，但能夠獲得相比準備的碳材料的重量減少約3%至40%左右的碳化的碳材料。
例如，在對碳材料進行碳化的步驟(120)中，碳化溫度能夠是600℃至1200℃；600℃至1000℃；600℃至900℃；或者700℃至900℃。若包括在該溫度範圍內，能夠提供高XRD最大峰值強度、高結晶度，以及體現高靜電容量的作為能量儲存裝置的電極的活性碳。
例如，對碳材料進行碳化的步驟(120)能夠在空氣、氧氣、碳化及非活性氣體中的至少一個以上的環境中執行10分鐘至24小時；30分鐘至24小時；1小時至24小時；或者5小時至12小時。例如，該非活性氣體能夠是氬氣、氦氣、氫氣、氮氣等。
作為本發明的一例，在對碳材料進行碳化的步驟(120)之後，還能夠包括對碳化的碳材料進行粉碎的步驟(未圖示)。例如，在該進行粉碎的步驟中，能夠將碳化的碳材料粉碎為平均3μm至20μm粒子大小的粉末。當包括在上述粒子大小範圍內時，該活化劑能夠很好地附著在該碳材料表面，增加碳材料的活化面積。
例如，對該碳化的碳材料進行粉碎的步驟利用機械研磨執行，該機械研磨能夠包括由以下組成的群組中的至少一種以上：滾筒研磨、乳缽研磨、庫瑪、行星式球磨(planetary ball milling)、氣流粉碎、玻珠研磨、及碾磨。
作為本發明的一例，將碳化的碳材料與該活化劑進行混合的步驟(130)，是將從對碳材料進行碳化的步驟(120)中獲得的碳化的碳材料與該活化劑進行混合的步驟。
例如，該活化劑能夠按照相對於該碳化的碳材料具有1至5的重量比進行投放。當包括在該重量比範圍時，能夠提供具有低的比表面積的同時靜電容量等性能得到提高的活性碳。
例如，該活化劑是鹼性氫氧化物，例如，MOH(M=Li、Na、K或Cs的鹼性金屬)。優選地，能夠是KOH、NaOH等。
例如，在活化程序中，該鹼性氫氧化物作為混合物進行投放，.用於調節活性碳的中孔從而增加比表面積，例如，一個鹼性氫氧化物與剩餘鹼性氫氧化物的混合比能夠是1：0.1至1(w/w)。優選地，反應性高的鹼性氫氧化物比反應性略低的剩餘鹼性氫氧化物的混合比能夠為1：0.1至1(w/w)。當包括在該混合比範圍內時，在鹼性活化時能夠形成大的比表面積。
作為本發明的一例，對與該活化劑混合的碳化的碳材料進行該活化的步驟(140)，是對該碳化的碳材料及該活化劑的混合物施加熱(或熱處理程序)，從而分解該活化劑並對該碳化的碳材料表面進行活化，由此形成活化的碳材料(或者活性碳)的步驟。
例如，對與該活化劑混合的碳化的碳材料進行該活化的步驟(140)能夠在500℃以上；500℃至1200℃；500℃至1000℃；或者600℃至800℃的活化溫度中執行。當包括在該溫度範圍時，能夠提供比表面積大，微孔等的形成好，避免因活性碳凝結導致的粒子大小增加問題，以及結晶度優秀的活性碳。
例如，對與該活化劑混合的碳化的碳材料進行該活化的步驟(140)能夠執行10分鐘至24小時；30分鐘至24小時；1小時至24小時；或者5小時至12小時，當包括在該小時範圍內時，能夠實現充分的活化，並且，防止長時間暴露在高溫導致的活性碳間的凝結問題。
例如，對與該活化劑混合的碳化的碳材料進行該活化的步驟(140)能夠在包括空氣、氧氣及非活性氣體中的至少一種以上的環境中實施。例如，該非活性氣體能夠是氬氣、氦氣、氫氣、氮氣等。
作為本發明的一例，在對與該活化劑混合的碳化的碳材料進行活化的步驟(140)之後，還能夠包括對活性碳進行粉碎的步驟(未圖示)。例如，在對該活性碳進行粉碎的步驟中，能夠將其粉碎為平均3μm至20μm粒子大小的粉末。
作為本發明的一例，對活化的碳材料進行該洗滌乾燥的步驟(150)，是對該活化的碳材料進行洗滌乾燥，從而去除雜質等的步驟。
例如，該洗滌乾燥的步驟(150)能夠利用從酸洗滌、蒸餾 水洗滌以及非活性氣體洗滌組成的群組中選擇的一種以上方法執行。
例如，該酸洗滌能夠使用包括無機酸、有機酸或包括兩者的酸性溶液，例如能夠使用由硫酸、鹽酸、硝酸、乙酸、甲酸以及磷酸組成的群組中選擇的一種以上酸性溶液。
例如，在該洗滌乾燥的步驟(150)中，能夠對洗滌的活化的碳材料在50℃至200℃；80℃至200℃；或者90℃至150℃的溫度中乾燥10分鐘以上；10分鐘至40小時；30分鐘至24小時；1小時至24小時；或者5小時至12小時，並且能夠在真空；或者空氣，非活性氣體或者由兩者組成的環境中進行乾燥。
例如，在該洗滌乾燥的步驟(150)之後，該活化的碳材料的pH為6.5至7.5，該活化劑的濃度為50ppm以下；或者30ppm以下。該pH及該活化劑的濃度能夠是洗滌、乾燥或者進行兩個程序之後的數值。
作為本發明的一例，對活化的碳材料進行該熱處理的步驟(160)，是在該洗滌乾燥的步驟(150)之後對該活化的碳材料進行熱處理從而去除雜質等的步驟。例如，能夠去除金屬雜質、氧(例如氧官能基)等。
