KR101432598B1 - 탄소 원료의 전처리 방법 및 그를 이용하여 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 원료의 전처리 방법 및 그를 이용하여 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료, 바람직하게는 활성탄에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄소 원료 100 중량부에 퀴놀린 40 중량부 이상, 바람직하게는 50 내지 100 중량부를 첨가하여 혼합한 후, 이 혼합물을 열처리함으로써 정전용량이 높은 탄소 재료를 제공하는 전처리 방법 및 그를 이용하여 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료에 관한 것이다.

커패시터, 전극, 탄소, 전처리, 퀴놀린, 활성탄

Description

탄소 원료의 전처리 방법 및 그를 이용하여 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료{A method of pre-heat treatment of carbon material and a carbon material for electrode of capacitor prepared by using the same}

본 발명은 탄소 원료의 전처리 방법 및 그를 이용하여 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료, 바람직하게는 활성탄에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄소 원료 100 중량부에 퀴놀린 40 중량부 이상, 바람직하게는 50 내지 100 중량부를 첨가하여 혼합한 후, 이 혼합물을 열처리함으로써 정전용량이 높은 탄소 재료를 제공하는 전처리 방법 및 그를 이용하여 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료에 관한 것이다.

커패시터의 정전용량은 전극의 표면적, 단위 면적당의 전극 저항 등에 의해 주로 지배된다. 따라서, 실용적인 측면에서는 전극을 구성하는 재료의 단위 체적당 정전용량을 높게 하고, 전기 이중층 커패시터의 체적을 적게 하기 위하여 전극 재료 자체의 밀도를 높이는 것이 중요하다.

커패시터 전극용 탄소 재료로서 주로 사용되는 활성탄은, 통상적으로 석탄, 석탄 코크스, 목재, 야자껍질, 피치 등의 원료 물질을 수증기, 가스 등의 산성 조 건하에서 활성화시키거나, 또는 수산화칼륨과 같은 강산화력을 갖는 약품에 의해 활성화시켜 제조된다.

이러한 방법에 의해 활성탄을 제조하기에 앞서, 활성화될 탄소 원료를 전처리함으로써 결과 활성탄의 정전용량을 높이는 기술이 보고되어 있는데(체적당 고정전용량 활성탄의 제조, 1A06, 제30회 탄소재료학회년회요지집, 2003년, 일본탄소학회), 이 자료에서는, 탄소 원료를 800℃로 전처리한 후 700∼900℃에서 활성화하여 높은 정전용량을 갖는 활성탄을 제조할 수 있는 것으로 기술하고 있다.

그러나, 이 방법으로 전처리할 경우, 전처리 온도가 너무 높아서 탄소 원료의 결정화도가 높아질 수 있기 때문에, 사용되는 원료에 따라서 이후의 활성화가 효율적으로 수행되지 못하는 단점이 있다.

따라서, 상대적으로 낮은 온도에서 탄소 재료, 바람직하게는 활성탄의 정전용량을 높일 수 있는 전처리 기술에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 본 발명의 목적은, 화학활성법 또는 스팀활성법 등에 의하여 커패시터 전극용 탄소 재료를 제조하기 이전에, 퀴놀린을 사용하여 탄소 원료를 전처리함으로써 결과적으로 전극용 탄소 재료의 정전용량을 높일 수 있는 간단하고 효율적인 전처리 방법 및 그를 이용하여 제조되는 커패시터 전극용 탄소 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 첫번째 측면에 따르면, (1) 탄소 원료 100 중량부에 퀴놀린 40 중 량부 이상을 첨가하여 혼합하는 단계; 및 (2) 상기 (1)단계에서 얻어진 혼합물을 열처리하는 단계를 포함하는 탄소 원료의 전처리 방법이 제공된다.

또한 본 발명의 두번째 측면에 따르면, 본 발명의 상기 전처리 방법에 의하여 전처리된 탄소 원료를 활성화하여 제조되는 것을 특징으로 하는 커패시터 전극용 탄소 재료가 제공된다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 있어서, 상기 탄소 원료는 후술하는 스팀활성법 또는 화학활성법에 의하여 고정전용량의 탄소 재료로 제조될 수 있는 탄소함유 유기물질로서, 바람직하게는 석탄계 및 석유계 피치, 코코넛 차르(char), 석탄계 및 석유계 코크스 및 이들의 혼합물로부터 선택된다.

본 발명에 있어서, 상기 탄소 원료와 혼합되는 퀴놀린의 양은 탄소 원료 100 중량부당 40 중량부 이상이다. 퀴놀린의 사용량이 탄소 원료 100 중량부당 40 중량부 미만이면 퀴놀린이 탄소 원료에 충분히 접촉하지 못하게 되어 퀴놀린과 탄소 원료 간의 효과적인 반응을 기대하기 어렵다. 한편, 퀴놀린 전처리에 의한 탄소 재료의 정전용량 개선효율을 극대화하기 위해서는 탄소 원료 100 중량부당 50 내지 100 중량부의 퀴놀린이 사용되는 것이 바람직하다.

