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KR102683021B1 - 활성탄 전극 재료 - Google Patents

활성탄 전극 재료 Download PDF

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KR102683021B1
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피츠버그 스테이트 유니버시티
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Abstract

제어된 비율로 sp3 혼성화 무질서 탄소 상에 상응하는 D-밴드 탄소 및 sp2 혼성화 흑연 상에 상응하는 G-밴드 탄소를 포함하는 활성탄 입자를 포함하는 활성탄 분말. 추가로, 활성탄 입자는 활성탄 입자의 약 0.3 원자 % 내지 약 1.8 원자 % 범위인 양의 질소를 포함하고, 여기서 질소 원자의 적어도 일부는 G-밴드 탄소의 결정 격자 구조에서 탄소 원자로 대체된다. 또한, 탄소 입자는 약 900 m2/g 내지 약 2,500 m2/g 범위의 표면적, 약 1 nm 내지 약 4 nm 범위의 평균 기공 폭, 약 300 m2/g 내지 약 1,350 m2/g 범위의 미세다공성 표면적, 및 수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm 범위인 기공의 약 1,000 m2/g 내지 약 3,000 m2/g 범위의 누적 표면적을 갖는다.

Description

활성탄 전극 재료
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 11월 13일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 62/760,730을 우선권으로 주장하고, 이는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 에너지 저장 장치용 전극 재료에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 배터리 및 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 장치에서 전극 재료로 사용하기 위한 활성탄 재료에 관한 것이다.
발명의 요약
본 발명의 한 실시양태는 활성탄 입자를 포함하는 활성탄 분말에 관한 것이고, 여기서 활성탄 입자는 약 900 m2/g 내지 약 2,500 m2/g 범위의 브루나우어-에멧-텔러(BET) 표면적을 갖는다. 여기서 상기 활성탄 입자는 다음을 포함한다:
(a) 다음을 포함하는 탄소:
(i) sp3 혼성화 무질서 탄소 상에 상응하는 D-밴드 탄소; 및
(ii) sp2 혼성화 흑연 상에 상응하는 G-밴드 탄소;
여기서 D-밴드 탄소 및 G-밴드 탄소는 라만 분광법을 사용하여 결정된 비율에서, IG/ID 비율이 0 내지 약 2 범위이도록 D-밴드 탄소(ID) 및 G-밴드 탄소(IG)의 상대 강도에 도달함;
(b) 활성탄 입자의 약 0.3 원자 % 내지 약 1.8 원자 % 범위인 X-선 광전자 분광법에 의해 결정된 양의 질소, 여기서 질소 원자의 적어도 일부는 G-밴드 탄소 sp2 혼성화 흑연 상의 결정 격자 구조에서 탄소 원자로 대체됨;
(c) 직경이 2 nm 내지 5 nm 범위인 중간기공 및 직경이 2 nm 미만인 미세기공, 활성탄 입자는 다음을 갖는다:
(i) 약 1 nm 내지 약 4 nm 범위의 바렛, 조이너 및 할렌다(Barrett, Joyner, and Halenda, BJH) 방법에 의해 결정된 평균 기공 폭;
(ii) 약 300 m2/g 내지 약 1,350 m2/g 범위의 t-플롯 방법에 의해 결정된 미세다공성 표면적; 및
(ii) 수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm 범위인 미세기공의 약 1,000 m2/g 내지 약 3,000 m2/g 범위인 누적 표면적.
본 발명의 한 실시양태는 전술한 활성탄 분말의 활성탄 입자 제조 공정에 관한 것이다. 공정은 다음을 포함한다:
탄화되지 않은 식물 재료 분말, 부분적으로 탄화된 않은 식물 재료 분말, 또는 이들의 조합을 포함하는 전구체의 활성화-열분해 처리를 수행하는 단계, 여기서 활성화-열분해 처리는 다음을 포함함:
전구체를 활성화제와 혼합하여 전구체-활성화제 혼합물을 형성하는 단계, 여기서 활성화제가 활성화-열분해 처리 동안 전구체의 탄소와 반응함으로써 활성화-열분해 처리 후 수행되는 세척 처리 동안 제거되기에 적합한 하나 이상의 생성물을 형성함; 및 이들의 조합; 및
열분해 불활성 분위기에서 열분해 온도에서 전구체의 탄화를 완료하기에 충분한 열분해 지속시간 동안 전구체-활성화제 혼합물을 가열함으로써 활성화-열분해된 재료를 형성하는 단계; 및
활성화-열분해된 재료로부터 탄소와 활성화제 간의 반응의 하나 이상의 생성물을 감소시키거나 제거하기에 적합한 하나 이상의 세척액을 사용하여 활성화-열분해된 재료의 세척 처리를 수행함으로써 활성탄 분말의 활성탄 입자를 형성하는 단계.
본 발명의 일 실시양태는 전술한 활성탄 분말을 포함하는 전극에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시양태는 전술한 전극을 포함하는 배터리에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시양태는 전술한 전극을 포함하는 슈퍼커패시터에 관한 것이다.
도 1은 상업적으로 이용 가능한 탄소 및 본 발명의 활성탄 실시양태의 스캔 속도 및 전류 밀도의 함수로서 비용량을 보여주는 차트를 포함한다.
도 2는 1:0 (비활성화), 1:0.5, 1:1, 및 1:2의 잎 대 KOH 질량비에서 대두 잎으로부터 유래한 탄소의 XRD 패턴을 포함한다.
도 3은 1:0.5, 1:1, 및 1:2의 잎 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 잎으로부터 유래한 탄소의 질소 흡착-탈착 등온선을 포함한다.
도 4는 1:0.5, 1:1, 및 1:2의 잎 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 잎으로부터 유래한 활성탄의 BJH 기공 크기 분포 플롯을 포함한다.
도 5는 1:0.5, 1:1, 1:2, 및 1:3의 껍질 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 껍질 재료로부터 유래한 탄소의 라만 스펙트럼을 포함한다.
도 6은 1:0.5, 1:1, 1:2, 및 1:3의 줄기 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 줄기 재료로부터 유래한 탄소의 라만 스펙트럼을 포함한다.
도 7은 1:0 (비활성화), 1:0.5, 1:1, 및 1:2의 잎 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 껍질 재료로부터 유래한 탄소의 라만 스펙트럼을 포함한다.
도 8은 표시된 대두 재료 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 껍질, 줄기, 및 잎 재료로부터 유래한 탄소의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 포함한다.
도 9는 1:0 (비활성화, SB-껍질-1), 1:0.5 (SB-껍질-2), 1:1 (SB-껍질-3), 1:2 (SB-껍질-4), 및 1:3 (SB-껍질-5)의 껍질 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 껍질로부터 유래한 탄소의 XRD 패턴을 포함한다.
