KR20160119846A - 활성탄의 형성 방법 - Google Patents

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아툴 쿠마
지아 리우
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Abstract

탄소 입자는 활성화 가스에 노출되어 활성탄을 형성한다. 상기 탄소 입자의 모폴로지는 활성화 전에 조절된다. 효율적인 활성화는 상기 탄소 입자의 원형도를 최대화하고 신율을 최소화하여 달성될 수 있다.

Description

활성탄의 형성 방법 {METHOD FOR FORMING ACTIVATED CARBON}
본 출원은 2014년 2월 11일자에 출원한 미국 특허출원 제14/177,685호에 우선권을 주장하고, 이의 전체적인 내용은 참조로 여기에 혼입된다.
본 개시는 활성탄의 형성 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 높은 에너지 밀도를 갖는 활성탄을 형성하기 위한 물리적 활성화 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 활성탄을 포함하는 탄소-계 전극을 포함하는 고 전압 EDLC은 개시된다.
울트라커패시터 (ultracapacitors)와 같은 에너지 저장 장치는 이산 전력 펄스가 요구되는 것과 같은 다양한 적용에 사용될 수 있다. 대표적인 적용은 휴대폰에서 하이브리드 자동차에 이른다. 또한, 전기 이중층 커패시터 (EDLCs)와 같은 울트라커패시터는 높은 전력, 긴 반감기, 및/또는 긴 수명을 요구하는 적용에서 배터리에 대한 대체품 또는 보조품으로서 알려져 있다. 울트라커패시터는 통상적으로 다공성 분리막 및 한 쌍의 탄소-계 전극 사이에 샌드위치된 유기 전해질을 포함한다. 에너지 저장은 전극 및 전해질 사이에 계면에서 생성된 전기 이중층에서 전기 전하를 분리 및 저장하여 달성된다. 이들 장치의 중요한 특징은 이들이 제공할 수 있는 에너지 밀도 및 전력 밀도이고, 이들 모두는 전극으로 혼입된 탄소의 특성에 의해 주로 결정된다.
에너지 저장 장치에 혼입하는데 적합한 탄소-계 전극은 알려져 있다. 활성탄 (Activated carbon)은 이의 큰 표면적, 전기 전도도, 이온 정전용량 (capacitance), 화학적 안정성, 및/또는 낮은 비용에 기인하여 울트라커패시터에서 다공성 물질로서 널리 사용된다. 활성탄은 페놀성 수지와 같은 합성 전구체 물질, 또는 석탄 및 바이오매스와 같은 천연 전구체 물질로 구성될 수 있다. 합성 및 천연 전구체 모두에서, 상기 활성탄은 먼저 전구체를 탄화시키고, 그 다음 중간 생산물을 활성화하여 형성될 수 있다. 상기 활성화는 상기 탄소의 공극율 (porosity), 따라서 표면적을 증가시키기 위한 상승된 온도에서 물리적 (예를 들어, 스팀) 또는 화학적 (예를 들어, KOH) 활성화를 포함할 수 있다.
물리적 및 화학적 활성화 공정 모두는 통상적으로 활성화제와 탄화 물질을 가열 및 반응시키기 위한 많은 열처리 경비를 포함한다. 화학적 활성화의 경우에서, 부식성 부산물은 탄화 물질이 가열되고 KOH와 같은 활성화제와 반응되는 경우 형성될 수 있다. 부가적으로, 탄화 물질 및 화학적 활성화제의 가열 및 반응 동안 발생할 수 있는 상 변화 (phase changes)는 공정 동안 원하지 않는 혼합물의 응집 (agglomeration)을 결과할 수 있다. 이 결점은 전체 공정, 특히 연장된 시간동안 상승된 온도에서 수행되는 반응 동안, 복잡성 및 비용을 부가시킬 수 있다.
따라서, 부식 및/또는 응집의 기술적 문제를 최소화하면서 좀 더 경제적인 활성화 경로를 사용하여 활성탄 물질을 형성하기 위한 공정 및 활성탄 물질을 제공하는 것은 이점이 있을 것이다. 최종 활성탄 물질은 높은 표면적 대 부피 비 및 특히, 상승된 전압에서 유기 전해질과, 최소 반응성을 보유할 수 있고, 효율적이며, 긴-수명 및 높은 에너지 밀도의 장치를 가능하게 하는 탄소-계 전극을 형성하는데 사용될 수 있다.
본 개시의 구체 예에 따르면, 활성탄을 제작하는 방법은 스팀 또는 이산화탄소와 같은 가스 활성화제에 미리 정해진 모폴로지 (morphology)를 갖는 탄소 입자를 노출하는 단계를 포함한다. 최종 활성탄의 정전용량 (capacitive) 성능에서 수반되는 개선 및 효율적인 활성화는 활성화 가스에 노출된 탄소 입자의 물리적 특색을 조절하여 영향받을 수 있다.
다양한 구체 예에서, 탄소 입자는 활성탄을 형성하기 위해 활성화 가스에 탄소 입자를 노출하면서 활성화 온도에서 가열된다. 상기 활성화 온도는 300℃ 내지 1000℃의 범위, 예를 들어, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 또는 1000℃, 또는 전술된 값 중 어느 둘 사이의 범위를 포함할 수 있다. 상기 활성화 가스는 수증기, 이산화탄소, 산소, 공기, 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있다.
다양한 구체 예에서, 상기 입자의 모폴로지는 일반적으로 구형의, 비-신장형 입자가 활성화되도록 조절된다. 일 실시 예의 방법에서, 상기 활성화 가스에 노출된 탄소 입자의 수-가중 신율 (number-weighted elongation)은 0.15 이하의 모달 값 (modal value)을 갖는다. 또 다른 실시 예의 방법에서, 상기 활성화 가스에 노출된 탄소 입자의 수-가중 고감도 원형도 (high sensitivity circularity)은 0.8 이상인 평균값을 갖는다. 관련 구체 예에서, 상기 활성화 가스에 노출된 탄소 입자의 적어도 70% (예를 들어, 적어도 70, 80, 또는 90%)의 수-가중 고감도 원형도는 0.8 이상이다. 또 다른 실시 예의 방법에서, 상기 탄소 입자는 0.15 이하의 모달 값을 갖는 수-가중 신율 및 0.8 이상의 수-가중 고감도 원형도 평균값 모두를 가질 수 있다.
본 개시의 주제의 부가적인 특색 및 장점은 하기 상세한 설명에서 서술될 것이고, 부분적으로 하기 상세한 설명으로부터 기술분야의 당업자에게 쉽게 명백하거나 또는 하기 상세한 설명, 청구항, 뿐만 아니라 첨부된 도면을 포함하는, 여기에 기재된 바와 같은 본 개시의 주제를 실행시켜 인지될 것이다.
