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KR102608029B1 - Method for preparation of high crystalline artificial graphite from hard carbon and artificial graphite by the same - Google Patents

Method for preparation of high crystalline artificial graphite from hard carbon and artificial graphite by the same Download PDF

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KR102608029B1
KR102608029B1 KR1020210021264A KR20210021264A KR102608029B1 KR 102608029 B1 KR102608029 B1 KR 102608029B1 KR 1020210021264 A KR1020210021264 A KR 1020210021264A KR 20210021264 A KR20210021264 A KR 20210021264A KR 102608029 B1 KR102608029 B1 KR 102608029B1
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highly crystalline
carbon
crystalline artificial
graphite
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김민일
조종훈
황진웅
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한국화학연구원
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Abstract

본 발명은 난흑연화 탄소로부터 고결정성 인조흑연을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 인조흑연에 관한 것으로, 종래의 인조흑연 제조 방법과 비교하여 할로겐금속 또는 할로겐 화합물을 사용하지 않고, 고온처리를 하여도 고결정성 흑연구조를 가질 수 없는 난흑연화 탄소를 이용하여 단순한 공정으로 고결정성 인조흑연을 얻을 수 있는 방법을 제공하고 있다.The present invention relates to a method of producing highly crystalline artificial graphite from non-graphitizable carbon and to artificial graphite produced thereby. Compared to the conventional method of producing artificial graphite, it does not use a halogen metal or halogen compound and is treated at high temperature. It also provides a method of obtaining highly crystalline artificial graphite through a simple process using non-graphitizable carbon, which cannot have a highly crystalline graphite structure.

Description

난흑연화 탄소로부터 고결정성 인조흑연의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 인조흑연 {METHOD FOR PREPARATION OF HIGH CRYSTALLINE ARTIFICIAL GRAPHITE FROM HARD CARBON AND ARTIFICIAL GRAPHITE BY THE SAME}Method for producing highly crystalline artificial graphite from non-graphitized carbon and artificial graphite produced thereby {METHOD FOR PREPARATION OF HIGH CRYSTALLINE ARTIFICIAL GRAPHITE FROM HARD CARBON AND ARTIFICIAL GRAPHITE BY THE SAME}

본 발명은 난흑연화 탄소로부터 고결정성 인조흑연의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 인조흑연에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 카본블랙, 활성탄, 등방성 탄소섬유 등과 같은 난흑연화 탄소와 실리콘 전구체를 원료로 이용하여 고결정성 인조흑연을 제조하여 소재의 고품질화를 유도할 수 있으며, 촉매 제거 공정이 필요 없으며, 종래 인조흑연 제조보다 결정성이 높고 불순물이 없는 인조흑연 제조 방법 및 이에 의해 제조된 인조흑연에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing highly crystalline artificial graphite from non-graphitizable carbon and to artificial graphite produced thereby. More specifically, the present invention relates to non-graphitizable carbon such as carbon black, activated carbon, isotropic carbon fiber, etc., and silicon precursor as raw materials. It is possible to improve the quality of the material by manufacturing highly crystalline artificial graphite using a method of manufacturing artificial graphite that has higher crystallinity and is free of impurities than conventional artificial graphite, and does not require a catalyst removal process, and the artificial graphite produced thereby It's about.

인조흑연은 2차원 평면 결정구조인 그래핀이 적층되어 있는 탄소재료로 높은 열전도도 및 전기전도도를 가지고 있으며, 기계적 물성이 뛰어나다. 또한 인조흑연은 열안정성 및 화학적 안정성이 뛰어나 전기소자, 배터리, 연료전지, 내화성 재료 등의 다양한 용도로 사용되고 있다. 인조흑연의 전기전도도 및 열전도도를 향상시키기 위해서는 인조흑연의 결정성이 높아야 하며, 결함이 없는 구조를 가지고 있어야한다. Artificial graphite is a carbon material made up of graphene, a two-dimensional flat crystal structure, that has high thermal and electrical conductivity and excellent mechanical properties. In addition, artificial graphite has excellent thermal and chemical stability and is used for various purposes such as electrical devices, batteries, fuel cells, and fire-resistant materials. In order to improve the electrical and thermal conductivity of artificial graphite, the crystallinity of artificial graphite must be high and it must have a defect-free structure.

일반적인 인조흑연의 제조 방법은 석유 또는 석탄계 피치로부터 코크스를 제조하고 이를 탄화 및 흑연화하는 방법이 주로 활용되고 있다. 인조흑연 제조 공정에서 결정성을 향상시키고, 결함을 줄이기 위해서는 원료 물질인 피치의 제조 단계에서부터 이방성 결정을 형성하는 것이 필요하다. 보다 상세하게는 피치 제조 과정에서 배향성을 부여하여 이흑연화 탄소인 이방성 피치를 제조하여야 하며, 이로부터 이방성 코크스를 제조하여야 한다. 제조된 이방성 코크스를 2700 ℃ 이상의 온도에서 흑연화하여 고결정 인조흑연을 제조할 수 있다. 특히 고결정성 인조흑연을 제조하기 위하여 AlCl3, BF3 등의 촉매를 필수적으로 사용하여야 한다. AlCl3의 경우 인조흑연 제조 과정에서 Al이 불순물로 남아 있어 이를 제거하기 위한 산처리 공정 및 고순화 공정을 필요로 한다. 또한 할로겐 원소가 방출되어 실험장비를 부식시키는 위험이 있다.A common method for producing artificial graphite is to produce coke from petroleum or coal-based pitch and carbonize and graphitize it. In order to improve crystallinity and reduce defects in the artificial graphite manufacturing process, it is necessary to form anisotropic crystals from the manufacturing stage of the raw material pitch. More specifically, orientation must be provided during the pitch manufacturing process to produce anisotropic pitch, which is easily graphitized carbon, and anisotropic coke must be manufactured from this. High crystalline artificial graphite can be produced by graphitizing the produced anisotropic coke at a temperature of 2700°C or higher. In particular, in order to produce highly crystalline artificial graphite, catalysts such as AlCl 3 and BF 3 must be used. In the case of AlCl 3 , Al remains as an impurity during the artificial graphite manufacturing process, so an acid treatment process and a high purification process are required to remove it. Additionally, there is a risk that halogen elements may be released and corrode experimental equipment.

한편 카본블랙, 활성탄, 등방성 탄소섬유 등의 탄소재료는 2700℃ 이상의 고온에서도 흑연화가 이루어지지 않는 난흑연화 탄소이다. 이러한 난흑연화 탄소는 고온에서 흑연 결정을 이루지 못하고 결함이 다수 존재하여 전기전도도 및 열전도도가 인조흑연에 비하여 떨어진다. 따라서 난흑연화 탄소의 성능향상 및 고부가화를 위해서는 이를 흑연화 하여 결정성을 향상시킬 필요가 있다.Meanwhile, carbon materials such as carbon black, activated carbon, and isotropic carbon fiber are non-graphitizable carbon that does not graphitize even at high temperatures above 2700°C. This non-graphitizable carbon does not form graphite crystals at high temperatures and has many defects, so its electrical and thermal conductivity are lower than that of artificial graphite. Therefore, in order to improve the performance and increase the value of non-graphitizable carbon, it is necessary to graphitize it and improve its crystallinity.