도 10은 1:0 (비활성화, SB-줄기-1), 1:0.5 (SB-줄기-2), 1:1 (SB-줄기-3), 1:2 (SB-줄기-4), 및 1:3 (SB-줄기-5)의 줄기 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 줄기로부터 유래한 탄소의 XRD 패턴을 포함한다.
도 11은 1:0 (비활성화, SB-줄기-1), 1:0.5 (SB-줄기-2), 1:1 (SB-줄기-3), 1:2 (SB-줄기-4), 및 1:3 (SB-줄기-5)의 껍질 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 껍질로부터 유래한 탄소의 질소 흡착-탈착 등온선을 포함한다.
도 12는 1:0 (비활성화, SB-줄기-1), 1:0.5 (SB-줄기-2), 1:1 (SB-줄기-3), 1:2 (SB-줄기-4), 및 1:3 (SB-줄기-5)의 줄기 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 줄기로부터 유래한 탄소의 질소 흡착-탈착 등온선을 포함한다.
도 13은 1:0 (비활성화, SB-줄기-1), 1:0.5 (SB-줄기-2), 1:1 (SB-줄기-3), 1:2 (SB-줄기-4), 및 1:3 (SB-줄기-5)의 껍질 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 껍질로부터 유래한 활성탄의 BJH 기공 크기 분포 플롯을 포함한다.
도 14는 1:0.5 (SB-줄기-2), 1:1 (SB-줄기-3), 1:2 (SB-줄기-4), 및 1:3 (SB-줄기-5)의 줄기 대 KOH 질량비에서 활성화된 대두 줄기로부터 유래한 활성탄의 BJH 기공 크기 분포 플롯을 포함한다.
도 15는 다양한 전해질에서 적용된 전류 밀도의 함수로서 샘플 SB-껍질-3(즉, 1:1의 껍질 대 KOH 질량비에서 대두 껍질로부터 유래한 활성탄)의 비정전용량의 변화를 보여준다.
도 16은 상용 탄소 및 질소 도핑된 상용 탄소의 충전-방전 프로파일이다.
도 17은 본 발명의 일 실시양태의 활성탄 재료를 사용하여 제조된 동전형 전지 슈퍼커패시터에 대한 충전-방전 사이클의 수의 함수로서 정전용량 및 쿨롱 효율의 %의 그래프이다.
도 18은 2-단계 공정을 사용하여 제조 및 대두 줄기로부터 1-단계 공정을 사용하여 제조되고 1:0.5 중량비를 사용하여 활성화된 활성탄의 100 mV/s에서의 CV 곡선을 비교하는 그래프이다.
도 19는 2-단계 공정을 사용하여 제조 및 대두 줄기로부터 1-단계 공정을 사용하여 제조되고 1:0.5 중량비를 사용하여 활성화된 활성탄의 200 mV/s에서의 CV 곡선을 비교하는 그래프이다.
도 20은 대두 줄기로부터 2-단계 공정을 사용하여 제조된 활성탄 대 1-단계 공정을 사용하여 제조된 활성탄의 1 A/g에서의 전하 저장 용량을 비교하는 그래프이고, 여기서 각 컬럼 위에 나타난 비율은 2-단계 공정에 대해 프리-활성탄 대 활성화제의 비율 및 1-단계 공정에 대해 대두 줄기 대 활성화제의 비율이다.
도 21은 대두 줄기로부터 2-단계 공정을 사용하여 제조된 활성탄 대 1-단계 공정을 사용하여 제조된 활성탄의 5 A/g에서의 전하 저장 용량을 비교하는 그래프이고, 여기서 각 컬럼 위에 나타난 비율은 2-단계 공정에 대해 프리-활성탄 대 활성화제의 비율 및 1-단계 공정에 대해 대두 줄기 대 활성화제의 비율이다.
도 22는 1-단계 공정을 사용하여 합성된 대두 줄기 기반의 활성탄(1:0.5)의 세 가지 전류 밀도(1 A/g, 5 A/g, 및 10 A/g)에서 전하 저장 용량 속도 능력을 비교하는 그래프이다.
도 23 (A)는 적용된 전류 밀도의 함수로서 전하 저장 용량을 보여주는 그래프이고 (B)는 6M KOH 전해질 중의 줄기:KOH (1:1) 활성탄과 함께 1-단계 공정을 사용하여 제작된 장치의 에너지 밀도의 함수로서 전력 밀도를 보여주는 그래프이다.
도 24 (A)는 1-단계 공정을 사용하여 제조된 대두 줄기:KOH (1:1) 활성탄을 사용하는 장치에 대한 충전-방전 사이클의 함수로서 용량 유지 및 쿨롱 효율을 보여주는 그래프이고, (B)는 장치 1, 직렬로 연결된 장치 1 및 2, 및 직렬로 연결된 장치 1, 2, 및 3의 충전-방전 특징을 보여주는 그래프이고, 여기서 장치 각각은 대두 줄기:KOH (1:1) 활성탄을 사용하여 1-단계 합성된 탄소를 사용하여 제작되었고, 장치 1은 전해질로서 6M KOH를 사용했고, 장치-2는 전해질로서 6M NaOH를 사용했고, 장치-3은 전해질로서 6M LiOH를 사용했다.
발명의 상세한 설명
I. 활성탄 입자를 포함하는 활성탄 분말
위에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시양태는 활성탄 입자를 포함하는 활성탄 분말에 관한 것이다. 중요하게도, 본 발명의 활성화된 입자는 일반적으로 폐기물로 간주되는 식물 기반의 재료로부터 유래한다. 아래에서 더 상세히 논의될 것과 같이, 출발 재료의 조성과 함께 상기 재료의 가공이 함께 상용 탄소 입자와 비교하여 바람직한 특성을 갖는 활성탄 입자를 산출하는 것으로 생각된다. 예를 들어, 본 발명의 활성탄 입자의 일 실시양태는 상용 탄소 전극 재료의 대략 7.5 배 에너지 저장 용량 및 방전 전류 밀도를 3 A/g로부터 15 A/g로 증가시키면 초기 저장 용량의 약 83%를 유지시키는 상기 실시양태의 활성탄으로 인한 안정한 속도 능력을 나타냄이 관찰되었고, 반면에 상용 탄소 입자는 유사한 조건 하에 초기 저장 용량의 약 16%만을 유지한다.