전술한 배경기술 및 하기 상세한 설명 모두는 본 개시의 주제의 구체 예를 제공하고, 청구된 바와 같은 본 개시의 주제의 본질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀거리를 제공하도록 의도된 것으로 이해될 것이다. 첨부된 도면은 본 개시의 주제의 또 다른 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서의 일부를 구성하고 혼입된다. 도면은 본 개시의 주제의 다양한 구체 예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 개시의 주제의 원리 및 작동을 설명하기 위해 제공된다. 부가적으로, 도면 및 상세한 설명은 단지 예시적인 것이지, 어떤 방식으로도 청구항의 범주를 제한하는 것은 아니다.
본 개시의 특정 구체 예의 하기 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하면 더 용이하게 이해될 것이며, 도면에서 동일한 구조는 동일한 참조 번호로 표시된다:
도 1은 대표 울트라커패시터의 개략도이다;
도 2는 구체 예에 따른 탄소 물질에 대한 신율 분포 (elongation distribution)를 나타내는 그래프이다;
도 3은 하나의 구체 예에 따른 탄소 물질에 대한 고감도 원형도 분포 (high sensitivity circularity distribution)를 나타내는 그래프이다;
도 4는 구체 예에 따른 탄소물질에 대한 고감도 원형도 분포를 나타내는 그래프이다;
도 5는 구체 예에 따른 탄소 물질에 대한 고감도 원형도 분포를 나타내는 그래프이다;
도 6은 구체 예에 따른 탄소 물질에 대한 고감도 원형도를 나타내는 그래프이다.
이하 기준은 본 개시의 주제의 다양한 구체 예에 대해 좀 더 상세하게 만들어질 것이고, 이의 몇 가지 구체 예들은 수반되는 도면에 예시된다. 동일한 참조 번호는 동일하거나 또는 유사한 부품에 대하여 도면 전체적으로 사용될 것이다.
다양한 구체 예에 따르면, 활성탄의 형성 방법은 활성화 가스에 탄소 입자를 노출하면서 활성화 온도에 탄소 입자 공급원료를 가열시키는 단계를 포함한다. 상기 탄소 입자의 가열 및 활성화 가스에 노출은, 예를 들어, 로터리 킬른 (rotary kiln)에서 수행될 수 있다. 로터리 킬른 대신에, 대체 가능한 반응 챔버는 탄소 입자의 유동화된 분산을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄소 입자 모폴로지는, 최종 활성탄의 특성을 향상시키면서, 또한 처리량을 증가하고, 비용을 최소화할 수 있는, 효율적인 활성화를 촉진하기 위해 선택된다. 구체 예에서, 상기 탄소 입자의 수-가중 신율은 0.15 이하의 모달 값을 갖는다. 예를 들어, 상기 탄소 입자의 수-가중 신율은 0.15, 0.14, 0.12, 0.10, 0.08, 0.06, 0.04 또는 0.02 이하, 또는 전술된 것들 사이의 범위를 포함하는, 모달 값을 가질 수 있다. 상기 탄소 입자의 수-가중 신율은 0의 모달 값을 가질 수 있다. 선택적으로, 상기 탄소 입자의 수-가중 신율은 0 초과, 즉, 0 < E ≤ 0.15의 모달 값을 가질 수 있다.
여기에 정의된 바와 같은, 입자 신율, E는 1-(W/L)과 같고, 여기서 W는 입자 폭이고, L은 0≤E<1이 E의 가능한 값을 나타내는 입자 길이 (W≤L)이다. 따라서, 원형 입자 및 사각형 입자 (W=L) 모두는 0과 같은 신율을 갖는다. 신율은 입자 침상도 (acicularity)와 함께 증가한다. 폭의 세 배의 길이를 갖는 직사각형 입자는 0.67과 같은 신율을 가지며, 반면에 폭의 10배의 길이를 갖는 직사각형 입자는 0.9와 같은 신율을 갖는다.
또 다른 구체 예에서, 탄소 입자의 신율을 조절하는 대신에 또는 부가하여, 활성화 가스에 노출된 탄소 입자의 수-가중 고감도 원형도는 0.8 이상의 평균값을 갖는다. 예를 들어, 상기 활성화 가스에 노출된 탄소 입자의 고감도 원형도의 평균값은 0.8, 0.85, 0.9 또는 0.95 이상, 또는 전술된 것들 사이의 범위를 포함할 수 있다. 관련된 구체 예에서, 상기 활성화 가스에 노출된 탄소 입자의 적어도 70% (예를 들어, 적어도 70, 80 또는 90%)의 수-가중 고감도 원형도는 0.8 이상이다. 상기 탄소 입자의 수-가중 고감도 원형도는 1 미만, 예를 들어, 0.8 ≤ Ψ < 1의 평균값을 가질 수 있다. 따라서, 구체 예에서, 대다수의 탄소 입자는 실질적으로 구형일 수 있지만, 구형이 아닐 수도 있다. 또 다른 구체 예에서, 상기 입자는 실질적으로 구형이지만, 구형 입자는 배제된다.
여기에 정의된 바와 같이, 고감도 원형도, Ψ은 원형도, C의 제곱 (즉, Ψ=C2)과 같고, 여기서 입자의 치밀도 (compactness)의 측정인, 원형도 C는, 0<C≤1가 C의 가능한 값을 나타내도록, 상당-면적 (equivalent-area) 원의 원주 대 입자의 실제 원주 (둘레)의 비와 같다, C=Peq/P.
원은 1과 같은 원형도를 가지며, 반면 정사각형은 약 0.89와 같은 원형도를 갖는다. 폭의 세 배의 길이를 갖는 직사각형 입자의 원형도는 약 0.77과 같고, 폭의 10배의 길이를 갖는 직사각형 입자는 0.51과 같은 원형도를 갖는다.
다양한 입자 모양에 대한 신율, 원형도, 및 고감도 원형도는 하기 표 1에 요약되었다.
정량화된 입자 기하학
모양 신율, E 원형도, C 고감도 원형도, Ψ
원형 0 1 1
타원형 (1.15:1) 0.13 0.995 0.99
정사각형 0 0.89 0.79
직사각형 (3:1) 0.67 0.77 0.59
직사각형 (10:1) 0.9 0.51 0.26
탄소 입자의 정량화된 모양, 즉, 신율, 원형도 및 고감도 원형도가, 3-차원 입자의 2-차원 투사로부터 유래되는 것을 인식할 것이다.
활성화 전 및 후에 탄소 입자의 모폴로지는 Morphologi G3SE 입자 크기 및 입자 모양 이미지 분석기를 사용하여 특징화된다. 샘플은 휘발성 유기 용매 및 저농도의 레시틴 (대략 0.01%)으로 증발 기술을 사용하여 준비된다. 샘플은 표준 현미경 슬라이드 상에 제제를 분산시키기 전에 10분 동안 저전력 초음파 세척기에서 초음파처리된다. 50X 대물 렌즈는 사용된다. 상세한 측정 절차는 표 2에 요약된다.