상기 탄소 원료와 퀴놀린의 혼합에는 혼련기 등과 같은 공지의 혼합 설비 내지 방법이 제한없이 사용될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 탄소 원료와 퀴놀린의 혼합물은 열처리를 거치게 되는데, 탄소 원료의 결정화도를 적절한 수준으로 유지하고 이에 따라 정전용량을 효 율적으로 개선할 수 있다는 측면에서 열처리 온도는 400℃ 이하인 것이 바람직하고, 200℃ 내지 300℃인 것이 보다 바람직하다. 열처리 온도가 400℃를 초과하면 탄소 원료의 결정화도가 지나치게 높아질 우려가 있는데, 결정화도가 지나치게 높을 경우 사용되는 원료에 따라서 이후의 활성화가 효율적으로 수행되지 못할 수도 있다.

상기 탄소 원료와 퀴놀린의 혼합물을 열처리함에 있어서, 열처리 시간에는 특별한 제한이 없으나, 열처리의 효율을 극대화한다는 측면에서 열처리는 30분 내지 60분간 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 전처리 방법에 따라 전처리된 탄소 원료는, 이후 수증기, 가스 등의 산성 조건하에서 활성화시키거나(스팀활성법), 또는 수산화나트륨, 수산화칼륨과 같은 강산화력을 갖는 약품에 의해 활성화시켜(화학활성법) 고정전용량을 갖는 탄소 재료, 바람직하게는 활성탄으로 제조된다. 본 발명의 상기 전처리 방법에 따라 전처리된 탄소 원료를 활성화시켜 활성탄으로 제조하는 방법에는 특별한 제한이 없으며, 통상의 활성탄 제조방법이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 전처리된 탄소 원료와 수산화칼륨(KOH)을, 탄소 원료:KOH = 4:1의 중량비로 혼합한 후, 700℃에서 열처리하는 통상의 활성화 방법에 의하여 고정전용량을 갖는 활성탄을 제조한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 전처리 방법에 의하여 전처리된 탄소 원료를 활성화하여 제조되는 탄소 재료는 일반적으로 1000 ㎡/g 내지 2500 ㎡/g 정도의 비표면적을 가지며, 전처리되지 않은 활성탄에 비하여 정전용량이 매우 우수하기 때문 에 커패시터 전극용 재료로서 특히 적합하다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1~10 및 비교예 1~2]

석탄계 피치 100 중량부에 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 양의 퀴놀린을 첨가하여 충분히 혼합한 후, 230℃에서 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 시간 동안 박스 로 내에서 열처리함으로써 전처리를 수행하였다.

상기 전처리된 탄소 원료와 수산화칼륨(KOH)을, 탄소 원료:KOH = 4:1의 중량비로 혼합한 후, 700℃에서 열처리하여 활성화사킴으로써 활성탄을 제조하였다. 제조된 활성탄의 정전용량을 정전류법에 의거 충방전 측정 장비를 사용하여 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

	퀴놀린 함량 (중량부)	열처리시간 (분)	정전용량 (F/cc)
실시예 1	40	45	61.1
실시예 2	50	45	66.1
실시예 3	75	45	65.7
실시예 4	100	45	67.5
실시예 5	110	45	66.9
실시예 6	75	20	63.9
실시예 7	75	30	66.4
실시예 8	75	60	68.9
실시예 9	75	70	68.1
비교예 1	0	45	59.7
비교예 2	75	열처리안함	58.4

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예 1~9의 경우, 비교예 1 및 2에 비하여 모두 우수한 정전용량을 나타내었다. 반면, 퀴놀린을 첨가하지 않고 열처리만 수행하거나(비교예 1), 퀴놀린을 첨가하더라도 가열 전처리를 하지 않은 경우(비교예 2) 모두 만족스럽지 못한 낮은 정전용량을 나타내었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 정전용량이 높은 커패시터 전극용 탄소 재료를 간단하고 또한 효율적으로 얻을 수 있다.

Claims (6)

1. (1) 탄소 원료 100 중량부에 퀴놀린 75 내지 100 중량부를 첨가하여 혼합하는 단계; 및 (2) 상기 (1)단계에서 얻어진 혼합물을 200℃ 내지 300℃에서 45분 내지 60분간 열처리하는 단계를 포함하는, 커패시터 전극 제조용 탄소 원료의 전처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 탄소 원료는 석탄계 및 석유계 피치, 코코넛 차르, 석탄계 및 석유계 코크스 및 이들의 혼합물로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 전처리 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제