II. 활성탄 입자 제조 방법
A. 식물 기반 재료
언급한 바와 같이, 본 발명의 활성탄 입자는 식물 기반 재료로부터 유래한다. 본질적으로 임의의 적합한 식물 기반 재료가 사용될 수 있지만 경제적 및 환격적 이유로 폐기물로 간주되는 식물 재료 또는 바이오매스를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 예를 들어, 적합한 바이오매스 낟알이 아닌 대두 식물 부분(예를 들어, 잎, 껍질, 및 줄기), 대두 낟알, 감귤류 껍질(예를 들어, 오렌지, 레몬, 라임 등), 바나나 껍질, 찻잎, 옥수수 대, 옥수수 낟알, 옥수수 주정박, 코코넛 겉껍질, 및 이들의 조합을 포함한다. 일 실시양태에서, 식물 기반 재료/바이오매스는 껍질, 줄기, 잎, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 닫알이 아닌 대두 식물 부분이다. 비록 본 명세서에 제시된 개시 및 실시예의 대부분이 그러한 대두 식물 재료 실시양태에 관한 것이지만, 이는 달리 명시적으로 지시되지 않는 한 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다. 대신, 몇시적으로 지시되지 않는 한, 본 명세서의 교시는 다른 유형의 식물 기반 재료에 동일하게 적용된다.
일반적으로, 식물 기반 재료는 식물 기반 재료가 건조 분말 또는 미립자이도록, 절단, 다지기, 분쇄, 연삭 등, 아마도 헹굼 및 건조와 같은 기계적 작업을 거친다.
특정 이론에 얽매이지 않고, 이러한 식물 기반 재료의 조성이 본 발명의 활성탄 입자의 독특하고 바람직한 특성에서 역할을 하는 것으로 생각된다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 재료 내의 단백질이 적어도 그 일부가 전기 전도성인 흑연 상 또는 G-밴드 탄소 sp2 혼성화 흑연 상의 결정 격자 구조에서 탄소 원자로 대체된 질소 원자를 포함하는 활성탄 입자를 생성하는 것으로 생각된다.
B. 열 전처리
활성탄 분말의 활성탄 입자 제조 공정은 깨끗하고 건조한 식물 재료의 입자를 포함하는 식물 재료 분말의 선택적인 열 전처리를 포함할 수 있다. 열 전처리는 전처리 불활성 분위기에서 전처리 온도에서 식물 재료 분말 내의 휘발성, 저안정성 분자를 방출하기에 충분한 전처리 지속시간 동안 식물 재료 분말을 가열함으로써, 아래 설명된 활성화-열분해 처리에 적합한 부분적으로 탄화된 않은 식물 재료 분말을 생성하는 것을 포함한다.
일 실시양태에서, 전처리 불활성 분위기는 질소, 아르곤, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고; 전처리 온도는 약 250 ℃ 내지 약 500 ℃ 범위이고; 전처리 지속시간은 약 1 시간 내지 약 2 시간 범위이다.
또 다른 실시양태에서, 전처리 불활성 분위기는 질소, 아르곤, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고; 전처리 온도는 약 300 ℃ 내지 약 400 ℃ 범위이고; 전처리 지속시간은 약 1 시간 내지 약 2 시간 범위이다.
열 전처리가 수행되는 경우, 그러한 공정은 본 명세서에서 "2-단계" ("2-step" 또는 "two-step") 공정으로 지칭될 수 있다. 열 전처리가 수행되지 않는 경우, 그러한 공정은 본 명세서에서 "1-단계" ("1-step" 또는 "one-step") 공정으로 지칭될 수 있다. 놀랍게도, 선택적 열 전처리를 수행하지 않는 것이 생성된 재료의 전하 저장 용량을 크게 감소시키지 않으면서 공정 지속시간 및 비용을 크게 감소시킨다. 실제로, 현재까지 일부 결과가 1-단계 공정이 실제로 전하 저장 용량을 증가시킬 수 있음을 보여준다. 예를 들어, 도 18 및 19에 나타난 2-단계 및 1-단계 탄소의 전류-전압 특징이 유사하다. 반면, 도 18 및 19에 나타난 2-단계 탄소에 비해 1-단계 탄소에 대한 CV 곡선 아래의 넓은 면적은 1-단계 탄소가 전하 저장 용량을 개선했음을 시사한다. 명시적으로 언급하지 않는 한, 본 명세서에 제시된 활성탄 분말의 특성은 1-단계 공정 또는 2-단계 공정에 의해 제조된 분말에 적용된다.
C. 활성화-열분해 처리
상기 방법은 탄화되지 않은 식물 재료 분말, 부분적으로 탄화된 않은 식물 재료 분말 (전술한 열 전처리를 거칠 수 있음), 또는 이들의 조합을 포함하는 전구체 재료가 활성화-열분해 처리를 거치는 것을 포함하고 이는 전구체 재료를 탄화시키고 높은 표면적, 변경된 중간- 및 미세-다공성, 변경된 조성, 및 변경된 결정학적 구조에 기여한다. 임의의 혼동을 피하기 위해, 부분적으로 탄화된 않은 식물 재료 분말의 경우에, 활성화-열분해 처리가 부분적으로 탄화된 않은 식물 재료 분말의 탄화를 계속한다.
1. 전구체를 활성화제와 혼합
활성화-열분해 처리는 전구체를 활성화제와 혼합하여 전구체-활성화제 혼합물을 형성하는 것을 포함한다. 활성화제는 활성화-열분해 처리 동안 전구체의 탄소와 반응함으로써 활성화-열분해 처리 후 수행되는 세척 처리 동안 제거되기에 적합한 하나 이상의 생성물을 형성한다. 일 실시양태에서, 활성화제는 KOH, NaOH, ZnCl2, H3PO4, 수증기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 또 다른 실시양태에서, 활성화제는 KOH이다.
생성된 활성탄 입자의 특성 중 하나 이상 제어에서 중요한 인자는 활성화제의 선택 및 혼합물 중의 활성화제 및 전구체의 상대적인 양이다. KOH는 전술한 활성화제 중 가장 반응성이거나 효율적인 것으로 관찰되었다. 추가로, 전구체에 대한 활성화제의 양 증가가 생성된 활성탄 입자의 표면적을 증가시키는 경향이 있는 것으로 관찰되었다.
활성탄 입자 내의 중간기공(즉, 직경이 2 nm 내지 4 nm 범위인 기공) 및 미세기공(즉, 직경이 2 nm 미만인 기공)의 상대적인 양이 전구체에 대한 활성화제의 양에 의해 영향을 받음이 또한 관찰되었다. 구체적으로, 활성화제의 상대적인 양이 증가함에 따라 평균 기공 직경이 감소하는 경향이 관찰되었다. 활성화제의 양은 증가함에 따라 기공 직경이 증가할 것으로 예상될 것이기 때문에, 이러한 관찰은, 초기 고려 시, 반직관적인 것처럼 보인다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 평균 기공 직경의 감소는 충분히 큰 크기에 도달하면 기공이 붕괴되는 결과일 수 있다고 생각된다.