例如，該熱處理的步驟(160)能夠在包括一含氯氣體的環境中對該活化的碳材料進行熱處理。即，對該活化的碳材料在包括該含氯氣體的環境中進行熱處理，從而有效去除金屬雜質、氧等，同時，防止由於熱處理導致的氣孔結構的破壞，最小化比表面積的減少比例。
例如，該含氯氣體，在不脫離本發明的目的的前提下，能夠不受限制地使用在本發明的技術領域中的適用於活性碳的氣體，包括例如由HCl、Cl2、CHCl3、ClO2、BCl3、SiCl4、CCl4、CHCl3、COCl2、CHCl3及CH2Cl2組成的群組中選擇的一種以上。優選地，該含氯氣體能夠是HCl、Cl2、CHCl3及CH2Cl2。
例如，該含氯氣體能夠單獨或者與活性氣體混合形成熱處理環境，該含氯氣體在形成該環境的氣體中為1至50%(V/V)；5至50%(V/V)；5至40%(V/V)；或者10至30%(V/V)。當包括在該範圍內時，能夠防止氫氣等對氣孔結構的破壞，降低比表面積的減少，提高通過鹽的對金屬雜質等的去除效率。
例如，該熱處理的步驟(160)能夠在300℃以上的溫度；300℃至1000℃；或者500℃至1000℃的溫度進行10分鐘以上；10分鐘至40小時；30分鐘至24小時；1小時至24小時；或者5小時至12小時。當包括在該溫度及小時範圍內時，能夠很好地去除活性碳內的氧及金屬雜質，防止比表面積等的減少。
例如，在該熱處理的步驟(160)之後，活化的碳材料中金屬雜質能夠是0.1ppm至20ppm以下。
例如，在該熱處理的步驟(160)之後，活化的碳材料的比表面積相比進行該熱處理步驟之前的活化的碳材料的比表面積減少20%以下；10%以下；或者5%以下。
例如，在該熱處理的步驟(160)之後，活化的碳材料中氧含量是1%以下；0至1%以下；或者是0.01%至1%。
本發明提供根據本發明的製備方法制備的活性碳，根據本發明的一實施例，該活性碳的結晶度優秀，比表面積高，氧、金屬雜質等的含量低，導電度、電容器性能得到提高。
作為本發明的一例，該活性碳的比表面積為300m2/g至1500m2/g，該活性碳的微孔(Micro-pore)的平均大小為0.6nm至1.3nm。
作為本發明的一例，該活性碳的微孔體積能夠是0.05cm3/g至0.8cm3/g。
作為本發明的一例，該活性碳的導電度能夠是3S/cm至10S/cm。
作為本發明的一例，該活性碳能夠實現均勻的活化，結晶度得到提高。例如，在23°至26°(2θ)具有最大X線回折(XRD)峰值，這樣的結晶度的提高能夠提供具有高靜電容量的能量儲存裝置。
根據本發明的一實施例，本發明能夠提供包括本發明的活性碳的能量儲存裝置。
作為本發明的一例，本發明的能量儲存裝置能夠包括外殼，包括根據本發明的一實施例的活性碳的至少一個以上的電極；隔膜；及電解質。
作為本發明的一例，該能量儲存裝置的靜電容量能夠是30F/cc至55F/cc。
作為本發明的一例，該能量儲存裝置能夠是電容器、鋰二次電池等。
實施例1
將石油焦(Coke)材料碳化10小時後形成的碳化物與該活化劑(KOH：NaOH=1：1(w/w))按照1：5質量比(活性碳：KOH)在攪拌器中混合。之後，將混合物放入爐中，在1000℃的惰性環境中進行5小時的熱處理而進行活化。之後，使用鹽酸水溶液進行洗滌以及反覆水洗3次之後，在100℃的溫度中乾燥40小時。使乾燥的活性碳通過濾篩從而獲得活性碳。
該活性碳在HCl及氫氣、氮氣環境(HCl 20%、H2 10%、N2 70%中)，在1000℃溫度中熱處理10小時後洗滌。
實施例2
除了使用Cl2及氫氣、氮氣環境(Cl2 20%、H2 10%、N2 70%)之外，按照與實施例1相同的方法執行。
實施例3
除了使用HCl及氫氣、氮氣環境(HCl 10%、H2 10%、N2 70%)之外，按照與實施例1相同的方法執行。
實施例4
除了使用HCl及氫氣、氮氣環境(HCl 20%、H2 10%、N2 70%)之外，按照與實施例1相同的方法執行。
實施例5
除了使用HCl及氫氣、氮氣環境(HCl 30%、H2 10%、N2 70%)之外，按照與實施例1相同的方法執行。
實施例6
除了HCl及氫氣、氮氣環境(HCl 60%、H2 10%、N2 70%)之外，按照與實施例1相同的方法執行。
比較例1
除了將活性碳在氫氣及氮氣環境(H2 30%，N2 70%)中進行熱處理與洗滌外，按照與實施例1相同的方法執行。
比較例2
除了將活性碳在氫氣及氮氣環境中進行熱處理與洗滌外，按照與實施例1相同的方法執行。
試驗例
測量實施例1至2及比較例1至2中製備的活性碳的BET及導電度，通過ICP分析測量金屬濃度，通過EA分析測量氧氣濃度，結果如表1所示。
如表1及表2所示，使用HCl氣體，實施例在熱處理洗滌之前及之後的比表面積的減少比率低，氧氣及金屬濃度得到降低。相反，比較例1的比表面積的減少比率低，但能夠確認到金屬濃度的去除率降低。並且，比較例2的比表面積的減少達到20%以上。