이미지 분석의 아스팩트 (aspect)는 각 개별 입자 이미지가 저장되어서, 수-기반 (number-based) (뿐만 아니라 부피-기반) 분석을 가능하게 만든다. 부가적으로, 개별 입자 이미지의 저장은 분석으로부터 원하지 않는 입자의 여과를 가능하게 한다. 통상적으로, 100 픽셀 미만의 소수 입자를 포함하는 입자 이미지는 소프트웨어 필터를 사용하여 제거된다. 수-기반 카운팅 기술 (number-based counting technique)에서, 모든 입자는 분포에서 동일 가중치 (equal weighting)를 갖는다. 큐빅 변형 (cubic transformation)은 부피에 의해 볼 수 있도록 입자 크기 분포를 가능하게 한다. 부피-가중 분포에서, 하나의 100㎛ 입자는 천 개의 10㎛ 입자로서 분포에 동일한 기여 (contribution)를 갖는다. 따라서, 작은 입자의 기여는 수 기준 (number basis)으로 고려된 경우 좀 더 두드러지는 반면에, 부피-가중 분포는 큰 크기의 입자를 강조한다.
불연속 플롯 (Discretized plots)은 Morphologi G3SE 소프트웨어로부터 얻어진 분산도 (scattergram)로부터 발생된다. 상기 분산도는 밀도 플롯이며, 그래서 어두운 색상은 제공된 영역에 더 많은 입자를 나타낸다. 이 전환을 위해 활용된 불연속 설정은 하한 설정이 0이고 상한 설정이 75를 갖는 "강도 (intensity)"이다.
입자 모폴로지 측정 파라미터
측정 제어 1 플레이트 (plate)
샘플 캐리어 4 슬라이드 플레이트
틸트 (tilt)용 보상 활성화 (Enabled)
광학적 선택 (명목 입자 크기 범위) 50X (0.5 - 40 ㎛)
입자 스티칭 (Stitching)/오버랩 할 수 없음 / 40%
초점 고정
역치 (Threshold) 15, 그레이 스케일 (gray scale)
스캔 면적 원형, 2 mm 반경
트래쉬 크기 (Trash size) 10 pixels
분석 설정 가능한 홀 채움 (Hole filling),
불가능한 워터쉐드 (watershed)
필터 고형성 (Solidity) < 0.900; 면적 (pixels) < 100 (모양 평가)
탄소 입자는 다양한 물질로부터 합성될 수 있다. 구체 예에 따르면, 탄소 입자 공급원료는 탄소 전구체로부터 유래된 탄화 물질 또는 석탄과 같은 탄화 물질을 포함할 수 있다. 대표 탄소 전구체는, 넛트 껍질, 나무, 바이오매스, 등과 같은 천연 물질 및 폴리(비닐알코올) 및 (폴리)아크릴로니트릴, 등을 포함하는 페놀성 수지와 같은, 합성물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 탄소 입자 공급원료는 밀가루, 호두가루, 옥수수 가루, 옥수수 전분, 옥수수 밀, 쌀가루, 및 감자 가루와 같은 식용 가능한 곡물로부터 유래될 수 있다. 다른 탄소 전구체는 코코넛 겉껍질, 비트, 수수 (millet), 대두 (soybean), 보리, 및 면화 (cotton)를 포함한다. 상기 탄소 전구체는 유전조작될 수 있거나, 또는 되지 않은 농작물 또는 식물로부터 유래될 수 있다.
또 다른 대표 탄소 전구체 물질 및 탄소 공급원료 물질을 형성하는 연관된 방법은 공동-소유된 미국 특허출원 제12/335,044호, 제12/335,078호, 제12/788,478호 및 제12/970,073호에 개시되며, 이들의 전체적인 내용은 참조로 여기에 혼입된다.
탄소 전구체 물질은 불활성 또는 환원 분위기에서 가열하여 탄소 입자 공급원료를 형성하기 위해 탄화될 수 있다. 대표 불활성 또는 환원 가스 및 가스 혼합물은 수소, 질소, 암모니아, 헬륨 및 아르곤 중 하나 이상을 포함한다. 대표 공정에서, 탄소 전구체는 미리결정된 시간 (예를 들어, 0.5, 1, 2, 4, 8 이상의 시간)동안 약 500℃ 내지 900℃ (예를 들어, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850 또는 900℃)의 온도에서 가열될 수 있고, 그 다음 선택적으로 냉각된다. 탄화 동안, 상기 탄소 전구체는 탄소 입자 공급원료를 형성하기 위해 분해된다. 구체 예에서, 상기 탄화는 극초단파 에너지로 가열하거나 또는 종래의 가열로를 사용하여 수행될 수 있다.
탄화 후에, 상기 탄소 공급원료의 입자는 밀링 또는 그라인딩에 의해 가공처리될 수 있다. 예를 들어, 탄소 공급원료는 100 microns 미만, 예를 들어, 100, 50, 20 또는 10 microns의 평균 (D50) 입자 크기로 밀링될 수 있다. 구체 예에서, 상기 탄소 공급원료는 약 2, 5, 10, 20, 50 또는 100 microns의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 상기 탄소 공급원료의 입자 크기는 5 내지 10 microns, 5 내지 20 microns, 10 내지 20 microns, 5 내지 50 microns, 10 내지 50 microns 또는 20 내지 50 microns의 범위일 수 있다. 전체 평균 입자 크기에 부가하여, 신율 및 원형도를 포함하는, 탄소 입자의 모폴로지는, 밀링 및/또는 그라인딩에 의해 영향받을 수 있다.
탄화를 통해 형성된 탄소 물질은 활성화 가스에 노출에 의해 활성화될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 활성화는 활성탄 물질을 생산하기 위해 활성화 가스-함유 분위기에 노출 동안에 활성화 온도로 탄화 또는 열분해 물질을 가열하는 공정을 의미한다. 상기 활성화 공정은 일반적으로 처리될 물질로부터 표면 물질의 제공된 부피를 제거하여, 증가된 표면적을 결과한다. 다양한 구체 예에서, 상기 활성화 온도는 약 700℃ 내지 1100℃의 범위일 수 있다.
하나의 구체 예에서, 상기 활성화 공정은 로터리 킬른을 사용하여 조절된 분위기하에서 수행될 수 있다. 로터리 킬른은 작동 동안 축에 대하여 회전되는, 수평에 대해 다소 기울어진, 실린더형 용기를 포함한다. 활성화될 탄소 입자 공급원료는 실린더 상부 말단으로 주입된다. 상기 킬른이 회전함에 따라, 상기 탄소 입자는 하부 말단을 향하여 아래로 움직이고, 교반 및/또는 혼합을 수행할 수 있다. 활성화 가스는, 때때로, 탄소 입자의 움직임과 동일한 방향으로, 킬른 내에서 흐르지만 (병-류), 일반적으로 반대 방향 (역-류)으로 흐른다. 킬른 내에 탄소 입자 공급원료의 연속적 움직임은 효율적인 가스-고체 상호작용을 가능하게 한다. 상기 활성화 가스는, 예를 들어, 외부 가열로에서 가열될 수 있거나, 또는 킬른 내의 화염에 의해 가열될 수 있다. 이러한 화염은 대형 분젠 (Bunsen) 버너와 같이 작용하는 버너-파이프 (또는 "소성 파이프 (firing pipe"))로부터 발사된다.