또한, 활성탄 입자의 질소 함량(아래에서 더욱 자세히 설명됨)은 활성화제의 상대적인 양이 증가함에 따라 감소하는 경향이 있는 것으로 관찰되었다.
또한, 활성탄 입자의 결정학적 구조의 균일성(아래에서 더욱 자세히 설명됨)은 활성화제의 상대적인 양이 증가함에 따라 감소하는 경향이 있는 것으로 관찰되었다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 질소 원자(활성탄 입자에서 탄소의 흑연 상 또는 G-밴드 탄소 내의 탄소 원자로 대체됨, "흑연 질소"로도 지칭될 수 있음)가 활성화 과정의 일부로서 손실됨에 따라, 흑연 상 또는 G-밴드 탄소의 결정학적 구조가 균일성을 잃고, 그 결과, 활성탄은 활성화제의 상대적인 양이 증가함에 따라 다이아몬드 상 또는 D-밴드 탄소에 대해 더 적은 G-밴드 탄소를 포함하는 경향이 있는 것을 생각된다.
일 실시양태에서, 전구체 및 비-수증기 활성화제는 약 1:0.5 내지 약 1:3 범위의 질량비이다.
또 다른 실시양태에서, 전구체 및 비-수증기 활성화제는 약 1:1 내지 1:2 범위의 질량비이다.
또 다른 실시양태에서, 전구체 및 비-수증기 활성화제는 약 1:0.125 내지 약 1:1 범위의 질량비이다.
2. 전구체-활성화제 혼합물의 열분해
활성화-열분해 처리는 열분해 불활성 분위기에서 열분해 온도에서 전구체의 탄화를 완료하기에 충분한 열분해 지속시간 동안 전구체-활성화제 혼합물을 가열함으로써 활성화-열분해된 재료를 형성하는 것을 추가로 포함한다.
일 실시양태에서, 열분해 분위기는 질소, 아르곤, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고; 열분해 온도는 약 600 ℃ 내지 약 900 ℃ 범위이고; 열분해 지속시간은 약 1 시간 내지 약 2 시간 범위이다.
또 다른 실시양태에서, 열분해 분위기는 질소, 아르곤, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고; 열분해 온도는 약 700 ℃ 내지 약 850 ℃ 범위이고; 열분해 지속시간은 약 1 시간 내지 약 2 시간 범위이다.
D. 세척 처리
상기 방법은 활성화-열분해된 재료가 세척 처리를 거치는 것을 추가로 포함한다. 세척 처리는 활성화-열분해된 재료를 활성화-열분해된 재료로부터 탄소와 활성화제 간의 반응의 하나 이상의 생성물을 감소시키거나 제거하기에 적합한 하나 이상의 세척액과 접촉시킴으로써 활성탄 분말의 활성탄 입자를 형성하는 것을 포함한다.
일 실시양태에서, 세척 처리의 세척액 중 적어도 하나는 HCl, 탈이온수 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 용해된 화합물을 포함하는 용액이다.
또 다른 실시양태에서 세척 처리의 세척액 중 적어도 하나는 HCl 용액 및 탈이온수를 포함하는 용액이고 후속 세척액은 탈이온수이다.
E. 건조
공정은 활성탄 입자 건조를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 활성탄 입자가 응집되는 경우, 이들은 더 나은 분리를 위해 물리적 작업(예를 들어, 연삭)을 거칠 수 있다.
III. 활성탄 입자
A. 높은 표면적
위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 활성탄 입자는 배터리 및 슈퍼커패시터용 전극과 같은 전기 에너지 저장 응용분야에 매우 적합하게 하는 특정한 특성을 갖는다. 그러한 특성 중 하나는 상대적으로 높은 표면적이다. 예를 들어, 일 실시양태에서, 활성탄 입자는 약 1,100 m2/g 내지 약 2,100 m2/g 범위의 브루나우어-에멧-텔러(BET) 표면적을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 활성탄 입자의 BET 표면적은 약 900 m2/g 내지 약 2,500 m2/g 범위이다. 또 다른 실시양태에서, 활성탄 입자의 BET 표면적은 약 1,300 m2/g 내지 약 2,100 m2/g 범위이다.
위에서 언급한 바와 같이, 표면적의 정도는 대체로 활성화제의 선택 및 재료에 대한 탄소 전구체의 상대적인 양에 의해 제어될 수 있다. 구체적으로, 전구체에 비해 더 효과적인 활성화제 및/또는 더 많은 활성화제 선택이 더 높은 표면적을 생성하는 경향이 있다.
B. D-밴드 및 G-밴드 재료를 포함하는 탄소
활성탄 입자는 탄소를 포함하고 탄소는 상이한 결정학적 구조를 갖는다. 구체적으로, 탄소는 sp3 혼성화 무질서 탄소 상에 상응하는 D-밴드 탄소 및 sp2 혼성화 흑연 상에 상응하는 G-밴드 탄소를 포함한다.
일 실시양태에서, D-밴드 탄소 및 G-밴드 탄소는 라만 분광법을 사용하여 결정된 비율에서, IG/ID 비율이 0 내지 약 2 범위이도록 D-밴드 탄소(ID) 및 G-밴드 탄소(IG)의 상대 강도에 도달한다.
또 다른 실시양태에서, IG/ID 비율은 약 0 내지 약 1.7 범위이다.
또 다른 실시양태에서, IG/ID 비율은 약 0 내지 약 1.5 범위이다.
G-상의 존재는 D-상 탄소보다 전도성이 높기 때문에 활성탄의 전하 저장 용량을 개선할 것으로 예상된다.
C. 질소
전술한 바와 같이, 활성탄 입자는 또한 질소를 포함한다. 질소 원자의 적어도 일부는 G-밴드 탄소 sp2 혼성화 흑연 상의 결정 격자 구조에서 탄소 원자로 대체되는 것으로 생각된다. 또한 전술한 바와 같이, 활성탄 입자의 질소 함량은 활성화-열분해 처리를 통해 제어되거나 선택될 수 있다. 특히, 전구체 및 활성화제의 질량비가 질소 함량에서 중요한 역할을 하는 것으로 관찰되었다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 활성화제와 전구체 사이의 활성화 반응의 일부로서 형성된 기공을 통해 질소가 활성탄으로부터 침출되거나 제거될 수 있는 것으로 생각된다.
배터리 및 슈퍼커패시터와 같은 전기 저장 응용분야의 전극에서 활성탄 입자의 바람직한 성능은 활성탄 입자의 질소 함량을, X-선 광전자 분광법에 의해 결정하여 질소가 활성탄 입자의 약 0.5 원자 % 내지 약 1.7 원자 % 범위의 양이도록 제어함으로써 달성됨이 관찰되었다.