따라서 난흑연화 탄소의 고부가화를 유도하기 위해서는 난흑연화 탄소로부터 인조흑연을 제조하는 것이 필요하며, 해당 방법을 산업적으로 활용하기 위해서는 대량화를 위한 제조 공정의 단순화 및 간소화가 필요하다.Therefore, in order to induce high value addition of non-graphitizable carbon, it is necessary to manufacture artificial graphite from non-graphitizable carbon, and in order to utilize the method industrially, simplification and simplification of the manufacturing process for mass production are necessary.

이에, 본 발명은 난흑연화 탄소로부터 고결정성 인조흑연을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. 보다 구체적으로 난흑연화 탄소로부터 인조흑연의 결함을 줄이고 결정성을 높여 고품질의 인조흑연을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention aims to provide a method for producing highly crystalline artificial graphite from non-graphitizable carbon. More specifically, the aim is to provide a method of producing high-quality artificial graphite from non-graphitizable carbon by reducing defects in artificial graphite and increasing crystallinity.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. It could be.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은, As a technical means for achieving the above-described technical problem, one aspect of the present invention is,

인조흑연의 제조방법에 있어서, 난흑연화 탄소와 실리콘 전구체를 혼합하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 형성된 혼합물을 열처리하여 실리콘 카바이드를 형성하는 제2 단계; 상기 형성된 실리콘 카바이드를 공기 분위기에서 열처리하여 미반응 난흑연화 탄소를 제거하는 제3 단계; 및 상기 열처리된 실리콘 카바이드를 흑연화하여 고결정성 인조흑연을 제조하는 제4 단계;를 포함하는 고결정성 인조흑연의 제조방법을 제공한다.A method for producing artificial graphite, comprising: a first step of mixing non-graphitizable carbon and a silicon precursor; A second step of heat treating the mixture formed in the first step to form silicon carbide; A third step of heat treating the formed silicon carbide in an air atmosphere to remove unreacted non-graphitized carbon; and a fourth step of producing highly crystalline artificial graphite by graphitizing the heat-treated silicon carbide.

상기 난흑연화 탄소는 카본블랙, 활성탄, 등방성 탄소섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The non-graphitizable carbon may be selected from the group consisting of carbon black, activated carbon, isotropic carbon fiber, and mixtures thereof.

상기 실리콘 전구체는 실리콘, 실리콘 오일, 실리카 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The silicon precursor may be selected from the group consisting of silicone, silicone oil, silica, and mixtures thereof.

상기 난흑연화 탄소와 실리콘 전구체의 혼합 비율은 1:0.1 내지 1:1.5의 몰비인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The mixing ratio of the non-graphitizable carbon and the silicon precursor may be characterized in that the molar ratio is 1:0.1 to 1:1.5.

상기 제2 단계의 열처리는 1200℃ 내지 2100℃의 온도에서 30분 내지 180분 동안 불활성 가스 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The heat treatment in the second step may be performed in an inert gas atmosphere at a temperature of 1200°C to 2100°C for 30 to 180 minutes.

상기 제3 단계의 열처리는 300℃ 내지 800℃의 온도에서 60분 내지 300분 동안 산소가 함유되어 있는 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The third step of heat treatment may be performed in an oxygen-containing atmosphere at a temperature of 300°C to 800°C for 60 to 300 minutes.

상기 제4 단계의 흑연화는 상기 열처리된 실리콘 카바이드를 2400℃ 내지 3000℃의 온도에서 30분 내지 180분 동안 불활성가스 분위기에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The fourth step of graphitization may be characterized by heat treating the heat-treated silicon carbide in an inert gas atmosphere at a temperature of 2400°C to 3000°C for 30 to 180 minutes.

상기 고결정성 인조흑연 제조 방법은 할로겐 화합물을 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The method for producing highly crystalline artificial graphite may be characterized by not using a halogen compound.

상기 고결정성 인조흑연의 층간 거리가 0.34nm 이하인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The highly crystalline artificial graphite may be characterized in that the interlayer distance is 0.34 nm or less.

상기 고결정성 인조흑연의 라만스펙트럼 측정에 의한 결함에 대한 피크(Id)와 결정성 피크(Ig)의 피크 강도 비율(Id/Ig)이 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.It may be characterized in that the peak intensity ratio (I d /I g ) of the peak for defects (I d ) and the crystalline peak (I g ) as measured by the Raman spectrum of the highly crystalline artificial graphite is 0.05 or less.

본 발명의 다른 일 측면은, Another aspect of the present invention is,

난흑연화 탄소 및 실리콘 전구체의 혼합물로 이루어진 고결정성 인조흑연으로서, 상기 난흑연화 탄소는 카본블랙, 활성탄, 등방성 탄소섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고, 상기 실리콘 전구체는 실리콘, 실리콘 오일, 실리카 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 고결정성 인조흑연을 제공한다.A highly crystalline artificial graphite made of a mixture of non-graphitizable carbon and a silicon precursor, wherein the non-graphitizable carbon is selected from the group consisting of carbon black, activated carbon, isotropic carbon fiber, and mixtures thereof, and the silicon precursor is silicon, silicon Provided is highly crystalline artificial graphite selected from the group consisting of oil, silica, and mixtures thereof.

상기 고결정성 인조흑연의 층간 거리가 0.34nm 이하인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The highly crystalline artificial graphite may be characterized in that the interlayer distance is 0.34 nm or less.

상기 고결정성 인조흑연의 라만스펙트럼 측정에 의한 결함에 대한 피크(Id)와 결정성 피크(Ig)의 피크 강도 비율(Id/Ig)이 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.It may be characterized in that the peak intensity ratio (I d /I g ) of the peak for defects (I d ) and the crystalline peak (I g ) as measured by the Raman spectrum of the highly crystalline artificial graphite is 0.05 or less.