로터리 킬른에 대한 대안으로서, 상기 탄소 입자는 공동 소유되고, 출원중인 미국 특허출원 제13/590,682호에 기재된 바와 같은 유동층에서 활성화될 수 있고, 이의 전체적인 내용은 참조로서 여기에 혼입된다.
상기 활성탄은, 예를 들어, 산성 용액으로 세척될 수 있다. 상기 세척은 재 (ash) 함량을 감소시키고, 원치않는 불순물을 제거할 수 있다. 상기 활성탄을 세척하기 위한 하나의 공정은 물 및 산으로 상기 활성탄을 연속적으로 헹구는 단계를 포함한다. 또 다른 세척 공정은 수성 산 혼합물 (즉, 산 및 물의 혼합물)로 활성탄을 헹구는 단계를 포함한다. 상기 세척 동안 사용된 산은 염산 및 황산을 포함할 수 있다. 상기 세척은 90℃-100℃의 온도에서 수행될 수 있다.
또 다른 구체 예에서, 세척에 부가하여 또는 대신하여, 상기 활성탄은 불활성 또는 환원 분위기에서 열 처리될 수 있다. 선택적인 열 처리는 활성탄에서 산소의 농도를 제거 또는 낮출 수 있다. 예를 들어, 이러한 열 처리는 활성탄 표면으로부터 산소-함유 작용기를 제거할 수 있다. 산소 함량을 감소시키기 위한 하나의 방법은 (질소, 헬륨, 아르곤 등과 같은) 불활성 환경에서, 또는 수소, 형성 가스, 일산화탄소, 등과 같은 환원 환경에서 활성탄 물질을 정제 (가열)하는 것이다.
활성탄 정제는 레토르트 가열로 (retort furnace) (CM Furnaces, Model 1212FL)에서 수행될 수 있다. 가열로 온도는 바람직한 정제 열처리 온도 (예를 들어, 500-900℃)로 200℃/hr의 속도로 증가될 수 있고, 적절한 시간동안 (예를 들어, 2시간) 유지될 수 있으며, 그 다음 주변 분위기에 노출 전에 실온으로 냉각될 수 있다.
구체 예에서, 상기 활성탄은 세척 단계 및 열 처리 모두로 처리될 수 있고, 두 공정이 수행되는 경우, 상기 세척 단계는 열 처리 전 또는 후에 수행될 수 있다.
세척 및/또는 열 처리를 통한 활성탄에서 흡수된 표면 기 (surface groups) 및 불순물의 최소화는, 특히 상승된 전압에서, 전지 작동 동안 이러한 종들과 전해질이온 사이에서 원하지 않는 반응의 발생을 감소시킬 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 상기 활성탄은 10 wt.% 미만의 총 산소 함량을 포함한다. 부가적인 구체 예에서, 상기 총 산소 함량은 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 또는 0.5 wt.% 미만이다.
상기 활성탄은 마이크로-, 메조- 및/또는 매크로스케일 (macroscale) 공극율을 포함할 수 있다. 여기에 정의된 바와 같이, 마이크로스케일 기공은 2nm 이하의 기공 크기를 갖고, 울트라마이크로 기공은 1nm 이하의 기공 크기를 갖는다. 메조스케일 기공은 2 내지 50nm 범위의 기공 크기를 갖는다. 매크로스케일 기공은 50nm 초과의 기공 크기를 갖는다. 구체 예에서, 상기 활성탄은 다수의 마이크로스케일 기공을 포함한다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어 "미세다공 탄소" 및 이의 변형은 다수 (즉, 적어도 50%)의 마이크로스케일 기공을 갖는 활성탄을 의미한다. 마이크로다공성의, 활성탄 물질은 50%를 초과하는 마이크로다공성 (예를 들어, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95%를 초과하는 마이크로다공성)을 포함할 수 있다.
구체 예에 따르면, EDLC용 탄소-계 전극은 약 0.2 ㎤/g를 초과하는 (예를 들어, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 0.7, 0.75, 0.8, 0.85 또는 0.9 ㎤/g를 초과하는) 총 공극율을 갖는 활성탄을 포함한다. 관련된 구체 예에서, 상기 활성탄은 1㎤/g 이하 (예를 들어, 1, 0.9, 0.85, 0.8, 0.75, 0.7, 0.65, 0.6, 또는 0.55 ㎤/g 이하)의 총 공극율을 가질 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 상기 활성탄의 총 공극율은 전술된 값 중 어느 하나의 사이일 수 있다.
상기 활성탄의 기공 크기 분포는 울트라마이크로기공, 마이크로기공, 메조기공, 및 매크로기공을 포함할 수 있고, 단일모드 (unimodal), 바이모드 또는 다중-모드 기공 크기 분포를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 울트라마이크로기공은 총 기공 부피의 0.2 ㎤/g 이상 (예를 들어, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35 또는 0.4 ㎤/g 이상)을 포함할 수 있고, 관련된 구체 예에서, 전술된 값들 중 어느 하나의 사이, 예를 들어, 0.2 내지 0.35 ㎤/g 또는 0.25 내지 0.3 ㎤/g의 모집단을 포함할 수 있다. 1<d≤2 nm의 범위에서 기공 크기 (d)를 갖는 기공은 총 기공 부피의 0.05 ㎤/g 이상 (예를 들어, 적어도 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45 또는 0.5 ㎤/g)을 포함할 수 있다. 1<d≤2nm의 범위에서 기공 크기 (d)를 갖는 기공은 총 기공 부피의 0.55 ㎤/g 이하 (예를 들어, 0.55, 0.5, 0.45, 0.4 또는 0.35 ㎤/g 미만)를 포함할 수 있다. 우선적인 구체 예에서, 상기 활성탄은 전술된 값들 중 어느 하나 사이에서 1<d≤2nm의 범위 내의 기공 크기 (d), 예를 들어, 0.05 내지 0.25 ㎤/g 또는 0.1 또는 0.2 ㎤/g를 갖는 기공을 포함할 수 있다. 만약 존재한다면, 구체 예에서, 메조기공 및/또는 매크로기공을 포함할 수 있는 2nm를 초과하는 기공 크기를 갖는 어떤 기공은 총 기공 부피의 0.25 ㎤/g 이하 (예를 들어, 0.25, 0.2, 0.15, 0.1 또는 0.05 ㎤/g 미만)를 포함할 수 있다. 우선적인 구체 예에서, 상기 활성탄은 전술된 값들 중 어느 하나 사이에서 d>2nm 기공 크기, 즉, 0.2 내지 0.25 ㎤/g 또는 0.1 내지 0.2 ㎤/g을 갖는 기공을 포함할 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 상기 활성탄은 2nm를 초과하는 기공 크기를 갖는 어떤 기공이 없거나 또는 5nm를 초과하는 기공 크기를 갖는 어떤 기공이 없을 수 있다.
