석탄계 및 석유계 피치를 이용한 슈퍼커패시터 전극재용 고밀도 활성탄 제조 Preparation of high-density activated carbons as electrode materials of super capacitor using coal-tar and petroleum pitch원문보기
전기이중층 커패시터(EDLC)는 이차전지보다 빠른 충·방전 속도, 높은 출력밀도, 긴 수명 사이클을 가지고 있는 에너지 저장장치이다. EDLC의 성능에 큰 영향을 미치는 요소는 전극소재로 쓰이는 활성탄인데, 일반적으로 활성탄의 비표면적이 높을수록 정전용량이 우수하다. 정전용량은 일반적으로 단위 질량당 용량(F/g)을 쓰게 되는데, EDLC의 소형화를 위해서는 단위 질량당 용량(F/g)보다 단위 부피당 용량(F/cc)이 더 중요한 의미를 갖는다. 높은 비표면적을 가진 활성탄을 전극소재로 사용하면 단위 질량당 용량(F/g)은 높은 값을 가지지만, 낮은 전극밀도로 인해 낮은 단위 부피당 용량(F/cc)을 갖게 된다. 이러한 점을 보완하기 위해 전극의 밀도를 높여 높은 단위 부피당 용량(F/cc)을 가지는 EDLC 전극소재를 제조하는 연구를 진행하였다. EDLC용 고밀도 활성탄을 만들기 위해 석탄계 ...
전기이중층 커패시터(EDLC)는 이차전지보다 빠른 충·방전 속도, 높은 출력밀도, 긴 수명 사이클을 가지고 있는 에너지 저장장치이다. EDLC의 성능에 큰 영향을 미치는 요소는 전극소재로 쓰이는 활성탄인데, 일반적으로 활성탄의 비표면적이 높을수록 정전용량이 우수하다. 정전용량은 일반적으로 단위 질량당 용량(F/g)을 쓰게 되는데, EDLC의 소형화를 위해서는 단위 질량당 용량(F/g)보다 단위 부피당 용량(F/cc)이 더 중요한 의미를 갖는다. 높은 비표면적을 가진 활성탄을 전극소재로 사용하면 단위 질량당 용량(F/g)은 높은 값을 가지지만, 낮은 전극밀도로 인해 낮은 단위 부피당 용량(F/cc)을 갖게 된다. 이러한 점을 보완하기 위해 전극의 밀도를 높여 높은 단위 부피당 용량(F/cc)을 가지는 EDLC 전극소재를 제조하는 연구를 진행하였다. EDLC용 고밀도 활성탄을 만들기 위해 석탄계 피치를 원료로 마일드한 활성화제인 K2CO3를 이용하여 최적의 활성화 조건을 알아보기 위해 활성화제의 비율과 활성화 온도 및 시간을 변화하여 실험을 진행하였다. 석탄계 피치는 공기 분위기에서 300℃의 온도로 2 시간 동안 안정화 과정을 거친 피치를 사용했고, 피치와 활성화제의 비율을 1:1∼1:6까지 변화시키고, 800∼1000℃ 범위에서 1∼7 시간 동안 활성화를 진행했다. 피치와 K2CO3의 비율이 1:2일 때 가장 높은 정전용량을 가졌으며, 그 이상이 되면 오히려 감소하는 모습을 보였다. 활성화 온도와 시간이 증가할수록 정전용량이 상승하는 모습을 보였고, 활성화 시간보다 온도에 더 민감했다. 1000℃에서 3 시간동안 활성화 과정을 거쳐 제조된 활성탄이 1489 m2/g으로 가장 높은 비표면적과 21.8 F/g 및 17.4 F/cc의 가장 높은 정전용량을 달성했다. 상업용 활성탄(MSP-20)의 비표면적이 2277 m2/g이고, 정전용량이 25.0 F/g 및 18.5 F/cc 인 것을 감안했을 때, 비교적 낮은 비표면적으로 상업용 활성탄과 거의 비슷한 단위 부피당 용량을 구현하였다. 또한, 1000℃에서 제조된 활성탄을 KOH를 활성화제로 이용한 활성탄과 비교했을 때, 비표면적은 1489 m2/g과 3004 m2/g으로 2배에 가까운 차이가 나고 단위 질량당 용량은 21.8 F/g과 30.4 F/g으로 차이가 컸지만, 단위 부피당 용량은 17.4 F/cc와 19.1 F/cc로 91% 정도 수준의 정전용량을 구현하였다. 탄화과정을 통한 고밀도 활성탄 제조를 위해, 질소 분위기에서 500∼1000℃의 온도로 1 시간 동안 탄화과정을 거친 석탄계 피치와 석유계 피치를 원료로 KOH와 1:4의 비율로 활성화를 진행해 EDLC의 전극소재로 사용해 보았다. 탄화온도가 높아질수록 비표면적과 기공부피, 단위 질량당 용량 등은 감소했으며 결정화도와 수율 등은 상승하는 모습을 확인해 탄화온도를 변화시킴으로서 제조되는 활성탄의 결정구조와 비표면적, 기공 구조 등을 제어할 수 있음을 확인하였다. 또한, 열처리 온도가 높아질수록 전극밀도가 증가하여 단위 부피당 용량은 석탄계 피치의 경우 탄화온도 800℃에서 23.1 F/cc, 석유계 피치는 700℃에서 28.4 F/cc로 가장 높은 값을 가져 각각 상업용 활성탄(MSP-20)의 140%, 150% 수준을 구현하였다. 전체적으로 비표면적과 기공 부피는 석유계 피치가 더 높은 값을 나타냈는데, 이는 석유계 피치가 석탄계 피치에 비해 지방족 함량이 많고, 분자량 분포가 넓어 활성화의 영향을 많이 받기 때문인 것으로 판단되었다. 탄화피치의 종방향 결정크기는 800℃의 탄화온도에서 가장 낮았고, 그 이후 서서히 증가하는 모습을 보였다. 횡방향 결정크기 역시 800℃까지는 큰 차이가 없다가 그 이후부터 큰 폭으로 증가하였다. 활성탄의 결정크기는 탄화온도에 따라 커지는 경향을 보였고, 층간거리는 줄어드는 경향을 보였다. 또한, 석탄계와 석유계 피치를 700℃이상의 고온으로 탄화한 후 활성탄을 제조했을 때 전기화학적 활성화 과정이 관측되었다. 이 과정이 낮은 비표면적에도 불구하고 비교적 높은 정전용량을 구현하는데 큰 영향을 끼치는 것으로 분석되었고, EDLC의 충전 전압이 높아질수록 더 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