본 발명의 일 측면에 의하면, 난흑연화 탄소를 탄소 전구체로 이용하여 제조함으로서 난흑연화 탄소의 결정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이는 난흑연화 탄소에 국한되지 않고 탄소전구체로 활용할 수 있는 모든 탄소재료에 적용할 수 있으며, 특히 화학적 안정성 및 열적 안정성이 높은 탄소소재 폐기물에도 적용이 가능하여 탄소소재 폐기물 처리 문제를 해결할 수 있게 된다. 또한 공정이 단순하여 대량화에 적합한 방법을 제시할 수 있게 된다. According to one aspect of the present invention, the crystallinity of non-graphitizable carbon can be improved by manufacturing it using non-graphitizable carbon as a carbon precursor. In addition, this is not limited to non-graphitized carbon and can be applied to all carbon materials that can be used as carbon precursors. In particular, it can be applied to carbon material waste with high chemical and thermal stability, thereby solving the problem of carbon material waste disposal. There will be. Additionally, the process is simple, making it possible to present a method suitable for mass production.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1 은 실시예에 따른 인조흑연의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 및 비교예 1에 따른 제조방법에서 제2 단계를 거친 상태에서의 X-선 회질분석 결과이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 및 비교예 1에 따른 제조방법에서 제3 단계를 거친 상태에서의 X-선 회질분석 결과이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 및 비교예 1에 따른 제조방법에서 제4 단계를 거친 상태에서의 X-선 회질분석 결과이다.
도 5는 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 및 비교예 1로부터 제조된 인조흑연의 Raman 분석 결과이다.
도 6은 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 및 비교예 1로부터 제조된 인조흑연의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 및 비교예 1로부터 제조된 인조흑연의 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 및 비교예 1로부터 제조된 인조흑연의 전기전도도 측정 결과이다.
Figure 1 is a flowchart showing a method for manufacturing artificial graphite according to an example.
Figure 2 shows the results of X-ray gray matter analysis after the second step in the manufacturing method according to Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, and Comparative Example 1 according to the present invention.
Figure 3 shows the results of X-ray gray matter analysis after the third step in the manufacturing method according to Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, and Comparative Example 1 according to the present invention.
Figure 4 shows the results of X-ray gray matter analysis after the fourth step in the manufacturing method according to Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, and Comparative Example 1 according to the present invention.
Figure 5 shows the Raman analysis results of artificial graphite prepared from Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, and Comparative Example 1.
Figure 6 shows SEM images of artificial graphite prepared from Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, and Comparative Example 1.
Figure 7 shows TEM images of artificial graphite prepared from Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, and Comparative Example 1.
Figure 8 shows the electrical conductivity measurement results of artificial graphite prepared from Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, and Comparative Example 1.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. However, the present invention can be implemented in various different forms, and the present invention is not limited to the embodiments described herein, and the present invention is only defined by the claims to be described later.

덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In addition, the terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the entire specification of the present invention, 'including' a certain element means that other elements may be further included rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.

인조흑연 제조의 필요성Necessity of manufacturing artificial graphite

흑연(Graphite)은 탄소가 육각형구조의 그물코형태로 배열되어 층층이 중첩되어 합하여진 구조이다. 열전도, 전기전도 특성이 좋으며, 고온안정성, 윤활성 등이 좋다. 또한 탄소질과 흑연질에 걸쳐 전기전도도의 선택이 가능하고 열팽창율이 적고 증기압이 적다. 흑연은 육방계 결정으로 형성되어 있으며 탄소와 탄소간의 결합은 공유결합으로 이루어져있고 간격은 1.418Å이다. 또한, 층간 결합은 반데르발스 결합을 이루고 있으며 간격은 c/2 = 3.347Å, 단위셀 : a = b = 2.456Å, c = 6.694Å, Base plain(a-b direction)의 결합에너지 : 약 524kJ/mol, Base plain과 base plain 사이(c direction)의 결합에너지 : 7kJ/mol 이다. Graphite is a structure in which carbon is arranged in a hexagonal network, layer by layer, and combined. It has good thermal and electrical conduction properties, high temperature stability, and good lubrication. In addition, it is possible to select electrical conductivity between carbonaceous and graphite and has low thermal expansion rate and low vapor pressure. Graphite is formed as a hexagonal crystal, and the bonds between carbons are covalent bonds, and the gap is 1.418Å. In addition, the bond between layers forms a van der Waals bond, the spacing is c/2 = 3.347Å, unit cell: a = b = 2.456Å, c = 6.694Å, bond energy in base plain (a-b direction): about 524kJ/mol , Binding energy between base plain and base plain (c direction): 7kJ/mol.

단결정은 그 자체의 구조가 이방성을 나타내며 base plane 내에서는 거의 등방성을 나타내지만 C방향에 대해서는 격자거리에 따라 다르다. 가벼워 취급이 용이하며, 온도에 비례하여 강도가 증가한다. 또한, 기계가공이 용이하다(흑연질). 뿐만 아니라, 화학적으로 내식성이며 내마모성이 우수하다. 그러나 대개의 용융금속이나 slag에 젖지 않아 부착이 안된다.A single crystal shows anisotropy in its own structure and is almost isotropic in the base plane, but it varies depending on the lattice distance in the C direction. It is light and easy to handle, and its strength increases in proportion to temperature. Additionally, it is easy to machine (graphite). In addition, it is chemically corrosion resistant and has excellent wear resistance. However, it does not wet and does not adhere to most molten metals or slag.

흑연의 열팽창은 그 범위가 적어 온도변화에 민감한 영향을 받는 부분에 치수 (부피)나 안정성 (정밀성)을 갖는데 기여한다. 또한, 흑연은 금, 은, 동 및 알루미늄을 제외한 대부분의 금속에 비해 열전도율이 높으므로 사용용도가 광범위하다.The thermal expansion of graphite has a small range, contributing to dimension (volume) and stability (precision) in areas sensitive to temperature changes. Additionally, graphite has a higher thermal conductivity than most metals except gold, silver, copper, and aluminum, so it has a wide range of uses.

또한, 흑연은 비등방성 물질로서 적층 내부에서는 평면 내 금속 결합 때문에 우수한 전기적, 열적 전도체이나 층 사이 약한 반데르발스 힘 때문에 층을 향해서는 약한 전기적, 열적 전도체이다. 금속과 비금속의 성질을 모두 가짐으로써 그 광범위한 적용이 기대되는 물질이다. 흑연은 우수한 전도체로서 특성을 가지기 때문에 전극이나 브러쉬로 사용되기 적합하다. 게다가 흑연은 높은 끓는점으로 인해 주조와 몰딩에 적합한 물질이다. 흑연의 탄소층이 층안으로 삽입될 수 있기 ‹š문에 윤활유나 연필 재료로서 전통적으로 사용되었다. 그러나 흑연의 이러한 장점과 광범위한 적용에도 불구하고 공급 부족은 주요한 문제이다. 흑연은 광범위한 수요와 제한된 매장량으로 인해 공급 문제를 겪어왔고, 따라서 인조흑연이 수요와 공급의 간극을 매우는 좋은 대안으로서 그 필요성이 대두된다.Additionally, graphite is an anisotropic material and is an excellent electrical and thermal conductor inside the stack due to in-plane metal bonding, but is a weak electrical and thermal conductor toward the layers due to weak van der Waals forces between layers. It is a material that is expected to have a wide range of applications as it has both metallic and non-metallic properties. Because graphite has excellent conductor properties, it is suitable for use as electrodes or brushes. Additionally, graphite's high boiling point makes it a suitable material for casting and molding. Because the carbon layers of graphite can be inserted into the layers, it has been traditionally used as a lubricant or pencil material. However, despite these advantages and wide applications of graphite, supply shortage is a major problem. Graphite has been experiencing supply problems due to widespread demand and limited reserves, so the need for artificial graphite is emerging as a good alternative to bridge the gap between supply and demand.