본 개시된 방법을 사용하여 만들어진 활성탄은 약 300㎡/g 초과, 즉 350, 400, 500 또는 1000 ㎡/g를 초과하는 비표면적을 가질 수 있다. 구체 예에서, 상기 활성탄의 평균 입자 크기는 EDLC용 탄소-계 전극으로 활성탄을 혼입하기 전에 20 microns 미만 (예를 들어, 2 내지 10 microns 또는 약 5 microns)으로 밀링될 수 있다.
통상적인 전기 이중층 커패시터 (EDLC)에서, 한 쌍의 탄소-계 전극은 다공성 분리막에 의해 분리되고, 전극/분리막/전극 스택 (stack)은 액체 유기 또는 무기 전해질로 침투된다. 상기 전해질 용액은 전자 전류가 전지로부터 방전하는 것을 방지하면서 이온성 전류가 상기 전극들 사이에서 흐르는 것을 가능하게 한다. 상기 전극들은 다른 첨가제 (예를 들어, 바인더)와 혼합되고, 얇은 시트로 압축되며, 전도성 금속 집전장치 (current collector) 후면에 적층되는 활성탄을 포함한다. 예를 들어, 상기 활성탄은 카본 블랙 및/또는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTEE), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 또는 다른 적절한 바인더와 같은 중합체 바인더와 혼합될 수 있고, 탄소-계 전극을 형성하기 위해 압축될 수 있다.
예로서, 약 100-300 micrometer 범위의 두께를 갖는 탄소지 (carbon paper)는 60-90 wt.%의 활성탄 입자, 5-20 wt.%의 카본 블랙 및 5-20 wt.%의 PTFE를 포함하는 혼합물을 롤링 및 가압하여 제조될 수 있다. 상기 카본 블랙은 전도성 첨가제로 제공되고, 상기 PTEE는 바인더로서 제공된다.
각 다공성 전극은 통상적으로 집전장치와 전기적인 접촉하에 있다. 전기-전도성 물질 (예를 들어, 알루미늄)의 시트 또는 플레이트를 포함할 수 있는, 집전장치는 다공성 전극 (활성탄) 물질에 대한 물리적 지지체를 제공하면서 저항 손실 (ohmic losses)을 감소시킬 수 있다. 상기 탄소-계 전극은 셀룰로오스 분리막을 사용하여 젤리 롤 형태로 롤링될 수 있고, 그 다음 알루미늄 외함체 (enclosing body)로 넣을 수 있다.
따라서, 본 개시는 또한, 여기에 기재된 활성탄 물질을 포함하는 적어도 하나의 탄소-계 전극을 포함하는, 전기 이중층 커패시터와 같은, 전기 장치에 관한 것이다.
예로서, 탄소 전극층은 85중량%의 활성탄, 5중량%의 카본 블랙, 및 10중량%의 PTFE 바인더 (DuPont 601A)를 혼합시켜 제조된다. 상기 혼합물은 Henschel 고속 혼합기를 사용하여 초기에 조합되고, 그 다음 상기 PTFE는 볼 밀, 젯트 밀, 또는 이축 스크류 압출기를 사용하여 소섬유화된다. 활성탄, 카본 블랙 및 PTEE의 소섬유된 혼합물은 탄소지를 형성하기 위해 카렌더링된다 (calendared). 통상적인 시트 두께는 약 100 microns이다. 탄소-계 전극은 25 micron 두께의 알루미늄 포일 집전장치상으로 활성탄-함유 시트 (대략 1.5 cm x 2 cm)를 적층시켜 만들어진다. 상기 탄소-계 전극을 진공에서 120℃로 밤새도록 건조한 후, 시험 전지는 건조 아르곤 가스로 채워진 글로브 박스 (glove box)에서 조립된다. 상기 시험 전지는 두 개의 탄소-계 전극 사이에 셀룰로오스 분리막의 한 조각을 샌드위치시켜 만들어진다. 셀룰로오스 분리막과 함께, 탄소-계 전극은 젤리 롤로 권취된다. 상기 젤리 롤은 알루미늄 외함체로 삽입되고, 진공 건조된다 (< 0.05 Torr에서 48시간 동안 130℃). 액체 전해질 (아세토니트릴 내의 1.2M TEMA-TFB)은 외함체로 첨가된다.
구체 예에 따르면, 전기화학적 전지는 여기에 개시된 바와 같은 활성탄 물질, 다공성 분리막, 및 한 쌍의 전기 전도성 기판을 포함하는 적어도 제1 전극을 포함하고, 여기서 상기 다공성 분리막은 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치되며, 상기 제1 및 제2 전극은 각각의 전기 전도성 기판과 전기적으로 각각 접촉한다. 또 다른 구체 예에 따르면, 전기화학적 전지는 여기에 개시된 바와 같은 활성탄 물질을 각각 포함하는 제1 및 제2 전극을 포함한다.
도 1은 대표적인 울트라커패시터의 개략도이다. 울트라커패시터 (10)는 외함체 (12), 한 쌍의 집전장치 (22, 24), 상기 집전장치 중 하나에 걸쳐 각각 형성된 양극 (14) 및 음극 (16), 및 다공성 분리막 층 (18)을 포함한다. 전기적 리드 (26, 28)는 외부 장치와 전기적 접촉을 제공하기 위해 각각의 집전장치 (22, 24)에 연결될 수 있다. 전극 (14, 16)은 상기 집전장치 위에 형성된 다공성 활성탄 층을 포함한다. 액체 전해질 (20)은 외함체 내에 함유되고, 상기 다공성 분리막 층 및 각각의 다공성 전극 모두의 구멍 도처에 혼입된다. 구체 예에서, 개별 울트라커패시터 전지는 전체 작동 전압을 증가시키기 위해 (예를 들어, 직렬로) 스택될 수 있다.
상기 외함체 (12)는 울트라커패시터와 통상-사용된 어떤 알려진 앤클로저 수단일 수 있다. 상기 집전장치 (22, 24)는 일반적으로 금속과 같은 전기-전도성 물질을 포함하고, 보통 전기 전도도 및 상대적인 비용에 기인하여 알루미늄을 구성된다. 예를 들어, 집전장치 (22, 24)는 알루미늄 포일의 얇은 시트일 수 있다.