如表2所示，將基於鹽酸的濃度的熱處理後的金屬雜質的含量變化，按照通過ICP分析的金屬雜質濃度進行顯示。
如表2所示，當所包括的鹽酸的含量小於40%時，所具有的金屬雜質濃度為20ppm以下，當鹽酸的含量增加到60%時，金屬雜質濃度的減少率低。
所屬技術領域中具有通常知識者，能夠根據上述記載進行多種修改及變更，例如，所說明的技術按照與說明的方法不同的循序執行，和/或說明的構成要素按照與說明的方法不同的形態結合或者組合，或者以其他構成要素或均等物進行替代或置換也能夠達到合理的結果。因此，其他體現，其他實施例及專利請求範圍的等同替代也包括在本發明的專利請求範圍。

Claims (15)

  1. 一種用於電極材料的活性碳製造方法，包括：在包括一含氯氣體的環境中，對活化的碳材料進行一熱處理的步驟，在進行該熱處理的步驟之後的活化的碳材料中，金屬雜質的含量為0.1ppm至20ppm以下。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，該製備方法，還包括：準備一碳材料的步驟；對該碳材料進行碳化的步驟；將該碳化的碳材料與一活化劑進行混合的步驟；對與該活化劑混合的該碳化的碳材料進行一活化的步驟；對該活化的碳材料進行一洗滌乾燥的步驟；以及在進行該洗滌乾燥的步驟之後，在包括該含氯氣體的環境中，對該活化的碳材料進行該熱處理的步驟。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，在與該活化劑進行混合的步驟中，該活化劑是鹼性氫氧化物，並且，該活化劑按照對於該碳化的碳材料具有1至5的重量比進行投放。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，進行該活化的步驟是在500℃至1000℃的活化溫度中進行。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的用於電極材料的活性碳製造 方法，在進行該活化的步驟之後，活化的碳材料中該活化劑的含量為50ppm以下。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，進行該洗滌乾燥的步驟，是通過由酸洗滌、蒸餾水洗滌，以及非活性氣體洗滌組成的群組中選擇的一種以上方法進行。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，進行該洗滌乾燥的步驟是在50℃至200℃的溫度進行乾燥。
  8. 如申請專利範圍第2項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，在進行該洗滌乾燥的步驟之後，該活化的碳材料的pH為6.5至7.5。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，該含氯氣體包括由HCl、Cl2、CHCl3、ClO2、BCl3、SiCl4、CCl4、CHCl3、COCl2、CHCl3及CH2Cl2組成的群組中選擇的一種以上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，該含氯氣體與非活性氣體混合而形成環境，該含氯氣體在形成該環境的氣體中为1至50體積百分比%。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的用於電極材料的活性碳製造 方法，進行該熱處理的步驟是在500℃至1000℃的溫度中進行。
  12. 如申請專利範圍第2項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，在該進行碳化的步驟之後，還包括將該碳化的碳材料粉碎為平均3μm至20μm的步驟。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，相比進行該熱處理的步驟之前的活化的碳材料的比表面積，進行該熱處理的步驟之後的活化的碳材料的比表面積減少20%以下。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，在進行該熱處理的步驟之後的活化的碳材料中，氧含量为1%以下。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的用於電極材料的活性碳製造方法，在進行該熱處理的步驟之後，活化的碳材料中的金屬雜質的含量为0.1ppm至20ppm以下。
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