인조흑연과 천연흑연의 비교Comparison of artificial graphite and natural graphite

흑연계는 자연에서 생성되어 채굴되는 천연흑연(natural graphite)과 석탄계 및 석유계 피치 등을 2500℃ 이상으로 열처리하여 제조되는 인조흑연(artificial, synthetic, pyrolytic graphite)이 있다.Graphite includes natural graphite, which is produced and mined in nature, and artificial, synthetic, pyrolytic graphite, which is manufactured by heat-treating coal-based and petroleum-based pitch at over 2500°C.

인조흑연은 석유 또는 석탄 부산물을 2,500℃ 이상으로 열처리하여 흑연화시킨 합성물로서 천연흑연에 비하여 순도가 높다. 특히 경량성, 내열성, 전기 및 열전도성, 화학적 안정성, 고강도 등이 매우 우수해 철강분야의 전극봉, 휴대전화의 음극재, 반도체 및 태양전지용 핵심소재, 원자력의 감속재, 글씨를 쓰는 연필심 등으로 활용된다.Artificial graphite is a composite produced by heat-treating petroleum or coal by-products at over 2,500°C to graphitize them, and has higher purity than natural graphite. In particular, it is excellent in light weight, heat resistance, electrical and thermal conductivity, chemical stability, and high strength, and is used as electrodes in the steel field, cathode materials for mobile phones, core materials for semiconductors and solar cells, moderators for nuclear power, and pencil lead for writing. .

천연흑연은 인조흑연에 비해 흑연화도가 높고 저가이며, 특히 리튬이온 전극 물질로 사용될 시 높은 리튬이온 저장용량을 나타낸다. 그러나, 입자 형상이 침상 혹은 판상구조를 보이며 불규칙한 구조로 인해 표면적이 크고 edge면이 그대로 노출되기 때문에 전지에 적용시 전해질의 침투나 분해반응에 의해 edge면이 박리나 파괴되어 비가역 반응이 크게 일어난다. 또한 판상의 입자는 집전체상에서 폄여상으로 배향하기 쉽기 때문에 전해액과의 습윤성이 좋지 않고 낮은 전극밀도를 가지게 된다. Natural graphite has a higher degree of graphitization and is cheaper than artificial graphite, and has a high lithium ion storage capacity, especially when used as a lithium ion electrode material. However, the particle shape shows a needle-like or plate-like structure, and the surface area is large due to the irregular structure and the edge surface is exposed, so when applied to a battery, the edge surface is peeled or destroyed due to electrolyte penetration or decomposition reaction, causing a large irreversible reaction. In addition, plate-shaped particles are prone to being oriented in a stretched form on the current collector, so they have poor wettability with the electrolyte solution and low electrode density.

반면, 인조흑연은 2500℃ 이상의 고열을 가해서 흑연의 결정 구조를 만들기 때문에 천연흑연보다 안정적인 결정구조를 가지므로 리튬이온의 반복적인 충방전에도 결정구조의 변화가 작아 상대적으로 수명이 길다. On the other hand, artificial graphite has a more stable crystal structure than natural graphite because it creates the crystal structure of graphite by applying high heat of over 2500℃, so the change in crystal structure is small even after repeated charging and discharging of lithium ions, so its lifespan is relatively long.

인조흑연의 제조상 문제점Problems in manufacturing artificial graphite

전기제강용 전극을 비롯하여 대표적인 인조흑연재는 코크스 등의 필러에 핏치 등의 바인더를 첨가하여 일정한 형태로 성형시킨 후 이를 소성 및 흑연화하여 제조한다. 흑연화 후, 반도체용을 비롯하여 용도에 따라 고순도화 처리가 행하여진다. 이것에 의해 흑연재 중의 불순물 함량은 수백~수천 ppm에서 수 ppm이하로 된다. 고순도화 처리는 일반적으로 2,000℃ 이상의 고온에서 가열 하에 프레온 또는 염소 등의 할로겐 가스를 흘려 금속불순물을 할로겐화물로 하여 흑연재로부터 증발 제거시키는 방법이 취해지고 있다. 또한, 흑연화와 동시에 고순도화를 행하는 경우도 있으나 순도의 면에서 약간 못미친다.Representative artificial graphite materials, including electrodes for electric steelmaking, are manufactured by adding a binder such as pitch to a filler such as coke, forming it into a certain shape, and then baking and graphitizing it. After graphitization, high purity treatment is performed depending on the application, including semiconductor use. As a result, the impurity content in the graphite material decreases from hundreds to thousands of ppm to several ppm or less. High purification treatment is generally carried out by flowing a halogen gas such as freon or chlorine under heating at a high temperature of 2,000°C or higher to convert metal impurities into halides and evaporate them out of the graphite material. In addition, there are cases where high purity is performed simultaneously with graphitization, but the purity is slightly lower.

특히, 고결정성 인조흑연을 제조하기 위하여 AlCl3, BF3 등의 촉매를 필수적으로 사용하여야 한다. AlCl3의 경우 인조흑연 제조 과정에서 Al이 불순물로 남아 있어 이를 제거하기 위한 산처리 공정 및 고순화 공정을 필요로 한다. 또한 할로겐 원소가 방출되어 실험장비를 부식시키는 위험이 있다.In particular, in order to produce highly crystalline artificial graphite, catalysts such as AlCl 3 and BF 3 must be used. In the case of AlCl 3 , Al remains as an impurity during the artificial graphite manufacturing process, so an acid treatment process and a high purification process are required to remove it. Additionally, there is a risk that halogen elements may be released and corrode experimental equipment.

난흑연화 탄소의 특성Characteristics of non-graphitizing carbon

비흑연계 탄소는 탄소 원자로 구성된 육각망목면의 크기가 작고, 적층 성장이 잘 발달되지 못하여 무질서한 구조를 가지며, 육각 망목면으로 구성된 미세결정자(crystallite)들이 서로 엉켜 있거나, 이런 미세결정자들이 비정질상과 혼합되어 있는 구조를 나타낸다. Non-graphitic carbon has a disordered structure because the size of the hexagonal network planes composed of carbon atoms is small, and lamination growth is not well developed, and microcrystallites composed of hexagonal network planes are entangled with each other, or these microcrystals are mixed with the amorphous phase. It represents the structure that exists.

비흑연계 탄소는 흑연화의 용이 정도에 따라 이흑연화성 탄소(soft carbon)와 난흑연화 탄소(hard carbon)로 구분될 수 있다. 이러한 구조적 차이는 탄소 전구체의 탄화 과정 중에 일어나는 결정자 재배열 거동의 차이에 기인한다. Non-graphitic carbon can be classified into soft carbon and hard carbon depending on the degree of ease of graphitization. These structural differences are due to differences in crystallite rearrangement behavior that occurs during the carbonization process of the carbon precursor.