다공성 분리막 (18)은 이온 확산을 가능하게 하면서 탄소-계 전극 (14, 16)을 서로 전기적으로 절연시킨다. 상기 다공성 분리막은 셀룰로오스 물질, 유리, 및 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 또는 폴리올레핀과 같은 무기 또는 유기 중합체와 같은 유전체 물질로 구성될 수 있다. 구체 예에서, 상기 분리막 층의 두께는 약 10 내지 250 microns의 범위일 수 있다.
상기 전해질 (20)은 이온의 공급원으로, 이온 전도도의 프로모터로 제공되고, 탄소에 대한 바인더로 제공될 수 있다. 상기 전해질은 통상적으로 적절한 용매에 용해된 염을 포함한다. 적절한 전해질 염은 공동-소유된 미국 특허출원 제13/682,211호에 개시된 것과 같은 4차 암모늄염을 포함하고, 이의 개시는 참조로서 여기에 혼입된다. 대표 4차 암모늄염은 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트 ((Et)4NBF4) 또는 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트 (Me(Et)3NBF4)를 포함한다.
전해질용 대표 용매는 아세토니트릴, 아크릴로니트릴 및 프로피오니트릴과 같은 니트릴; 디메틸, 디에틸, 에틸메틸 및 벤질메틸 슬폭사이드와 같은 설폭사이드; 디메틸 포름아미드와 같은 아미드 및 N-메틸피롤리돈과 같은 피롤리돈을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체 예에서, 상기 전해질은 환형 에스테르, 사슬 카보네이트, 환형 카보네이트, 사슬 에테르 및/또는 환형 에테르 용매와 같은 극성 반양자성 유기 용매를 포함한다. 대표 환형 에스테르 및 사슬 카보네이트는 3 내지 8의 탄소 원자를 갖고, 환형 에스테르의 경우에서, β-부티로-락톤, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤 및 δ-발레로락톤을 포함한다. 사슬 카보네이트의 예로는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트를 포함한다. 환형 카보네이트는 5 내지 8의 탄소 원자를 가질 수 있고, 예로는 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜텐 카보네이트, 2,3-펜텐 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트를 포함한다. 사슬 에테르는 4 내지 8의 탄소 원자를 가질 수 있다. 대표 사슬 에테르는 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 메톡시에톡시에탄, 디부톡시에탄, 디메톡시프로판, 디에톡시프로판 및 메톡시에톡시프로판을 포함한다. 환형 에테르는 3 내지 8의 탄소 원자를 가질 수 있다. 대표 환형 에테르는 테트라하이드로푸란, 2-메틸-테트라하이드로푸란, 1,3-디옥소란, 1,2-디옥소란, 2-메틸디옥소란 및 4-메틸-디옥소란을 포함한다. 둘 이상의 용매의 조합은 또한 사용될 수 있다.
예로서, 조립된 EDLC는 아세토니트릴과 같은 반 양성자성 용매에 용해된 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트 (TEA-TFB) 또는 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트 (TEMA-TFB)와 같은 유기 액체 전해질을 포함할 수 있다.
울트라커패시터는 젤리 롤 디자인, 각기둥 디자인, 허니컴 디자인, 또는 다른 적절한 형태를 가질 수 있다. 본 개시에 따라 만들어진 탄소-계 전극은 탄소-탄소 울트라커패시터로 또는 하이브리드 울트라커패시터로 혼입될 수 있다. 탄소-탄소 울트라커패시터에서, 상기 전극의 모두는 탄소-계 전극이다. 하이브리드 울트라커패시터에서, 전극 중 하나는 탄소-계이고, 다른 전극은 산화납, 산화루테늄, 수산화니켈, 또는 전도성 중합체와 같은 또 다른 물질 (예를 들어, 파라플루오로페닐-티오펜)과 같은 슈도 (pseudo) 정전용량 물질일 수 있다.
탄소-탄소 울트라커패시터에서, 각 전극에서 활성탄은 같거나, 유사하거나, 또는 구별되는 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 양극으로 혼입된 활성탄의 기공 크기 분포 또는 입자 모폴로지는 음극으로 혼입된 활성탄의 기공 크기 분포 또는 입자 모폴로지와 다를 수 있다.
개별 울트라커패시터 전지 내에서, 그리고 인가된 전기 전위의 영향하에서, 이온성 전류는 전해질 내의 음이온의 인력에 기인하여 양극으로 흐르고, 양이온은 음극으로 흐른다. 이온성 전하는 고체-액체 계면에서 전하 층을 생성하도록 각각의 전극 표면에 축적될 수 있다. 축적된 전하는 고체 전극에서 반대 전하에 의해 각각의 계면에서 유지되어 전극 전위를 발생한다.
전지의 방전 동안, 음이온은 양극의 표면으로부터 방전되고, 양이온이 음극의 표면으로부터 방전됨에 따라, 전극을 가로지르는 전위는 이온성 전류를 흐르게 한다. 동시에, 전자 전류는 집전장치 사이에 배치된 외부 회로를 통해 흐를 수 있다. 외부 회로는 전기 장치에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
상기 층에 저장된 전하의 양은 커패시터의 달성 가능한 에너지 밀도 및 전력 밀도에 영향을 미친다. 울트라커패시터의 성능 (에너지 및 전력 밀도)는 전극을 구성하는 활성탄의 특성에 크게 의존한다. 결국, 상기 활성탄의 특성은, 예를 들어, 질소 또는 산소와 같은, 활성탄 내에 불순물 함량뿐만 아니라, 활성탄의 공극율 및 기공 크기 분포를 평가하여 추정될 수 있다. 관련 전기 특성은 전위 창, 면적-비저항 및 부피 정전용량 (volumetric capacitance)을 포함한다.
울트라커패시터로 혼입한 경우, 본 개시에 따른 활성탄은, 몇몇 구체 예에서, 3.2 V까지 (예를 들어, 2.7, 2.8, 2.9, 3.0, 3.1 또는 3.2 V)의 작동 전압 및 50F/㎤를 초과 (예를 들어, 50, 60, 70, 또는 80F/㎤를 초과), 또는 전술된 값들 중 어느 하나 사이의 정전용량 값을 포함하는, 부피 정전용량을 나타낸다. 이론에 제한되는 것을 원하지는 않지만, 높은 전위 창은, 물질 내에 저농도의 산소-함유 작용기에 기인할 수 있는, 활성탄의 낮은 반응성의 결과로 믿어진다.
실시 예
다양한 구체 예는 하기 실시 예에 의해 더욱 명확해질 것이다.
실시 예 1: 코코넛 숯; D50 = 5 ㎛, E = 0.13, 및 0.84< Ψ <1
코코넛 숯 (2-3 ㎜ 입자 크기)은 약 5 microns의 D50 입자 크기로 진동 밀링된다. 밀링 후에, 수-가중 원형-등가 입자 직경은 D [n,0.1] = 0.5㎛, D [n,0.5] = 1.1 ㎛, 및 D [n,0.9] = 2.5㎛를 특징으로 한다. 상응하는 부피-가중 원형-등가 직경은 D [v,0.1] = 2.0㎛, D [v,0.5] = 6.8㎛, 및 D [v,0.9] = 14.9㎛를 특징으로 한다.