또 다른 실시양태에서, 질소의 양은 활성탄 입자의 약 0.4 원자 % 내지 약 1.8 원자 % 범위이다.
또 다른 실시양태에서, 질소의 양은 활성탄 입자의 약 0.5 원자 % 내지 약 1.1 원자 % 범위이다.
D. 기공
전술한 바와 같이, 활성탄 입자는 또한 직경이 2 nm 내지 4 nm 범위인 중간기공 및 직경이 2 nm 미만인 미세기공을 포함한다. 본 발명의 활성탄 입자의 다공성은 약 1,000 m2/g 내지 약 2,500 m2/g 범위인 표면적에 추가하여 다양한 방식으로 특징화될 수 있다 (예를 들어, 하기 표 A 참조).
1. 평균 기공 폭
예를 들어, 활성탄 입자는 중간기공 및 미세기공의 상대적인 양의 척도인 평균 기공 폭 측면에서 특징화될 수 있다. 일 실시양태에서, 바렛, 조이너 및 할렌다(BJH) 방법에 의해 결정된 흡착 평균 기공 폭 약 1 nm 내지 약 4 nm 범위이다. 또 다른 실시양태에서, 평균 기공 폭은 약 1 nm 내지 약 2 nm 범위이다. 또 다른 실시양태에서, 평균 기공 폭은 약 2 nm 내지 약 4 nm 범위이다.
기공 크기를 조정하는 능력은 광범위한 전해질의 사용을 허용한다. 적절한 크기의 기공은 이러한 탄소의 기공으로 전해질 이온의 용이한 접근을 허용할 것이다.
2. 미세다공성 표면적
본 발명의 활성탄 입자는 또한 미세다공성 표면적 측면에서 특징화될 수 있다. 예를 들어, 일 실시양태에서, t-플롯 방법에 의해 결정된 미세다공성 표면적은 약 300 m2/g 내지 약 1,300 m2/g 범위이다. 또 다른 실시양태에서, 미세다공성 표면적은 약 1,000 m2/g 내지 약 1,300 m2/g 범위이다. 또 다른 실시양태에서, 미세다공성 표면적은 약 600 m2/g 내지 약 1,200 m2/g 범위이다.
미세기공의 존재는 전해질 이온의 흡착-탈착 과정에 더 큰 표면을 제공하는 경향이 있다.
3. 미세다공성 부피
활성탄 입자는 또한 미세다공성 부피 측면에서 특징화될 수 있다. 예를 들어, 일 실시양태에서, t-플롯 방법에 의해 결정된 미세다공성 부피는 약 0.1 cm3/g 내지 약 0.7 cm3/g 범위이다. 또 다른 실시양태에서, 미세다공성 부피는 약 0.4 cm3/g 내지 약 0.7 cm3/g 범위이다.
미세기공 부피가 제어되어 활성탄의 전하 저장 용량을 증가시킬 수 있는 것으로 생각된다.
4. 특정 크기의 미세기공의 누적 표면적
활성탄 입자는 또한 특정 크기 범위의 미세기공의 누적 표면적 측면에서 특징화될 수 있다. 예를 들어, 일 실시양태에서, 활성탄 입자는 수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm 범위인 미세기공의 약 1,000 m2/g 내지 약 3,000 m2/g 범위인 누적 표면적을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm 범위인 미세기공의 누적 표면적은 약 1,400 m2/g 내지 약 2,600 m2/g 범위이다. 또 다른 실시양태에서, 수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm 범위인 미세기공의 누적 표면적은 약 1,700 m2/g 내지 약 2,700 m2/g 범위이다.
수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm 범위인 미세기공의 누적 표면적이 탄소의 전하 저장 용량에 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. 예를 들어, 수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm인 미세기공의 2,000-2,600 m2/g 범위인 누적 표면적은 기공 내의 전해질의 상대적으로 용이한 접근을 허용하고 따라서 더 큰 전하 저장 용량을 제공하는 것으로 생각된다.
5. 특정 크기의 미세기공의 누적 부피
활성탄 입자는 또한 특정 크기 범위의 미세기공의 누적 부피 측면에서 특징화될 수 있다. 예를 들어, 일 실시양태에서, 수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm 범위인 미세기공의 누적 부피는 약 0.35 cm3/g 내지 약 1.6 cm3/g 범위이다. 또 다른 실시양태에서, 수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm 범위인 미세기공의 누적 부피는 약 0.6 cm3/g 내지 약 1.1 cm3/g 범위이다. 또 다른 실시양태에서, 수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm 범위인 미세기공의 누적 부피는 0.4 cm3/g 내지 약 1.4 cm3/g 범위이다.
미세기공의 누적 부피 및 표면적은 전술한 기공 크기 범위 내에서 다공성의 정도를 정량화하는 대안적인 방식이다.
E. 활성탄 입자의 비정전용량
활성탄 입자는 배터리 및 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 응용분야에서 전극 재료로서 사용하기에 특히 적합하다. 그러한 응용분야에 대한 이들의 적합성은 비정전용량(Csp) 측면엣어 평가될 수 있다.
실시양태에서, 2-단계 공정을 사용하여 제조된 활성탄 입자는 1 암페어/그램(A/g)의 전류 밀도에서, 약 130 패럿/그램(F/g) 내지 약 330 F/g 범위인 비정전용량을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 1 A/g의 전류 밀도에서 비정전용량은 약 160 F/g 내지 약 210 F/g 범위이다. 또 다른 실시양태에서, 1 A/g의 전류 밀도에서 비정전용량은 약 110 F/g 내지 약 260 F/g 범위이다.
실시양태에서, 1-단계 공정을 사용하여 제조된 활성탄 입자는 1 암페어/그램(A/g)의 전류 밀도에서, 약 100 F/g 내지 약 250 F/g 범위의 비정전용량; 5 암페어/그램(A/g)의 전류 밀도에서, 약 80 패럿/그램(F/g) 내지 약 175 F/g 범위의 비정전용량; 및 10 암페어/그램(A/g)의 전류 밀도에서, 약 60 패럿/그램(F/g) 내지 약 160 F/g의 비정전용량을 갖는다.
IV. 에너지 저장 장치
본 발명의 활성탄 입자는 에너지 저장 장치에서 테스트되었고 활성탄 입자는 높은 속도 안정성을 갖는 장치에 기여했다.
예를 들어, 방전 전류를 3 A/g로부터 15 A/g까지 증가시키면, 2-단계 활성탄 입자로부터 형성된 전극은 초기 전하 저장 용량의 80% 이상을 유지했다. 또한, 이러한 2-단계 탄소 입자를 사용하여 제작된 슈퍼커패시터 장치는 거의 100% 쿨롱 효율로 5,000 회 이상의 사이클의 충전-방전 연구에서 초기 전하 저장 용량의 95% 이상을 유지했다.