전기이중층 커패시터(EDLC)는 이차전지보다 빠른 충·방전 속도, 높은 출력밀도, 긴 수명 사이클을 가지고 있는 에너지 저장장치이다. EDLC의 성능에 큰 영향을 미치는 요소는 전극소재로 쓰이는 활성탄인데, 일반적으로 활성탄의 비표면적이 높을수록 정전용량이 우수하다. 정전용량은 일반적으로 단위 질량당 용량(F/g)을 쓰게 되는데, EDLC의 소형화를 위해서는 단위 질량당 용량(F/g)보다 단위 부피당 용량(F/cc)이 더 중요한 의미를 갖는다. 높은 비표면적을 가진 활성탄을 전극소재로 사용하면 단위 질량당 용량(F/g)은 높은 값을 가지지만, 낮은 전극밀도로 인해 낮은 단위 부피당 용량(F/cc)을 갖게 된다. 이러한 점을 보완하기 위해 전극의 밀도를 높여 높은 단위 부피당 용량(F/cc)을 가지는 EDLC 전극소재를 제조하는 연구를 진행하였다. EDLC용 고밀도 활성탄을 만들기 위해 석탄계 피치를 원료로 마일드한 활성화제인 K2CO3를 이용하여 최적의 활성화 조건을 알아보기 위해 활성화제의 비율과 활성화 온도 및 시간을 변화하여 실험을 진행하였다. 석탄계 피치는 공기 분위기에서 300℃의 온도로 2 시간 동안 안정화 과정을 거친 피치를 사용했고, 피치와 활성화제의 비율을 1:1∼1:6까지 변화시키고, 800∼1000℃ 범위에서 1∼7 시간 동안 활성화를 진행했다. 피치와 K2CO3의 비율이 1:2일 때 가장 높은 정전용량을 가졌으며, 그 이상이 되면 오히려 감소하는 모습을 보였다. 활성화 온도와 시간이 증가할수록 정전용량이 상승하는 모습을 보였고, 활성화 시간보다 온도에 더 민감했다. 1000℃에서 3 시간동안 활성화 과정을 거쳐 제조된 활성탄이 1489 m2/g으로 가장 높은 비표면적과 21.8 F/g 및 17.4 F/cc의 가장 높은 정전용량을 달성했다. 상업용 활성탄(MSP-20)의 비표면적이 2277 m2/g이고, 정전용량이 25.0 F/g 및 18.5 F/cc 인 것을 감안했을 때, 비교적 낮은 비표면적으로 상업용 활성탄과 거의 비슷한 단위 부피당 용량을 구현하였다. 또한, 1000℃에서 제조된 활성탄을 KOH를 활성화제로 이용한 활성탄과 비교했을 때, 비표면적은 1489 m2/g과 3004 m2/g으로 2배에 가까운 차이가 나고 단위 질량당 용량은 21.8 F/g과 30.4 F/g으로 차이가 컸지만, 단위 부피당 용량은 17.4 F/cc와 19.1 F/cc로 91% 정도 수준의 정전용량을 구현하였다. 탄화과정을 통한 고밀도 활성탄 제조를 위해, 질소 분위기에서 500∼1000℃의 온도로 1 시간 동안 탄화과정을 거친 석탄계 피치와 석유계 피치를 원료로 KOH와 1:4의 비율로 활성화를 진행해 EDLC의 전극소재로 사용해 보았다. 탄화온도가 높아질수록 비표면적과 기공부피, 단위 질량당 용량 등은 감소했으며 결정화도와 수율 등은 상승하는 모습을 확인해 탄화온도를 변화시킴으로서 제조되는 활성탄의 결정구조와 비표면적, 기공 구조 등을 제어할 수 있음을 확인하였다. 또한, 열처리 온도가 높아질수록 전극밀도가 증가하여 단위 부피당 용량은 석탄계 피치의 경우 탄화온도 800℃에서 23.1 F/cc, 석유계 피치는 700℃에서 28.4 F/cc로 가장 높은 값을 가져 각각 상업용 활성탄(MSP-20)의 140%, 150% 수준을 구현하였다. 전체적으로 비표면적과 기공 부피는 석유계 피치가 더 높은 값을 나타냈는데, 이는 석유계 피치가 석탄계 피치에 비해 지방족 함량이 많고, 분자량 분포가 넓어 활성화의 영향을 많이 받기 때문인 것으로 판단되었다. 탄화피치의 종방향 결정크기는 800℃의 탄화온도에서 가장 낮았고, 그 이후 서서히 증가하는 모습을 보였다. 횡방향 결정크기 역시 800℃까지는 큰 차이가 없다가 그 이후부터 큰 폭으로 증가하였다. 활성탄의 결정크기는 탄화온도에 따라 커지는 경향을 보였고, 층간거리는 줄어드는 경향을 보였다. 또한, 석탄계와 석유계 피치를 700℃이상의 고온으로 탄화한 후 활성탄을 제조했을 때 전기화학적 활성화 과정이 관측되었다. 이 과정이 낮은 비표면적에도 불구하고 비교적 높은 정전용량을 구현하는데 큰 영향을 끼치는 것으로 분석되었고, EDLC의 충전 전압이 높아질수록 더 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
Electric double layer capacitors (EDLCs) are energy storage devices that have fast charge-discharge rates, high power density and longer life cycles than secondary batteries. The most important factor affecting the performance of EDLC is activated carbon used as an electrode material. Generally, the...
Electric double layer capacitors (EDLCs) are energy storage devices that have fast charge-discharge rates, high power density and longer life cycles than secondary batteries. The most important factor affecting the performance of EDLC is activated carbon used as an electrode material. Generally, the higher the specific surface area of activated carbon, the higher the capacitance. Volumetric capacitance (F/cc) is more important than gravimetric capacitance (F/g) in order to reduce the size of EDLCs. When activated carbon having high specific surface area is used as the electrode material, the gravimetric capacitance is high, but the volumetric capacitance is low due to the low electrode density. In order to overcome this problem, we have studied the fabrication of EDLC electrode material having high volumetric capacitance by increasing electrode