바늘 코크스 금속 광택과 은회색을 띠는 고성능 탄소 소재입니다. 표면 질감은 섬유질 또는 바늘 모양이며, 미끈거리는 촉감을 지닙니다. 내부에는 작은 타원형 기공이 있습니다. 바늘 코크스 평평한 방향족 층을 가진 큰 분자 다환 방향족 탄화수소로 구성됩니다. 높은 단위 배향성을 가진 흑연과 유사한 미세 결정 구조를 가지고 있습니다. 미세 구조는 프랭클린 모델을 따르며 전형적인 흑연화 탄소입니다. 다공성 탄소를 제조하는 데 이상적인 재료입니다. 2000°C 이상에서 가열하면 흑연과 유사한 층상 구조를 형성합니다.
우수한 전기 전도성, 열 전도성, 낮은 열팽창률, 그리고 내열충격성을 지닌 침상 코크스는 제강, 흑연 전극, 항공우주 및 기타 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 최근 몇 년 동안 전 세계 재료 과학 분야에서 뜨거운 연구 주제로 떠오르고 있습니다.
침상 코크스는 원료 공급원에 따라 석탄 기반 코크스와 석유 기반 코크스로 구분할 수 있습니다. 석탄 기반 침상 코크스는 콜타르, 콜타르 피치 또는 플래시 증류유를 고온에서 탄화하여 생산됩니다.
석유 기반 침상 코크스는 에틸렌 타르, 진공 및 열분해 잔사유, 또는 촉매 분해 잔사유 슬러리를 고온 탄화하여 생산됩니다. 저유황, 저회분, 저금속 함량, 그리고 용이한 흑연화 특성으로 인해 현재 인조흑연의 주요 원료로 사용되고 있습니다. 그러나 생산 비용이 높고 원료 요건이 엄격합니다.
니들 코크스의 제조
침상 코크스는 액상 탄화를 통해 생산되는데, 원료를 점진적으로 열분해하고 중합하여 메조상 구형을 형성한 후, 이 구형들이 성장, 융합, 배향되고 최종적으로 섬유질의 바늘 모양 구조로 탄화됩니다. 생산 공정은 원료 전처리, 지연 코킹, 그리고 소성으로 구성됩니다.
코킹의 주요 단계인 지연 코킹은 증류와 탄화를 통해 정제된 피치와 코크스를 생성합니다. 소성은 휘발성 물질과 수분을 제거하여 진밀도를 향상시킵니다.
석탄 기반 침상 코크스는 석유 기반 침상 코크스보다 더 엄격한 전처리가 필요하지만, 두 유형은 구조와 용도가 유사합니다. 그러나 석유 기반 침상 코크스는 생산 비용이 더 낮고 시장 수용력이 더 높습니다.
침상 코크스의 흑연화에는 다음과 같은 공정이 포함됩니다. 눌러 터뜨리는, 연마, 표면개질, 열처리, 그리고 표면 개질은 석탄 흑연화와 유사합니다. 높은 전기 전도도와 낮은 불순물을 가진 연질 탄소인 침상 코크스는 리튬 이온 전지에 일반적으로 사용됩니다. 그러나 이론 용량이 낮아 전지에 사용하려면 고온 흑연화를 통해 인조 흑연으로 만들어야 합니다.
리튬 이온 배터리용 침상 코크스 기반 양극 소재에 대한 연구는 용량을 개선하고 비용을 절감하기 위한 개질 및 복합 기술에 중점을 두고 있으며, 높은 에너지 밀도, 빠른 충전 및 안전한 배터리에 대한 증가하는 수요에 대응하고 있습니다.
다양한 분야에서의 니들 코크스 응용
침상 코크스는 고출력 전극, 특수 탄소 재료, 그리고 리튬 이온 배터리 양극의 세 가지 주요 용도로 사용됩니다. 침상 코크스로 만든 고출력 흑연 전극은 제강용 전기로에서 사용됩니다. 전기로 제강은 오염이 적고 에너지 소비가 적다는 장점이 있습니다. 침상 코크스로 만든 고출력 흑연 전극은 열팽창이 낮고 전기 전도도가 높으며 기계적 강도가 높습니다.
이 전극은 전기 아크로에서 금속을 효율적으로 가열하고 용융합니다. 음극재인 침상 코크스는 연질 탄소로서 흑연화가 용이하고 비용이 저렴합니다. 고온 열처리 후, 우수한 사이클 안정성과 높은 비용량을 가진 인조 흑연을 형성합니다.