예를 들어, 방전 전류를 1 A/g로부터 5 A/g까지 증가시키면, 1-단계 활성탄 입자로부터 형성된 전극은 초기 전하 저장 용량의 약 78.5%를 유지했다. 5 A/g로부터 10 A/g까지 추가로 증가하면 충전 용량의 또 다른 4.5% 손실만이 관찰되었다 (즉, 초기 전하 저장 용량의 약 74%를 유지함) (도 22에 나타남). 또한, 이러한 1-단계 탄소 입자를 사용하여 제작된 슈퍼커패시터 장치는 거의 100% 쿨롱 효율로 10,000 회 이상의 사이클의 충전-방전 연구에서 초기 전하 저장 용량의 90% 이상을 유지했다 (도 24(A)에 나타남).
V. 실시예
A. 합성
활성탄 샘플은 대두 잎, 줄기, 및 껍질로부터 합성되었다. 대두 재료가 세척되고 60 ℃에서 건조되었다. 건조된 재료가 미세 분말로 분쇄되었다. 이 분말은 1-단계 공정을 사용하여 제조된 샘플의 전구체였다. 2-단계 공정을 사용하여 제조된 샘플의 경우, 분말은 350 ℃에서 2 시간 동안 질소 분위기 하에 열 전처리를 거쳐 식물 재료 분말 내의 휘발성, 저안정성 분자를 방출시킴으로써 부분적으로 탄화된 식물 분말을 생성하고, 이는 활성화 및 열분해에 적합한 전구체였다.
전구체의 활성화-열분해 처리가 수행되었다. 활성화-열분해 처리는 전구체를 KOH 활성화제와 혼합하여 전구체-활성화제 혼합물을 형성하는 것을 포함했다. KOH는 활성화-열분해 처리 동안 전구체 중의 탄소와 반응함으로써 활성화-열분해 처리 후에 수행된 세척 처리 동안 제거되기에 적합한 하나 이상의 생성물을 형성했다. 특히, 적어도 식 (1)의 반응이 발생한 것으로 생각된다:
6KOH + 2C (전구체로부터) → 3H2 + 2K2CO3 (1)
다양한 전구체:활성화제 질량비가 선택되어 (예를 들어, 1:0.125, 1:0.25, 1:0.5, 1:1, 1:2, 및 1:3) 생성된 활성탄의 (예를 들어, 표면적에 대한) 효과(들)을 평가했다. 예를 들어, 1 그램의 전구체가 1 그램의 KOH 펠렛과 혼합되어 1:1 질량비를 달성했다. KOH 활성화제와 혼합되지 않은 전구체 샘플이 대조군으로서 사용되었다.
이후 전구체-활성화제 혼합물이 질소의 열분해 불활성 분위기에서 (질소 흐름 하의 관상로에서) 약 800 ℃의 열분해 온도에서 약 2 시간의 열분해 지속시간 동안 가열되었고, 이는 전구체의 탄화 완료에 충분했고 이에 의해 활성화-열분해된 재료를 형성했다.
그 후, 활성화-열분해된 재료는 탄소와 활성화제(이 경우에 포타슘 카르보네이트) 간의 반응의 하나 이상의 생성물을 감소시키거나 제거하기에 적합한 하나 이상의 세척액을 사용한 세척 처리를 거치는 분말로 분쇄되었다. 특히, 재료는 수성 1M HCl 세척액 및 후속하여 탈이온수로 세척되었다. 염산은 포타슘 카르보네이트와 반응하여 방출되는 이산화탄소 가스 및 탈이온수로 제거되는 용질 포타슘 클로라이드를 형성했다. 활성탄 입자는 60 ℃에서 밤새 건조되었다.
1. 비정전용량
도 1에 나타나는 바와 같이, 대두 잎으로부터의 탄소는 배터리 및 슈퍼커패시터에 사용되는 상용으로 입수 가능한 탄소보다 훨씬 더 큰 비정전용량을 갖는다. 대두 잎으로부터의 탄소는 상용 탄소와 비교하여 훨씬 더 큰 에너지 저장 용량을 가졌다. 예를 들어, 10 A/g에서, 상용 탄소는 16 F/g를 저장한 반면 대두 잎으로부터의 탄소는 7.5 배 더 큰 에너지 저장 용량인 121 F/g를 저장했다. 또한, 대두 잎으로부터의 탄소는 더 안정적인 속도 능력을 보여준다. 예를 들어, 방전 전류 밀도를 3 A/g로부터 15 A/g로 증가시키면, 상용 탄소는 초기 전하 저장 용량의 16.3%만을 유지한 반면, 대두 잎으로부터의 탄소는 초기 저장 용량의 83.1%를 유지했다.
2. X-선 회절
합성된 탄소 샘플은 2θ-θ 스캔 및 복사원으로서 CuKα1 (λ=1.5406 Å)를 사용하는 X-선 분말 회절(Shimadzu X-선 회절기) 방법을 사용하여 특징화되었다. 도 2, 9, 및 10은 여러 상이한 KOH의 질량비의 잎, 껍질, 및 줄기로부터의 비활성 탄소 및 활성탄의 XRD 패턴을 나타낸다. 활성탄 샘플에서 24o 및 44o의 2θ를 중심으로 하는 XRD 피크는 흑연 탄소의 (002) 및 (100) 평면에 해당한다. 흑연 상의 존재는 전극 재료로서의 적합성을 나타낸다. 넓은 저강도 피크는 탄소 샘플의 무질서한 특성을 나타낸다. 일반적으로, 흑연 탄소 피크는 KOH 질량비 증가에 따라 더 넓어지고 강도가 감소하는 경향이 있으며, 탄소 샘플에서 흑연 구조의 감소를 시사한다. 이러한 관찰은 탄소 샘플의 흑연화 정도가 주로 화학적 활성화의 함수임을 나타낸다.
3. 라만 분광법
아르곤 이온 레이저 라만 분광법이 사용되어 여기원으로서 514.5 nm의 파장을 사용하여 탄소의 G- 및 D-밴드를 결정했다. 라만 분광법이 사용되어 각각 도 5-7에 나타나는 바와 같이 대두 껍질, 줄기, 및 잎으로부터 생성된 탄소의 흑연 및 다이아몬드 상을 결정했다. 1354 및 1591 cm-1 주위의 둘의 특징적 피크가 모든 샘플에서 관찰되었고, 이는 각각 탄소의 D-밴드 및 G-밴드에 할당될 수 있다. 흑연 상의 존재는 이것이 탄소의 전도 상이므로 유리하다.