난흑연화 탄소는 숯, 바이오매스, 코크스 등을 원료로 하며 탄화과정 중에 흑연층 평면의 적층이 크게 억제되기 때문에 결정자들이 서로 엉켜 무질서하게 배열된다. 즉, 열처리되어도 상대적으로 작은 육각형 탄소층이 무작위하게 혹은 비균일하게 적층된 무정형의 구조를 갖는다. 따라서 결정자의 크기가 매우 작으며, 2500℃ 이상의 고온에서 열처리하여도 흑연 구조로 배열되지 않는다. 이러한 결정학적 무정형성은 넓은 각도의 X선 산란(WAXS)과 중성자 산란(WANS)을 야기한다. 한편, 흑연화가 용이한 이흑연화성 탄소의 경우 탄소층 평면(graphene layer)들이 비교적 서로 평행하게 배열되어 있어 고온에서의 흑연화가 용이하다. Non-graphitizable carbon is made from charcoal, biomass, coke, etc., and because stacking of the graphite layer plane is greatly suppressed during the carbonization process, the crystallites are entangled with each other and arranged in a disorderly manner. That is, even after heat treatment, it has an amorphous structure in which relatively small hexagonal carbon layers are stacked randomly or non-uniformly. Therefore, the size of the crystallites is very small, and they are not arranged in a graphite structure even when heat treated at a high temperature of 2500°C or higher. This crystallographic amorphism results in wide angle X-ray scattering (WAXS) and neutron scattering (WANS). Meanwhile, in the case of easily graphitizable carbon, graphene layers are relatively arranged parallel to each other, making graphitization easy at high temperatures.

이하 본원의 각 측면에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, each aspect of the present application will be described in detail.

본원의 제1 측면은,The first aspect of the present application is,

인조흑연의 제조방법에 있어서, 난흑연화 탄소와 실리콘 전구체를 혼합하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 형성된 혼합물을 열처리하여 실리콘 카바이드를 형성하는 제2 단계; 상기 형성된 실리콘 카바이드를 공기 분위기에서 열처리하여 미반응 난흑연화 탄소를 제거하는 제3 단계; 및 상기 열처리된 실리콘 카바이드를 흑연화하여 고결정성 인조흑연을 제조하는 제4 단계;를 포함하는 고결정성 인조흑연의 제조방법을 제공한다.A method for producing artificial graphite, comprising: a first step of mixing non-graphitizable carbon and a silicon precursor; A second step of heat treating the mixture formed in the first step to form silicon carbide; A third step of heat treating the formed silicon carbide in an air atmosphere to remove unreacted non-graphitized carbon; and a fourth step of producing highly crystalline artificial graphite by graphitizing the heat-treated silicon carbide.

이하, 본원의 제1 측면에 따른 상기 고결정성 인조흑연의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the method for manufacturing the highly crystalline artificial graphite according to the first aspect of the present application will be described in detail.

우선, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고결정성 인조흑연의 제조방법은 난흑연화 탄소와 실리콘 전구체를 혼합하는 제1 단계;를 포함한다.First, in one embodiment of the present application, the method for producing highly crystalline artificial graphite includes a first step of mixing non-graphitizable carbon and a silicon precursor.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 난흑연화 탄소는 흑연화 처리를 하여도 결정성이 낮고 결함을 다수 함유하고 있는 탄소소재, 흑연화 온도에서 결정성이 높은 이흑연화 탄소, 탄소소재 폐기물, 바람직하게는 카본블랙, 활성탄, 등방성 탄소섬유 및 이들의 혼합물, 더 바람직하게는 카본블랙을 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present application, the non-graphitizable carbon is preferably a carbon material that has low crystallinity and contains many defects even after graphitization treatment, easily graphitized carbon that has high crystallinity at the graphitization temperature, and carbon material waste. Specifically, it may be characterized by using carbon black, activated carbon, isotropic carbon fiber, and mixtures thereof, more preferably carbon black.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 실리콘 전구체는 실리콘을 공급할 수 있는 물질로서, 바람직하게 실리콘, 실리콘 오일, 실리카 및 이들의 혼합물, 더 바람직하게는 실리콘을 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present application, the silicon precursor is a material capable of supplying silicon, preferably using silicon, silicone oil, silica, and mixtures thereof, more preferably silicon.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 난흑연화 탄소와 실리콘 전구체의 혼합 비율은 1:0.1 내지 1:1.5, 바람직하게는 1:0.3내지 1:1.2, 더 바람직하게는 1:0.5내지 1:1.1의 몰비일 수 있다. 상기 비율이 1:0.1 내지 1:1.5 범위를 벗어날 경우, 실리콘 전구체의 함량이 충분치 않아 실리콘 카바이드가 너무 적게 생성되어 인조흑연의 수율이 떨어질 수 있거나, 실리콘 전구체의 함량이 너무 많은 경우 그 자체로 불순물로서 작용할 수 있다.In one embodiment of the present application, the mixing ratio of the non-graphitizable carbon and the silicon precursor is 1:0.1 to 1:1.5, preferably 1:0.3 to 1:1.2, more preferably 1:0.5 to 1:1.1. It may be a molar ratio of If the ratio is outside the range of 1:0.1 to 1:1.5, the content of the silicon precursor may be insufficient and too little silicon carbide may be generated, which may reduce the yield of artificial graphite, or if the content of the silicon precursor is too high, it may itself be an impurity. It can act as.

만약, 상기 난흑연화 탄소와 실리콘 전구체의 혼합비율이 상기 범위를 벗어나는 경우 제조된 인조흑연의 결정성일 떨어지고 결함을 다수 함유하는 문제가 있거나, 낭비되는 실리콘의 비율이 증가하는 문제가 있다.If the mixing ratio of the non-graphitizable carbon and silicon precursor is outside the above range, the crystallinity of the manufactured artificial graphite may decrease and contain many defects, or the proportion of wasted silicon may increase.

상기 혼합방법은 용매에 난흑연화 탄소 및 실리콘 전구체를 첨가한 후 초음파 처리를 이용하여 이루어질 수 있다.The mixing method can be performed by adding non-graphitizable carbon and silicon precursor to the solvent and then ultrasonic treatment.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제1 단계에서 형성된 혼합물을 열처리하여 실리콘 카바이드를 형성하는 제2 단계;를 포함한다.Next, in one embodiment of the present application, a second step of forming silicon carbide by heat treating the mixture formed in the first step is included.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제2 단계의 열처리는 1200℃ 내지 2100℃의 온도에서 30분 내지 180분 동안, 바람직하게는 1250℃ 내지 2050℃의 온도에서 45분 내지 120분 동안, 더 바람직하게는 1300℃ 내지 2000℃의 온도에서 60분 내지 90분 동안 수행 동안 불활성 가스 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the heat treatment in the second step is performed at a temperature of 1200 ℃ to 2100 ℃ for 30 minutes to 180 minutes, preferably at a temperature of 1250 ℃ to 2050 ℃ for 45 minutes to 120 minutes, more preferably Specifically, it may be characterized in that it is performed in an inert gas atmosphere at a temperature of 1300°C to 2000°C for 60 to 90 minutes.