density. In order to make high density activated carbon for EDLC, coal tar pitch (CTP) was used as raw material and K2CO3, a mild activation agent, was used for activation. Experiments were carried out by changing the ratio of activation agent, and the activation temperature and time to investigate the optimal activation conditions. The coal tar pitch was stabilized at a temperature of 300℃ in air atmosphere for 2 hours. The ratios of CTP to activation agent were varied from 1:1 to 1:6, the activation temperatures were varied from 800 to 1000℃, and the activation times varied from 1 to 7 hours. The highest capacitance was obtained when the ratio of CTP to K2CO3 was 1:2, and decreased when the ratio was more than 1:2. As the activation temperature and time increased, the capacitance increased. The activation temperature was more sensitive than the activation time. The K2CO3 activated CTP at 1000℃ for 3 hours had the highest specific surface area (1489 m2/g), highest gravimetric (21.8 F/g), and volumetric capacitance (17.4 F/cc). The specific surface area of commercial activated carbon (MSP-20) was 2277 m2/g, and it’s gravimetric and volumetric capacitances were 25.0 F/g and 18.5 F/cc, respectively. In spite of much the lower specific surface area, the volumetric capacitance of the K2CO3 activated CTP was comparable to that of MSP-20. The specific surface area of the K2CO3 activated CTP was lower than half of the KOH activated CTP and it’s gravimetric capacitance was also lower showing 72% of the KOH activated CTP. However, it’s volumetric capacitance was about 91% of the KOH activated CTP. The CTP and petroleum pitch (PP) carbonized for 1 hour at 500∼1000℃ in nitrogen atmosphere were used as the electrode material of EDLC after KOH activation. As the carbonization temperature increased, specific surface area, pore volume and gravimetric capacitance decreased, but crystallinity and yield increased. Therefore, it was possible to control the crystalline structure, specific surface area and pore structure of activated carbon by changing the pre-carbonization temperature. Since the electrode density also increased with increasing the pre-carbonization temperature, the highest volumetric capacitances of 23.1 F/cc for CTP was obtained at 800℃ and of 28.4 F/cc for PP was obtained at 700℃, respectively, exhibiting 140% and 150% of commercial activated carbon (MSP-20). The specific surface area and pore volume of PP showed higher values than CTP, which is expected to be due to the higher aliphatic content and the narrower molecular weight distribution of PP. The electrochemical activation was observed from the electrodes for which CTP and PP were pre-carbonized at high temperatures above 700℃ and then activated by KOH. This process was found to have a significant effect on the high capacitance in spite of the low specific surface area, and it was analyzed that the higher charging voltage of EDLC, the greater the effect by electrochemical activation.