4. 질소 흡착-탈착 등온선
샘플의 표면적은 질소 흡착-탈착 등온선을 사용하여 측정되었고, 이는 77 K에서 ASAP 2020 부피 흡착 분석기(Micrometrics, USA)를 사용하여 수행되었다. 분석 전에, 샘플은 24 시간 동안 90 ℃에서 탈기되어 탄소의 기공 안 및 표면 상의 임의의 흡착된 가스가 제거되었다.
비활성화 및 활성화 대두 잎, 껍질 및 줄기의 질소 흡착-탈착 등온선이 도 3, 11, 및 12에 도시된다. 활성탄의 기공 크기 및 비표면적은 대두 재료:활성화 질랑비에 의해 영향을 받은 것이 명백하다. 일반적으로, 활성화제의 상대적 양 증가는 표면적을 증가시키는 경향이 있다. 예를 들어, 껍질 탄소의 표면적은 KOH로 활성화 시 1 m2/g로부터 2005 m2/g까지 증가했다. 더 많은 양의 KOH를 사용하여 활성화된 껍질/줄기 샘플은 0.35 미만의 상대 압력(P/P0)에서 대부분의 N2 흡착 및 P/P0의 0.35 위의 등온선의 (x-축에 대한) 거의 평행한 기울기가 있는 I 형 등온 곡선을 나타냈고, 이는 탄소의 미세기공에 일반적이다. 반면에, 더 적은 양의 KOH를 사용하는 활성화는 0.5 이상의 P/P0에서 구분 가능한 이력 곡선의 출현이 있는 I 및 IV 형 등온 곡선의 조합을 보여주고, 미세기공 및 중간기공 구조 모두의 존재를 나타낸다. 대조적으로, 비활성화 샘플의 매우 낮은 N2 흡착은 다공성 구조가 거의 존재하지 않음을 나타낸다.
5. BJH 기공 분포
이러한 관찰은 도 4, 13, 및 14에 제시된 BJH 기공 크기 분포 플롯에 의해 추가로 확인되었다. 대두 잎, 껍질, 및 줄기로부터 유래한 탄소의 기공 크기는 2 nm를 중심으로 한다.
6. 주사 전자 현미경 이미지
모든 샘플의 미세다공성 구조 및 형태는 전계 방출 주사 전자 현미경을 사용하여 평가되었다. 주사 전자 현미경(SEM) 이미지가 도 8에 나타난다. KOH 활성화가 대두 재료로부터 유래한 탄소의 표면을 개질함이 SEM 이미지로부터 명백하다. 대두 유래 탄소의 높은 다공성은 전해질 이온에 더 큰 표면적을 제공하고, 이는 전하 저장 용량을 증가시키는 경향이 있다.
대두 잎, 껍질, 및 줄기로부터의 활성탄의 기공 및 표면적 특징이 아래 표 A에 제시된다.
표 A
보다시피, 이들 탄소는 에너지 저장 응용분야에서 사용되는 활성탄 기반 재료에 유익한 미세기공 및 중간기공의 존재를 보여준다. 미세기공의 존재는 전해질 이온의 흡착-탈착 과정에 더 큰 면적을 제공한다. 중간기공의 존재는 표면적에 대한 접근성을 보장하고 기하학적 저항을 경험하지 않고 여러 전해질 이온이 동시에 확산하는 더 넓은 채널을 제공한다. 이러한 양태는 본 발명의 활성탄 재료를 다양한 전해질과 함게 사용하기에 적합하게 만드는 것으로 생각된다. 그와 같이, 재료는 리튬 이온, 소윰 이온 및 포타슘 이온 배터리/슈퍼커패시터와 같은 슈퍼커패시터 또는 배터리의 제조에 사용될 수 있다.
7. 전해질의 효과
SB-2(대표 재료로서 선택됨)의 전기화학적 특성이 여러 상이한 전해질에서 추가로 조사되었다. 알칼리성 (KOH 및 LiOH), 산성 (H2SO4) 및 염 (Na2SO4) 용액이 이 연구에 사용되었다. 도 15는 다양한 전해질에서 적용된 전류 밀도의 함수로서 비정전용량의 변화를 보여준다.
8. 질소 도핑의 효과
상용 탄소가 요소를 사용하여 질소로 도핑되었다. 이러한 1:2 비율의 상용 및 요소(200 mg의 상용 탄소 및 400 mg의 요소)가 5 ml 탈이온수에 용해되었다. 용액을 2 시간 동안 배스 초음파 처리기에서 초음파 처리한 다음 혼합물을 핫 플레이트에서 85 ℃에서 건조시켰다. 건조 분말을 800 ℃ (5℃/분)에서 2 시간 동안 질소 하에 탄화시켰다. 자연적으로 실온까지 냉각한 후, 분말을 탈이온수로 세척했다. 세척된 분말을 통상적인 오븐에서 밤새 65 ℃에서 건조시켰다. 상용 탄소 및 질소 도핑된 상용 탄소의 충전-방전 프로파일이 도 16에 나타난다. 도 16에서 볼 수 있는 바와 같이, 질소 도핑은 상용 탄소의 에너지 저장 용량을 개선하지 않았다. 비록 도핑 방법이 효과가 없었을 수 있지만, 청구된 발명의 재료에 의해 달성된 특성이, 적어도 부분적으로는, G-밴드 탄소 sp2 혼성화 흑연 상 질소의 결정 격자 구조에서 탄소 원자로 대체되는 바이오매스로부터의 질소 원자의 존재로 인한 것임을 이 테스트가 보여주는 것으로 생각된다.
9. 용량 유지 및 쿨롱 효율의 테스트
도 17을 참조하면, 동전형 전지 슈퍼커패시터가 전극 재료로서 본 발명의 2-단계 활성탄 재료를 사용하여 형성되었다. 도 17에 나타난 바와 같이, 슈퍼커패시터의 성능은 이상적인 커패시터의 성능과 매우 유사했다. 장치는 8,000 회 이상의 충전-방전 사이클을 겪었고 성능은 거의 100% 쿨롱 효율로 매우 안정했다.
도 24 (A)를 참조하면 동전형 전지 슈퍼커패시터가 전극 재료로서 본 발명의 2-단계 활성탄 재료를 사용하여 형성되었다. 도 24(A)에 나타난 바와 같이, 장치는 10,000 회 이상의 충전-방전 사이클을 겪었고 성능은 매우 안정하며, 초기 전하 저장의 90% 이상을 유지하고, 거의 100% 쿨롱 효율이었다.