만약 상기 단계에서 열처리 온도가 1200℃ 미만이거나 반응시간이 30분 미만인 경우에는 난흑연화 탄소와 실리콘 전구체의 반응에 필요한 에너지가 충분하지 않아 실리콘 카바이드 형성이 일어나지 않는다. 반면 반응온도가 2100℃를 초과하거나 180분을 초과하는 경우에는 불필요한 에너지가 소요되어 에너지 효율이 저하된다.If the heat treatment temperature in the above step is less than 1200°C or the reaction time is less than 30 minutes, the energy required for the reaction of the non-graphitizable carbon and the silicon precursor is not sufficient, so the formation of silicon carbide does not occur. On the other hand, if the reaction temperature exceeds 2100°C or exceeds 180 minutes, unnecessary energy is consumed and energy efficiency decreases.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 형성된 실리콘 카바이드를 공기 분위기에서 열처리하여 미반응 난흑연화 탄소를 제거하는 제3 단계;를 포함한다.Next, in one embodiment of the present application, a third step of removing unreacted non-graphitized carbon by heat treating the formed silicon carbide in an air atmosphere is included.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제3 단계의 열처리는 300℃ 내지 800℃의 온도에서 60분 내지 300분 동안, 바람직하게는 400℃내지 700℃의 온도에서 90분 내지 270분 동안, 더 바람직하게는 500℃ 내지 600℃에서 120분 내지 240분 동안 산소가 함유되어 있는 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the heat treatment in the third step is more preferably at a temperature of 300°C to 800°C for 60 minutes to 300 minutes, preferably at a temperature of 400°C to 700°C for 90 minutes to 270 minutes. Specifically, it may be characterized as being performed in an oxygen-containing atmosphere at 500°C to 600°C for 120 to 240 minutes.

만약 상기 단계에서 열처리 온도가 300℃ 미만이거나 시간이 60분 미만인 경우 남아 있는 난흑연화 탄소를 충분히 제거하지 못하여 제조된 인조흑연의 순도가 떨어질 우려가 있다. 또한 열처리 온도가 800℃ 초과이거나 300분 초과인 경우 큰 효과를 보이지 않아 에너지가 낭비되게 된다.If the heat treatment temperature in the above step is less than 300°C or the time is less than 60 minutes, there is a risk that the purity of the produced artificial graphite may decrease because the remaining non-graphitizable carbon cannot be sufficiently removed. Additionally, if the heat treatment temperature exceeds 800°C or exceeds 300 minutes, there is no significant effect and energy is wasted.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열처리된 실리콘 카바이드를 흑연화하여 고결정성 인조흑연을 제조하는 제4 단계;를 포함한다.Next, in one embodiment of the present application, a fourth step of manufacturing highly crystalline artificial graphite by graphitizing the heat-treated silicon carbide is included.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제4 단계의 흑연화는 상기 열처리된 실리콘 카바이드를 2400℃ 내지 3000℃의 온도에서 30분 내지 180분 동안, 바람직하게는 2500℃내지 2900℃의 온도에서 45분 내지 120분 동안, 더 바람직하게는 2600℃내지 2800℃에서 60분 내지 90분 동안 불활성가스 분위기에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the fourth step of graphitization is performed by heating the heat-treated silicon carbide at a temperature of 2400°C to 3000°C for 30 minutes to 180 minutes, preferably at a temperature of 2500°C to 2900°C for 45 minutes. It may be characterized by heat treatment in an inert gas atmosphere for from 120 minutes, more preferably at 2600°C to 2800°C for 60 minutes to 90 minutes.

만약 상기 단계에서 흑연화 온도가 2400℃ 미만이거나 반응시간이 30분 미만인 경우 실리콘 카바이드의 전환율이 낮아 미반응한 실리콘 카바이드를 다수 함유하고 있어 제조된 인조흑연의 결정성이 낮게 된다. 반면, 흑연화 온도가 3000℃를 초과하거나 180분을 초과하는 경우 형성된 인조흑연의 결정성에 큰 영향을 미치지 않으며, 불필요한 에너지를 소요하며, 흑연화 처리 장치의 수명을 저하시킨다.If the graphitization temperature in the above step is less than 2400°C or the reaction time is less than 30 minutes, the conversion rate of silicon carbide is low and contains a large amount of unreacted silicon carbide, resulting in low crystallinity of the produced artificial graphite. On the other hand, if the graphitization temperature exceeds 3000°C or exceeds 180 minutes, it does not significantly affect the crystallinity of the formed artificial graphite, consumes unnecessary energy, and reduces the lifespan of the graphitization processing device.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고결정성 인조흑연 제조 방법은 할로겐 화합물을 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the method for producing highly crystalline artificial graphite may be characterized by not using a halogen compound.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고결정성 인조흑연의 층간 거리가 0.34nm, 바람직하게는 0.3380 nm, 더 바람직하게는 0.3372 nm 이하인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the interlayer distance of the highly crystalline artificial graphite may be 0.34 nm, preferably 0.3380 nm, and more preferably 0.3372 nm or less.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고결정성 인조흑연의 라만스펙트럼 측정에 의한 결함에 대한 피크(Id)와 결정성 피크(Ig)의 피크 강도 비율(Id/Ig)이 0.1 이하, 바람직하게는 0.08 이하, 더 바람직하게는 0.05 이하인 것을 특징으로 할 수 있다. 구체적으로 상기 결함(비정질)에 대한 피크 Id는 1300 내지 1400 cm-1, 바람직하게는 약 1350 cm-1 부근의 위치에서 피크를 가지고, 결정성 피크 Ig는 1550 내지 1650 cm-1, 바람직하게는 약 1580 cm-1 부근의 위치에서 피크를 가질 수 있다. 피크 강도 비율(Id/Ig)이 상술한 범위를 만족함으로써, 본 발명의 일 구현예에 의해 제조된 인조흑연이 고결정성을 가지고, 낮은 결함을 가지는 효과를 나타낼 수 있다.In one embodiment of the present application, the peak intensity ratio (I d /I g ) of the peak for defects (I d ) and the crystallinity peak ( I g ) measured by Raman spectrum measurement of the highly crystalline artificial graphite is 0.1 or less, It may preferably be 0.08 or less, and more preferably 0.05 or less. Specifically, the peak I d for the defect (amorphous) has a peak in the vicinity of 1300 to 1400 cm -1 , preferably around 1350 cm -1 , and the crystalline peak Ig has a peak in the vicinity of 1550 to 1650 cm -1 , preferably may have a peak at a location around 1580 cm -1 . When the peak intensity ratio (I d /I g ) satisfies the above-mentioned range, the artificial graphite manufactured by one embodiment of the present invention can exhibit the effect of having high crystallinity and low defects.