도 2에서 나타낸 바와 같이, 분쇄된 숯 입자의 수-가중 신율은 대략 0.13의 모달 값, 및 입자의 적어도 70%가 0.84 내지 1의 범위 내에 있는 HS 원형도를 갖는다. 상기 HS 원형도 대 입자 크기의 산란 플롯은 도 3에서 나타낸다.
실시 예 2: 코코넛 숯; D50 = 5㎛; E = 0.17; 및 0.74 < Ψ < 1.
코코넛 숯 (2-3 ㎜ 입자 크기)은 약 5 microns의 D50 입자 크기로 유동화된 젯트 밀을 사용하여 분쇄된다. 밀링 후에 입자의 수-가중 원형-등가 직경은 D [n,0.1] = 0.9㎛, D [n,0.5] = 2.3㎛, 및 D [n,0.9] = 5.0㎛을 특징으로 한다. 상응하는 부피-가중 원형-등가 직경은 D [v,0.1] = 3.1㎛, D [v,0.5] = 7.1㎛, 및 D [v,0.9] = 12.0㎛을 특징으로 한다.
분쇄된 숯 입자의 수-가중 신율은 대략 0.17의 모달 값 (도 2), 및 입자의 적어도 70%가 0.74 내지 1의 범위 내에 있는 HS 원형도를 갖는다. 상기 HS 원형도 대 입자 크기의 산란 플롯은 도 4에 나타낸다.
비교를 위해, 실시 예 2의 젯트 밀된 탄소 입자는, 실시 예 1의 진동-밀링된 입자와 대비될 수 있다. 특히, 실시 예 1의 입자는 좀 더 구형이다 (더 낮은 신율 값, 및 1에 가까운 원형도). 원형도의 정도는 각각의 산란 플롯에서 입자의 농도에서 분명히 드러난다. 이론에 제한되는 것을 원하지는 않지만, 더 구형의 입자는 활성화 공정에 역효과를 미칠 수 있는, 응력 농도 영역 (날카로운 코너, 에지 등)을 더 적게 갖는 것으로 믿어진다.
실시 예 1 및 2 (20g 샘플)로부터 밀링된 탄소 입자는 4.25시간 동안 850℃에서 CO2-계 공정 (1리터/분)을 사용하여 로터리 킬른 (1.5 rpm)에서 활성화된다. 정전용량 성능은 버튼 전지 (button cells)로 활성탄을 혼입시켜 평가된다.
실시 예 3: 실시 예 1로부터 CO2-활성화된 코코넛 숯
활성화 이후에, 탄소 입자에 대한 수-가중 원형-등가 직경은 D [n,0.1] = 0.5㎛, D [n,0.5] = 1.2㎛, 및 D [n,0.9] = 3.1㎛을 특징으로 한다. 상응하는 부피-가중 원형-등가 (CE) 직경은 D [v,0.1] = 3.3㎛, D [v,0.5] = 9.4㎛, 및 D [v,0.9] = 17.0㎛를 특징으로 한다. 활성화된 입자의 수-가중 신율은 대략 0.11의 모달 값 (도 2), 및 입자의 적어도 70%가 0.88 내지 1의 범위 내에 있는 HS 원형도를 갖는다. 상기 HS 원형도 대 입자 크기의 산란 플롯은 도 5에서 나타낸다.
입자 분석기 데이터로부터 명백한 것은 탄소 입자의 모폴로지 상에 활성화의 효과이다. 응력 농도 영역은 활성화 공정 동안 크게 연소-제거되어 좀 더 원형 (구형)의 입자를 유도한다. 데이터를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 로터리 킬른 활성화 공정은 신율을 감소시키고, 입자의 원형도를 증가시킨다.
아세노니트릴에 용해된 1.5M TEA-TFB 전해질을 버튼 전지로 혼입시킨 경우, 상기 활성탄은 80F/cc의 부피 정전용량을 나타낸다.
실시 예 4 : 실시 예 2로부터 비교 CO2-활성 코코넛 숯
활성화된 입자의 수-가중 원형-등가 직경은 D [n,0.1] = 1.1㎛, D [n,0.5] = 2.4㎛, 및 D [n,0.9] = 5.1㎛을 특징으로 한다. 상응하는 부피-가중 원형-등가 (CE) 직경은 D [v,0.1] = 3.1㎛, D [v,0.5] = 7.1㎛, 및 D [v,0.9] = 12.4㎛을 특징으로 한다. 활성화된 입자의 수-가중 신율은 대략 0.15의 모달 값 (도 2), 및 입자의 적어도 70%가 0.78 내지 1의 범위 내에 있는 HS 원형도를 갖는다. 상기 HS 원형도 대 입자 크기의 산란 플롯은 도 6에서 나타낸다.
아세노니트릴에 용해된 1.5M TEA-TFB 전해질을 버튼 전지로 혼입시킨 경우, 상기 활성탄은 69.5 F/cc의 부피 정전용량을 나타낸다.
활성화에 대한 입자 모폴로지의 효과는 실시 예 3 및 4에서 성능 데이터를 참조하여 알 수 있다. 부피 정전용량에서 16% 개선은 공급원료 입자 모폴로지에서 사전-활성화 차이와 연관될 수 있다.
실시 예 1-4에 대한 CE 직경 분포의 통계 파라미터
샘플 50X 입자의 # D [n,0.1]
(㎛)		 D [n,0.5]
(㎛)		 D [n,0.9]
(㎛)		 D [v,0.1]
(㎛)		 D [v,0.5]
(㎛)		 D [v,0.9]
(㎛)
실시 예 1 51,802 0.5 1.1 2.5 2.0 6.8 14.9
실시 예 2 26,617 0.9 2.3 5.0 3.1 7.1 12.0
실시 예 3 21,482 0.5 1.2 3.1 3.3 9.4 17.0
실시 예 4 33,670 1.1 2.4 5.1 3.1 7.1 12.4
실시 예 1-4에 대한 신율 및 HS 원형도 데이터
샘플 신율, 범위 [모달 값] HS 원형도 임계치 범위
실시 예 1 0-0.6 [0.13] 0.84 - 1.0
실시 예 2 0-0.6 [0.17] 0.74 - 1.0
실시 예 3 0-0.6 [0.11] 0.88 - 1.0
실시 예 4 0-0.6 [0.15] 0.78 - 1.0
실시 예를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 더 낮은 신율 (0 ≤ E ≤0.15) 및 더 높은 원형도 값 (0.8 ≤ Ψ ≤ 1) (예를 들어, 실시 예 1)를 갖는 밀링된 탄소 입자는 EDLC 장치에서 수반되는 더 높은 정전용량 (concomitant higher capacitance) 및 좀 더 균일한 활성화를 유도한다. 이것은 일반적으로 좀 더 구형인 입자에서 응력-집중 존 (stress-concentration zones)의 상대적인 부재에 기인하는 것으로 믿어진다. 더욱이, 상기 활성화 공정 자체가 신율을 감소시키고, 탄소 입자의 원형도를 증가시키는 경향을 알 수 있다. 이것은 상기 활성화 공정 동안 날카로운 에지의 연소에 의한 제거에 기인하는 것으로 믿어진다.
