ニードルコークス 金属光沢と銀灰色を呈する高性能炭素材料です。表面は繊維状または針状で、滑りやすい感触です。内部には楕円形の微細な気孔が存在します。 ニードルコークス 平坦な芳香族層を有する高分子多環芳香族炭化水素から構成され、単位配向性が高いグラファイト状の微結晶構造を有する。微細構造はフランクリンモデルに従い、典型的なグラファイト化性炭素である。多孔質炭素の製造に理想的な材料である。2000℃以上に加熱すると、グラファイト状の層状構造を形成する。
ニードルコークスは、優れた導電性、熱伝導性、低熱膨張性、耐熱衝撃性を有することから、製鋼用黒鉛電極、航空宇宙産業などの分野で広く利用されており、近年、材料科学分野における世界的な注目研究テーマとなっています。
ニードルコークスは、原料の種類によって石炭系と石油系に分類されます。石炭系ニードルコークスは、コールタール、コールタールピッチ、または急速蒸留油を高温で乾留することによって製造されます。
石油系ニードルコークスは、エチレンタール、真空熱分解残油、または接触分解油スラリーを高温炭化することで製造されます。硫黄分、灰分、金属含有量が少なく、黒鉛化しやすいことから、現在、人造黒鉛の主原料となっています。しかし、製造コストが高く、原料に対する要求条件も厳しいです。
ニードルコークスの製造
ニードルコークスは、液相炭化法によって製造されます。原料は徐々に熱分解・重合し、メソフェーズ球状を形成します。この球状球状は成長、融合、配向し、最終的に繊維状の針状構造に炭化します。製造プロセスは、原料の前処理、ディレードコーキング、焼成から構成されます。
コーキングの主要段階であるディレードコーキングでは、蒸留と炭化が行われ、精製ピッチとコークスが製造されます。焼成により揮発性物質と水分が除去され、真密度が向上します。
石炭系ニードルコークスは石油系ニードルコークスよりも厳格な前処理が必要ですが、構造と用途は両者に類似しています。しかし、石油系ニードルコークスは生産コストが低く、市場規模が大きいという利点があります。
ニードルコークスの黒鉛化には次のようなプロセスが含まれる。 粉砕, 研削, 表面改質石炭の黒鉛化と同様に、ニードルコークスは、高い電気伝導性と低不純物性を備えたソフトカーボンとして、リチウムイオン電池に広く使用されています。しかし、理論容量が低いため、電池に使用するには高温での黒鉛化処理によって人造黒鉛にする必要があります。
リチウムイオン電池用のニードルコークスベースのアノード材料の研究では、高エネルギー密度、急速充電、安全な電池の需要の高まりに対応して、容量の向上とコストの削減を実現するための改質および複合技術に重点を置いています。
ニードルコークスのさまざまな分野への応用
ニードルコークスの主な用途は、高出力電極、特殊炭素材料、リチウムイオン電池の負極の3つです。ニードルコークスから作られた高出力グラファイト電極は、製鋼用の電気アーク炉で使用されます。電気アーク炉による製鋼は、汚染が少なく、エネルギー消費が少ないなどの利点があります。ニードルコークスから作られた高出力グラファイト電極は、熱膨張率が低く、電気伝導性が高く、機械的強度も高いという特徴があります。
これらの電極は、電気アーク炉で金属を効率的に加熱・溶解します。陽極材料として、ニードルコークスは軟質炭素の一種で、黒鉛化しやすく低コストです。高温熱処理により、良好なサイクル安定性と高い比容量を有する人造黒鉛を形成します。
グラファイト電極における針状コークスの応用
黒鉛電極は主に電気炉、サブマージドアーク炉、抵抗炉で使用されています。電気炉製鋼は高炉製鋼よりも環境に優しく、多くの国で優遇政策の対象となっています。電気炉製鋼の大規模化に伴い、黒鉛電極の需要も高まっています。現在、電気炉製鋼は大型化・超高出力化が進んでおり、黒鉛電極に対する要求はますます厳しくなっています。電気炉黒鉛電極の最大許容電流値は電極径と正の相関関係にあるため、大径黒鉛電極の開発が不可欠です。大径黒鉛電極の製造には、高品質のニードルコークスが必要です。
アルカリ金属イオン電池の負極への針状コークスの応用
現在、アルカリ金属イオン電池には、主にリチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、カリウムイオン電池があります。リチウムイオン電池は日常生活で広く利用されています。一方、ナトリウムイオン電池とカリウムイオン電池は、代替エネルギー貯蔵システムとして特に注目を集めています。
アルカリ金属イオン電池は、主に正極、負極、電解質、セパレーター、電池ケースで構成されています。負極材料は重要な部品として、電池全体の性能に大きな影響を与えます。リチウムイオン電池の場合、市販されている負極材料には人造黒鉛と天然黒鉛があり、人造黒鉛は80%を占めています。人造黒鉛は石油系コークスと石炭系コークスに分けられ、石油系コークスはさらに石油系コークスとニードルコークスに分けられます。ニードルコークスから作られた負極材料は、優れた性能を持っています。 化学薬品 安定性、高容量、優れた導電性を特徴とし、高圧縮密度、高エネルギー密度の電極材料の製造に使用されます。
ニードルコークスのスーパーキャパシタへの応用
近年、コンデンサとバッテリーの両方の特性を兼ね備えたエネルギー貯蔵デバイスであるスーパーキャパシタが注目を集めています。従来のコンデンサよりも高いエネルギー密度、二次電池よりも高い出力密度を誇り、サイクル寿命は二次電池よりも桁違いに長いという特徴があります。スーパーキャパシタは、様々な車両の始動、加速、制動時のエネルギー回収・放出に活用されています。多くの場合、スーパーキャパシタは高エネルギー密度の二次電池や燃料電池と組み合わせてハイブリッド電源システムを構成し、新エネルギー車の高充電率、高比容量、高エネルギー回収効率といった要件を満たしています。
グラフェン製造用ニードルコークス
グラフェンは優れた光学的、電気的、機械的特性を有し、材料科学、エネルギー、バイオメディシンなど幅広い分野で応用されています。グラフェンの主な作製方法には、機械的剥離、炭化ケイ素上へのエピタキシャル成長、溶媒剥離、化学的剥離（酸化還元）、化学気相成長（CVD）などがあります。しかし、機械的剥離や溶媒剥離など、これらの方法の多くは、主に実験室で使用されています。CVD法は効果的ですが、プロセスが比較的複雑でコストが高いという欠点があります。
太陽光発電産業向けニードルコークス
色素増感太陽電池（DSSC）は、新たな太陽光発電デバイスとして台頭し、研究のホットスポットとなりつつあります。従来の太陽電池と比較して、DSSCは寿命が長い（15～20年）、大規模な工業生産が容易、エネルギー回収サイクルが短い、製造コストが低い（シリコン太陽電池の1/10～1/5）、無毒で汚染のない製造プロセスなどの利点があります。近年、研究者らは、ニードルコークスが優れた導電性、耐熱性、耐腐食性、そしてヨウ化物に対する電気触媒活性を示すことを明らかにしました。さらに、その低コスト性から、色素増感太陽電池の電極材料として有望視されています。
結論
高度に配向した炭素材料であるニードルコークスは、優れた導電性と低い不純物含有量から、高性能リチウムイオン電池に不可欠です。粉砕改質を組み合わせることで粒子構造が最適化され、容量が向上し、エネルギー集約型の処理が削減されるため、持続可能な高エネルギー電池の需要に応えます。
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