흑연 전극에 침상 코크스의 적용
흑연 전극은 주로 전기로, 침지 아크로, 저항로에서 사용됩니다. 전기로 제강은 고로 제강보다 환경 친화적이어서 많은 국가에서 우호적인 정책을 시행하고 있습니다. 전기로 제강 규모 확대는 흑연 전극 수요를 증가시켰습니다. 현재 전기로 제강은 대형화 및 초고출력화로 전환되고 있습니다. 따라서 흑연 전극에 대한 요구 사항이 더욱 엄격해지고 있습니다. 전기로 흑연 전극의 최대 허용 전류는 전극 직경과 양의 상관관계를 가지므로 대구경 흑연 전극 개발이 필수적입니다. 대구경 흑연 전극을 생산하려면 고품질 침상 코크스가 필요합니다.
알칼리 금속 이온 전지의 음극에 침상 코크스를 적용
현재 알칼리 금속 이온 전지는 주로 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온 전지를 포함합니다. 리튬 이온 전지는 일상생활에서 널리 사용되고 있으며, 나트륨 이온 전지와 칼륨 이온 전지는 대체 에너지 저장 시스템으로 특히 주목을 받고 있습니다.
알칼리 금속 이온 전지는 주로 양극, 음극, 전해액, 분리막, 그리고 배터리 케이스로 구성됩니다. 핵심 부품인 음극재는 전지의 전반적인 성능에 큰 영향을 미칩니다. 리튬 이온 전지의 경우, 상용 음극재로는 인조흑연과 천연흑연이 있으며, 인조흑연은 80%를 차지합니다. 인조흑연은 석유계 코크스와 석탄계 코크스로 나눌 수 있습니다. 석유계 코크스는 석유 코크스와 침상 코크스로 더 나눌 수 있습니다. 침상 코크스로 만든 음극재는 우수한 성능을 보입니다. 화학적인 안정성, 고용량, 우수한 전도성을 갖추고 있습니다. 고압 밀도, 고에너지 밀도 전극 소재 생산에 사용됩니다.
슈퍼커패시터에 니들 코크스의 적용
최근 커패시터와 배터리의 특성을 결합한 에너지 저장 장치인 슈퍼커패시터가 주목을 받고 있습니다. 슈퍼커패시터는 기존 커패시터보다 높은 에너지 밀도와 이차 전지보다 높은 전력 밀도를 제공하며, 사이클 수명도 이차 전지보다 수십 배 이상 깁니다. 슈퍼커패시터는 다양한 차량의 시동, 가속, 제동 시 에너지 회수 및 방출에 사용될 수 있습니다. 대부분의 경우, 슈퍼커패시터는 높은 에너지 밀도를 가진 이차 전지 또는 연료 전지와 결합하여 하이브리드 전력 시스템을 구성합니다. 이러한 조합은 신에너지 차량의 빠른 충전 속도, 높은 비용량, 높은 에너지 회수 효율이라는 요구 조건을 충족합니다.
그래핀 제조용 니들 코크스
그래핀은 뛰어난 광학적, 전기적, 기계적 특성을 가지고 있어 재료과학, 에너지, 그리고 바이오의학 분야에서 폭넓게 응용되고 있습니다. 그래핀의 주요 제조 방법으로는 기계적 박리, 탄화규소 상 에피택셜 성장, 용매 박리, 화학적 박리(산화/환원), 그리고 화학 기상 증착(CVD) 등이 있습니다. 그러나 기계적 박리와 용매 박리와 같은 이러한 방법들은 대부분 실험실에서 사용됩니다. CVD는 효과적이지만 공정이 비교적 복잡하고 비용이 많이 듭니다.
태양광 산업용 바늘 코크스
염료감응형 태양전지(DSSC)는 새로운 태양광 소자로 부상하며 연구의 중심축이 되고 있습니다. 기존 태양전지에 비해 DSSC는 긴 수명(15~20년), 용이한 대규모 산업 생산, 짧은 에너지 회수 주기, 낮은 생산 비용(실리콘 태양전지의 1/10~1/5), 그리고 무독성, 무공해 생산 공정 등의 장점을 가지고 있습니다. 최근 연구자들은 침상 코크스가 높은 전도성, 내열성, 내식성, 그리고 삼요오드화물에 대한 전기 촉매 활성을 가지고 있음을 발견했습니다. 또한, 저렴한 가격으로 염료감응형 태양전지의 유망한 전극 소재로 자리매김하고 있습니다.
결론
고도로 정렬된 탄소 소재인 침상 코크스는 뛰어난 전도성과 낮은 불순물 함량으로 고성능 리튬 이온 배터리에 필수적입니다. 분쇄 개질 공정을 통해 입자 구조를 최적화하여 용량을 향상시키고 에너지 집약적인 공정을 줄여 지속 가능한 고에너지 배터리 수요를 충족합니다.
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