여기에 사용된 바와 같은, 용어들의 "단수"는, 특별한 언급이 없는 한, 적어도 하나 또는 하나 이상을 의미한다. 따라서, 예를 들어, "활성탄"에 대한 기준은, 특별한 언급이 없는 한, 둘 이상의 "활성탄들"을 갖는 실시 예들을 포함한다.
범위는 "약" 하나의 특정 값으로부터, 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 여기에서 표현될 수 있다. 이러한 범위로 표현된 경우, 실시 예들은 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 선행사 "약"의 사용에 의해, 값이 대략으로 표현된 경우, 특정 값이 또 다른 관점을 형성하는 것으로 이해될 것이다. 상기 범위의 각 말단 점은 다른 말단 점과 관련하여, 그리고 상기 다른 말단 점에 독립적으로 모두 의미 있는 것으로 더욱 이해될 것이다.
특별한 언급이 없는 한, 여기에서 서술된 어떤 방법의 단계들이 특정한 순서로 수행되는 것을 요구하는 것으로 해석되는 것을 의도하지 않는다. 따라서, 방법 청구항은 이의 단계가 수반되는 순서를 사실상 열거하지 않거나, 또는 상기 단계가 특정한 순서로 제한되는 청구항 또는 상세한 설명에서 구체적으로 언급되지 않는 경우, 어떤 특정 순서로 추정되는 것으로 의도되지 않는다. 어떤 하나의 청구항에 어떤 인용된 단일 또는 다중의 특색 또는 관점들은 어떤 다른 청구항에 어떤 다른 인용된 특색 또는 관점과 조합되거나 또는 교환될 수 있다.
여기에서 열거 (recitations)는 특정 방식으로의 기능에 "구성되거나" 또는 "적용된" 구성요소를 의미하는 것으로 또한 주목된다. 이와 관련하여, 상기 구성요소는 특정 특성, 또는 특정 방식에서의 기능을 구현하도록 "구성되거나" 또는 "적용된" 것이고, 여기에서 이러한 열거는 의도된 사용의 열거와 반대되는 구조적인 열거이다. 좀 더 구체적으로, 구성 요소가 "구성되거나" 또는 "적용되는" 방식에 대한 여기에서 기준은 상기 구성요소의 현존하는 물리적 조건을 의미하고, 이로써, 상기 구성요소의 구조적 특징의 명확한 열거로 받아드릴 것이다.
특정 구체 예의 다양한 특색, 요소 또는 단계들이 전환 문구 "포함하는"을 사용하여 개시된 경우, 이것은 전환 문구 "이루어지는" 또는 "필수적으로 이루어지는"을 사용하여 기재될 수 있는 것들을 포함하는, 선택적인 구체 예들이 암시된 것으로 이해될 것이다. 따라서, 예를 들어, 활성탄, 카본 블랙 및 바인더를 포함하는 탄소-계 전극에 대해 암시된 선택적인 구체 예들은 탄소-계 전극이 활성탄, 카본 블랙 및 바인더로 이루어진 구체 예들 및 탄소-계 전극이 활성탄, 카본 블랙 및 바인더로 필수적으로 이루어진 구체 예들을 포함한다.
다양한 변형 및 변화가 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 본 발명에 대해 만들어질 수 있음은 당업자에게 명확할 것이다. 본 발명의 사상 및 물질을 혼입하는 개시된 구체 예의 변형, 조합, 서브-조합 및 변화는 기술분야에서 당업자에게 발생할 수 있기 때문에, 본 발명은 첨부된 청구항 및 이들의 균등물의 범주 내의 모든 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (22)

  1. 활성탄을 형성하기 위해 활성화 가스에 탄소 입자를 노출하면서 활성화 온도에 상기 탄소 입자를 가열시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 탄소 입자의 수-가중 신율은 0.15 이하의 모달 값을 갖는 활성탄의 형성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 신율 모달 값은 0.10 이하인 활성탄의 형성 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 신율 모달 값은 0을 초과하는 활성탄의 형성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 입자의 수-가중 고감도 원형도는 0.8 이상의 평균값을 갖는 활성탄의 형성 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 입자의 수-가중 고감도 원형도는 0.9 이상의 평균값을 갖는 활성탄의 형성 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 입자의 적어도 70%의 수-가중 고감도 원형도는 0.8 이상인 활성탄의 형성 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 입자의 수-가중 고감도 원형도는 1 미만의 평균값을 갖는 활성탄의 형성 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 입자는 100 microns 미만의 D50 입자 크기를 갖는 활성탄의 형성 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 입자는 10 microns 미만의 D50 입자 크기를 갖는 활성탄의 형성 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 노출은 로터리 킬른에서 수행되는 활성탄의 형성 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성화 온도는 300-1000℃인 활성탄의 형성 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성화 온도는 600-1000℃인 활성탄의 형성 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성화 가스는 이산화탄소, 수증기, 산소, 공기 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 활성탄의 형성 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성화 가스는 이산화탄소인 활성탄의 형성 방법.
  15. 청구항 1의 방법에 따라 제조된 활성탄.
  16. 활성탄을 형성하기 위해 활성화 가스에 탄소 입자를 노출하면서 활성화 온도에 상기 탄소 입자를 가열시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 탄소 입자의 고감도 원형도는 0.8 이상의 평균값을 갖는 활성탄의 형성 방법.
  17. 청구항 16 있어서,
    상기 탄소 입자의 적어도 70%의 수-가중 고감도 원형도는 0.8 이상인 활성탄의 형성 방법.
  18. 청구항 16 있어서,
    상기 고감도 원형도 평균값은 1 미만인 활성탄의 형성 방법.
  19. 청구항 16 있어서,
    상기 탄소 입자는 10 microns 미만의 D50 입자 크기를 갖는 활성탄의 형성 방법.
  20. 청구항 16 있어서,
    상기 노출은 로터리 킬른에서 수행되는 활성탄의 형성 방법.
  21. 청구항 16 있어서,
    상기 활성화 가스는 이산화탄소인 활성탄의 형성 방법.
  22. 활성탄의 입자, 카본 블랙 및 바인더를 포함하며, 여기서 탄소 입자의 수-가중 신율은 0.15 이하의 모달 값을 갖는 탄소-계 전극.
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