VI. 결론
본 발명의 원리를 예시하고 설명하였지만, 본 발명이 그러한 원리로부터 벗어나지 않고 정연하고 상세하게 수정될 수 있음이 당업자에게 명백해야 한다.
본 발명의 재료 및 방법이 다양한 실시양태 및 예시적인 실시예 측면에서 설명되었지만, 발명의 개념, 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에 설명된 재료 및 방법에 변형이 적용될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 당업자에게 명백한 그러한 모든 유사한 대체 및 수정은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 사상, 범위 및 개념 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims (33)

  1. 활성탄 입자를 포함하는 활성탄 분말, 여기서 활성탄 입자는 900 m2/g 내지 2,500 m2/g 범위의 브루나우어-에멧-텔러(Brunauer-Emmett-Teller, BET) 표면적을 갖고, 활성탄 입자는 다음을 포함함:
    (a) 다음을 포함하는 탄소:
    (i) sp3 혼성화 무질서 탄소 상에 상응하는 D-밴드 탄소; 및
    (ii) sp2 혼성화 흑연 상에 상응하는 G-밴드 탄소;
    여기서 D-밴드 탄소 및 G-밴드 탄소는 라만 분광법을 사용하여 결정된 비율에서, IG/ID 비율이 0 내지 2 범위이도록 D-밴드 탄소(ID) 및 G-밴드 탄소(IG)의 상대 강도에 도달함;
    (b) 활성탄 입자의 0.3 원자 % 내지 1.8 원자 % 범위인 X-선 광전자 분광법에 의해 결정된 양의 질소, 여기서 질소 원자의 적어도 일부는 G-밴드 탄소 sp2 혼성화 흑연 상의 결정 격자 구조에서 탄소 원자로 대체됨;
    (c) 직경이 2 nm 내지 5 nm 범위인 중간기공 및 직경이 2 nm 미만인 미세기공, 활성탄 입자는 다음을 가짐:
    (i) 1 nm 내지 4 nm 범위의 바렛, 조이너 및 할렌다(Barrett, Joyner, and Halenda, BJH) 방법에 의해 결정된 평균 기공 폭;
    (ii) 300 m2/g 내지 1,350 m2/g 범위의 t-플롯 방법에 의해 결정된 미세다공성 표면적; 및
    (iii) 수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm 범위인 미세기공의 1,000 m2/g 내지 3,000 m2/g 범위인 누적 표면적.
  2. 제1항에 있어서,
    활성탄 입자의 BET 표면적은 1,300 m2/g 내지 2,200 m2/g 범위이고;
    IG/ID 비율은 0 내지 1.5 범위이고;
    질소의 양은 활성탄 입자의 0.4 원자 % 내지 1.8 원자 % 범위이고;
    t-플롯 방법에 의해 결정된 미세다공성 표면적은 600 m2/g 내지 1,200 m2/g 범위이고; 또는
    수력 반경이 0.285 nm 내지 1.30 nm 범위인 미세기공의 누적 표면적은 1,400 m2/g 내지 2,600 m2/g 범위인 활성탄 분말.
  3. 제1항에 있어서, BJH 방법에 의해 결정된 평균 기공 폭은 2 nm 내지 4 nm 범위 또는 1 nm 내지 2 nm 범위인 활성탄 분말.
  4. 제1항에 있어서, 활성탄 입자는 1 A/g의 전류 밀도에서, 130 F/g 내지 330 F/g, 160 F/g 내지 210 F/g, 110 F/g 내지 260 F/g, 100 F/g 내지 250 F/g로 이루어진 군으로부터 선택된 범위인 비정전용량(Csp)을 갖는 활성탄 분말.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 활성탄 분말의 활성탄 입자 제조 방법으로서, 다음 단계를 포함하는 방법:
    탄화되지 않은 식물 재료 분말, 부분적으로 탄화된 않은 식물 재료 분말, 또는 이들의 조합을 포함하는 전구체의 활성화-열분해 처리를 수행하는 단계, 여기서 활성화-열분해 처리는 다음을 포함함:
    전구체를 활성화제와 혼합하여 전구체-활성화제 혼합물을 형성하는 단계, 여기서 활성화제가 활성화-열분해 처리 동안 전구체의 탄소와 반응함으로써 활성화-열분해 처리 후 수행되는 세척 처리 동안 제거되기에 적합한 하나 이상의 생성물을 형성함; 및 이들의 조합; 및
    열분해 불활성 분위기에서 열분해 온도에서 전구체의 탄화를 완료하기에 충분한 열분해 지속시간 동안 전구체-활성화제 혼합물을 가열함으로써 활성화-열분해된 재료를 형성하는 단계; 및
    활성화-열분해된 재료로부터 탄소와 활성화제 간의 반응의 하나 이상의 생성물을 감소시키거나 제거하기에 적합한 하나 이상의 세척액을 사용하여 활성화-열분해된 재료의 세척 처리를 수행함으로써 활성탄 분말의 활성탄 입자를 형성하는 단계.
  6. 다음 단계를 추가로 포함하는 제5항의 방법:
    활성화-열분해 처리 전에 열 전처리를 수행하는 단계, 여기서 열 전처리는 전처리 불활성 분위기에서 전처리 온도에서 탄화되지 않은 식물 재료 분말 내의 휘발성, 저안정성 분자를 방출하기에 충분한 전처리 지속시간 동안 탄화되지 않은 식물 재료 분말을 가열함으로써 활성화-열분해 처리에 적합한 부분적으로 탄화된 않은 식물 재료 분말을 생성하는 것을 포함함.
  7. 제5항에 있어서, 전구체는 탄화되지 않은 식물 재료 분말로 구성되거나 전구체는 부분적으로 탄화된 식물 재료 분말로 구성되는 방법.
  8. 제5항에 있어서, 활성화제는 KOH이고, 전구체 및 활성화제는 1:0.5 내지 1:3 범위의 질량비인 방법.
  9. 제5항에 있어서, 세척 처리의 세척액 중 적어도 하나는 HCl 용액 및 탈이온수를 포함하는 용액이고 후속 세척액은 탈이온수인 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    전처리 불활성 분위기는 질소, 아르곤, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고;
    전처리 온도는 250 ℃ 내지 500 ℃ 범위이고;
    전처리 지속시간은 1 시간 내지 2 시간 범위인 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    전구체 및 활성화제는 1:0.5 내지 1:3 범위의 질량비이고;
    열분해 분위기는 질소, 아르곤, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고;
    열분해 온도는 600 ℃ 내지 900 ℃ 범위이고;
    열분해 지속시간은 1 시간 내지 2 시간 범위인 방법.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 활성탄 분말을 포함하는 전극.
  13. 제12항의 전극을 포함하는 배터리.
  14. 제12항의 전극을 포함하는 슈퍼커패시터.
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