본원의 제2 측면은, The second aspect of the present application is,

난흑연화 탄소 및 실리콘 전구체의 혼합물로 이루어진 고결정성 인조흑연으로서, 상기 난흑연화 탄소는 카본블랙, 활성탄, 등방성 탄소섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고, 상기 실리콘 전구체는 실리콘, 실리콘 오일, 실리카 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 고결정성 인조흑연을 제공한다.A highly crystalline artificial graphite made of a mixture of non-graphitizable carbon and a silicon precursor, wherein the non-graphitizable carbon is selected from the group consisting of carbon black, activated carbon, isotropic carbon fiber, and mixtures thereof, and the silicon precursor is silicon, silicon Provided is highly crystalline artificial graphite selected from the group consisting of oil, silica, and mixtures thereof.

본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Detailed description of parts overlapping with the first aspect of the present application has been omitted, but the content described in the first aspect of the present application can be applied equally even if the description is omitted in the second aspect.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement it. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

실시예 1: 고결정성 인조흑연의 제조Example 1: Preparation of highly crystalline artificial graphite

제1 단계: 난흑연화 탄소 및 실리콘 전구체의 혼합Step 1: Mixing of non-graphitizable carbon and silicon precursors

고결정성 인조흑연을 제조하기 위하여 대표적인 난흑연화 탄소인 카본블랙을 이용하였고, 실리콘 전구체로 순수한 실리콘을 선정하였다. 카본블랙 및 실리콘 0.5mol을 1:1의 몰비로 아이소프로판올에 첨가한 후 1시간 동안 초음파 처리하여 카본블랙 및 실리콘을 혼합하였다. 혼합 후 아이소프로판올을 제거하기 위하여 90℃에서 12시간 동안 건조하여 카본블랙/실리콘 혼합물을 제조하였다.To produce highly crystalline artificial graphite, carbon black, a representative non-graphitizable carbon, was used, and pure silicon was selected as the silicon precursor. 0.5 mol of carbon black and silicon were added to isopropanol at a molar ratio of 1:1, and then sonicated for 1 hour to mix the carbon black and silicon. After mixing, the carbon black/silicon mixture was prepared by drying at 90°C for 12 hours to remove isopropanol.

제2 단계: 실리콘 카바이드의 형성Second Step: Formation of Silicon Carbide

카본블랙/실리콘 혼합물로부터 인조흑연을 제조하기 위하여 상기 혼합물을 흑연화 반응기에 넣은 후 1500℃까지 승온하였다. 승온 후 동일 온도에서 1시간 동안 유지하여 실리콘 카바이드를 형성하였다.To produce artificial graphite from a carbon black/silicon mixture, the mixture was placed in a graphitization reactor and the temperature was raised to 1500°C. After raising the temperature, it was maintained at the same temperature for 1 hour to form silicon carbide.

제3 단계: 미반응 난흑연화 탄소의 제거Third step: Removal of unreacted non-graphitized carbon

상기 실리콘 카바이드에 함유되어 있는 미반응한 카본블랙을 제거하기 위하여 600℃에서 180분 동안 공기분위기에서 열처리하였다. To remove unreacted carbon black contained in the silicon carbide, heat treatment was performed at 600°C for 180 minutes in an air atmosphere.

제4 단계: 실리콘 카바이드의 흑연화Step 4: Graphitization of Silicon Carbide

상기 실리콘 카바이드를 2700℃까지 승온한 후 1시간 동안 유지하였으며 이를 상온까지 자연 냉각하여 고결정성 인조흑연을 제조하였다.The silicon carbide was heated to 2700°C, maintained for 1 hour, and then naturally cooled to room temperature to produce highly crystalline artificial graphite.

실시예 2: 고결정성 인조흑연의 제조Example 2: Preparation of highly crystalline artificial graphite

상기 실시예 1에서 카본블랙 및 실리콘의 몰비를 1:0.5으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 그래핀을 제조하였다.Graphene was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of carbon black and silicon was used at 1:0.5.

실시예 3: 고결정성 인조흑연의 제조Example 3: Preparation of highly crystalline artificial graphite

상기 실시예 1에서 카본블랙 및 실리콘의 몰비를 1:0.3으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 그래핀을 제조하였다.Graphene was prepared in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of carbon black and silicon was 1:0.3.

실시예 4: 고결정성 인조흑연의 제조Example 4: Preparation of highly crystalline artificial graphite

상기 실시예 1에서 카본블랙 및 실리콘의 몰비를 1:0.1으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 그래핀을 제조하였다.Graphene was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of carbon black and silicon was used as 1:0.1.

비교예 1: 실리콘 전구체를 사용하지 않은 인조흑연의 제조Comparative Example 1: Production of artificial graphite without silicon precursor

비교예 1은 상기 실시예 1에서 실리콘을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 그래핀을 제조하였다.In Comparative Example 1, graphene was manufactured in the same manner as Example 1, except that silicon was not used.

실험예 1: 그래핀의 물성 평가Experimental Example 1: Evaluation of physical properties of graphene

1. 제조된 그래핀의 결정성 분석1. Crystallinity analysis of manufactured graphene

상기 실시예 및 비교예로부터 제조된 실리콘 카바이드 및 그래핀의 결정구조를 X-선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD)를 이용하여 평가하였다. 제2 단계로부터 제조된 실시예 및 비교예의 XRD 분석 결과는 도 2에 나타내었으며, 제3 단계로부터 제조된 실시예 및 비교예의 XRD 분석 결과는 도 3에 나타내었으며, 제4 단계로부터 제조된 실시예 및 비교예의 XRD 분석 결과는 도 4에 나타내었다. The crystal structures of silicon carbide and graphene prepared from the above examples and comparative examples were evaluated using X-ray diffraction (XRD). The XRD analysis results of the Examples and Comparative Examples prepared from the second step are shown in Figure 2, the XRD analysis results of the Examples and Comparative Examples prepared from the third step are shown in Figure 3, and the Examples prepared from the fourth step and the XRD analysis results of the comparative example are shown in Figure 4.

도 2의 제2 단계를 거친 실리콘 카바이드의 XRD 분석 결과 실리콘 카바이드의 피크가 뾰족하고 높게 나타났고, 실리콘 피크가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 2 및 실시예 3의 경우 22°에서 28° 부근에서 약간의 노이즈가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. As a result of the XRD analysis of the silicon carbide that went through the second step in Figure 2, it was confirmed that the peak of the silicon carbide was sharp and high, and that the silicon peak did not appear. Additionally, in the case of Examples 2 and 3, it was confirmed that some noise occurred around 22° to 28°.

반면 도 3의 제3 단계를 거친 실리콘 카바이드의 XRD 분석 결과 22°에서 28° 부근에서 나타난 노이즈가 사라진 것을 확인할 수 있었다. 피크의 위치와 도 2 및 도 3의 차이를 보아 22°에서 28° 부근에서 나타난 노이즈는 미반응한 카본블랙에 의하여 나타나는 것으로 사료된다. 즉, 제3 단계를 거치는 동안 미반응한 카본블랙이 모두 제거되어 22°에서 28° 부근에서 나타난 노이즈가 없어진 것으로 판단된다. On the other hand, as a result of XRD analysis of silicon carbide that underwent the third step in Figure 3, it was confirmed that the noise that appeared around 22° to 28° disappeared. Looking at the position of the peak and the difference between Figures 2 and 3, it is believed that the noise appearing around 22° to 28° is caused by unreacted carbon black. In other words, it is judged that all unreacted carbon black was removed during the third step and the noise that appeared around 22° to 28° disappeared.