Electric double layer capacitors (EDLCs) are energy storage devices that have fast charge-discharge rates, high power density and longer life cycles than secondary batteries. The most important factor affecting the performance of EDLC is activated carbon used as an electrode material. Generally, the higher the specific surface area of activated carbon, the higher the capacitance. Volumetric capacitance (F/cc) is more important than gravimetric capacitance (F/g) in order to reduce the size of EDLCs. When activated carbon having high specific surface area is used as the electrode material, the gravimetric capacitance is high, but the volumetric capacitance is low due to the low electrode density. In order to overcome this problem, we have studied the fabrication of EDLC electrode material having high volumetric capacitance by increasing electrode density. In order to make high density activated carbon for EDLC, coal tar pitch (CTP) was used as raw material and K2CO3, a mild activation agent, was used for activation. Experiments were carried out by changing the ratio of activation agent, and the activation temperature and time to investigate the optimal activation conditions. The coal tar pitch was stabilized at a temperature of 300℃ in air atmosphere for 2 hours. The ratios of CTP to activation agent were varied from 1:1 to 1:6, the activation temperatures were varied from 800 to 1000℃, and the activation times varied from 1 to 7 hours. The highest capacitance was obtained when the ratio of CTP to K2CO3 was 1:2, and decreased when the ratio was more than 1:2. As the activation temperature and time increased, the capacitance increased. The activation temperature was more sensitive than the activation time. The K2CO3 activated CTP at 1000℃ for 3 hours had the highest specific surface area (1489 m2/g), highest gravimetric (21.8 F/g), and volumetric capacitance (17.4 F/cc). The specific surface area of commercial activated carbon (MSP-20) was 2277 m2/g, and it’s gravimetric and volumetric capacitances were 25.0 F/g and 18.5 F/cc, respectively. In spite of much the lower specific surface area, the volumetric capacitance of the K2CO3 activated CTP was comparable to that of MSP-20. The specific surface area of the K2CO3 activated CTP was lower than half of the KOH activated CTP and it’s gravimetric capacitance was also lower showing 72% of the KOH activated CTP. However, it’s volumetric capacitance was about 91% of the KOH activated CTP. The CTP and petroleum pitch (PP) carbonized for 1 hour at 500∼1000℃ in nitrogen atmosphere were used as the electrode material of EDLC after KOH activation. As the carbonization temperature increased, specific surface area, pore volume and gravimetric capacitance decreased, but crystallinity and yield increased. Therefore, it was possible to control the crystalline structure, specific surface area and pore structure of activated carbon by changing the pre-carbonization temperature. Since the electrode density also increased with increasing the pre-carbonization temperature, the highest volumetric capacitances of 23.1 F/cc for CTP was obtained at 800℃ and of 28.4 F/cc for PP was obtained at 700℃, respectively, exhibiting 140% and 150% of commercial activated carbon (MSP-20). The specific surface area and pore volume of PP showed higher values than CTP, which is expected to be due to the higher aliphatic content and the narrower molecular weight distribution of PP. The electrochemical activation was observed from the electrodes for which CTP and PP were pre-carbonized at high temperatures above 700℃ and then activated by KOH. This process was found to have a significant effect on the high capacitance in spite of the low specific surface area, and it was analyzed that the higher charging voltage of EDLC, the greater the effect by electrochemical activation.
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