도 2 및 도 3의 결과에서 실시예 1의 경우 제3 단계를 거치지 않아도 XRD 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었다. 탄소 및 실리콘은 1:1의 비율로 반응하여 실리콘 카바이드를 생성한다. 따라서 대부분의 카본블랙과 실리콘 전구체가 반응하여 도 3에서 실시예 1은 22°에서 28° 부근에서 노이즈가 나타나지 않은 것으로 판단된다.From the results of Figures 2 and 3, it was confirmed that the XRD results were the same in Example 1 even without the third step. Carbon and silicon react in a 1:1 ratio to produce silicon carbide. Therefore, it is judged that most of the carbon black and the silicon precursor reacted and no noise appeared around 22° to 28° in Example 1 in FIG. 3.

도 4의 XRD 분석결과에서 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4는 모두 26°부근에서 뾰족하고 높은 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 반면 비교예 1의 경우 뭉툭하고 낮은 피크가 나타났다. 이러한 뽀족하고 높은 피크는 첨가된 실리콘 전구체와 카본블랙이 반응하여 생성된 인조흑연의 결정성이 높다는 것을 의미한다. In the XRD analysis results of Figure 4, it was confirmed that Examples 1, 2, 3, and 4 all showed sharp and high peaks around 26°. On the other hand, in Comparative Example 1, a blunt and low peak appeared. These sharp and high peaks indicate that the artificial graphite produced by the reaction of the added silicon precursor and carbon black has high crystallinity.

도 4의 XRD 분석 결과로부터 제조된 인조흑연의 결정성을 확인하기 위하여 흑연을 이루는 그래핀 층 사이의 거리(d002)를 계산하였으며 이를 표 2에 나타내었다. 실시예 1은 이론적인 그래핀 층 사이의 거리인 0.3354nm에 매우 근접하였으며, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 또한 유사한 값을 가지고 있었다. 그러나 비교예 1의 경우 0.34334nm로 실시예와 비교하여 넓은 층간 거리를 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다. In order to confirm the crystallinity of the artificial graphite produced from the XRD analysis results in FIG. 4, the distance (d002) between the graphene layers making up the graphite was calculated and is shown in Table 2. Example 1 was very close to the theoretical distance between graphene layers, 0.3354 nm, and Examples 2, 3, and 4 also had similar values. However, in the case of Comparative Example 1, it was confirmed that the interlayer distance was 0.34334 nm, which was wider than that of the Example.

XRD 분석 결과로부터 난흑연화 탄소는 2700℃ 이상의 고온에서도 흑연구조를 가지지 않는 반면 (비교예 1) 본 발명을 통하여 제조된 인조흑연은 이론적인 흑연 구조에 가까운 높은 결정성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.From the XRD analysis results, it was confirmed that non-graphitizable carbon does not have a graphite structure even at a high temperature of 2700°C or higher (Comparative Example 1), while the artificial graphite produced through the present invention has a high crystallinity close to the theoretical graphite structure. .

2. 제조된 인조흑연의 결함 분석2. Defect analysis of manufactured artificial graphite

상기 실시예 및 비교예로부터 제조된 인조흑연의 결함은 Raman 분석을 이용하여 평가하였으며, 이를 도 5에 나타내었다. Raman shift의 약 1350 cm-1 부근에서 결함을 의미하는 D band가 나타났으며, 1580 cm-1 부근에서 결정성을 의미하는 G band가 나타났다. Defects of the artificial graphite prepared from the above examples and comparative examples were evaluated using Raman analysis, and this is shown in FIG. 5. The D band, meaning defects, appeared around 1350 cm -1 of Raman shift, and the G band, meaning crystallinity, appeared around 1580 cm -1 .

실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4의 경우 G band의 피크가 높게 나타나고 D band의 피크가 없거나 약하게 나타난 반면, 비교예 1의 경우 D band의 피크가 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다. In the case of Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4, the G band peak appeared high and the D band peak was absent or weak, whereas in Comparative Example 1, the D band peak appeared high. .

또한 D band 및 G band의 피크값 및 피크 강도 비율 Id/Ig를 표 2에 나타내었다. Id/Ig의 값이 감소할수록 제조된 인조흑연의 결함이 적은 것을 의미한다. XRD 및 Raman 분석 결과 제조된 인조흑연은 결정성이 매우 뛰어나고 결함이 없는 고품질의 인조흑연인 것으로 판단된다.Additionally, the peak values and peak intensity ratio Id/Ig of the D band and G band are shown in Table 2. As the value of Id/Ig decreases, it means that the manufactured artificial graphite has fewer defects. As a result of XRD and Raman analysis, the manufactured artificial graphite is judged to be high-quality artificial graphite with excellent crystallinity and no defects.

3. 제조된 인조흑연의 형상 평가3. Shape evaluation of manufactured artificial graphite

상기 실시예 및 비교예로부터 제조된 인조흑연 및 처리하지 않은 카본블랙은 SEM을 이용하여 분석하였으며, 이를 도 6에 나타내었다. 비교예 1의 경우 카본블랙 형상을 그대로 유지하고 있는 반면, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4의 경우 각진 블록 형상으로 변화되는 것을 확인할 수 있었다. Artificial graphite and untreated carbon black prepared from the above examples and comparative examples were analyzed using SEM, and this is shown in FIG. 6. In the case of Comparative Example 1, the carbon black shape was maintained as is, while in the case of Examples 1, 2, 3, and 4, it was confirmed that it changed into an angled block shape.

상기 실시예 및 비교예로부터 제조된 인조흑연의 표면 형상을 보다 정확히 확인하기 위하여 에탄올 1mL에 0.1mg의 그래핀을 첨가한 후 3분간 초음파 처리한 후 TEM을 이용하여 분석하였으며, 이를 도 7에 나타내었다. 비교예 1의 경우 카본블랙의 형상을 유지하면서 속이 비어있는 반면, 실시예 1, 실시예 2, 실시예3, 실시예 4는 모두 박리되어 그래핀과 유사한 얇은 층을 포함하고 있는 것을 확인할 수 있었다.In order to more accurately confirm the surface shape of the artificial graphite prepared from the above examples and comparative examples, 0.1 mg of graphene was added to 1 mL of ethanol, ultrasonicated for 3 minutes, and analyzed using TEM, which is shown in Figure 7. It was. In the case of Comparative Example 1, it was hollow while maintaining the shape of carbon black, while Examples 1, 2, 3, and 4 were all exfoliated and were confirmed to contain a thin layer similar to graphene. .

4. 제조된 인조흑연의 전기전도도4. Electrical conductivity of manufactured artificial graphite

상기 실시예 및 비교예로부터 제조된 인조흑연의 전기 전도도는 IEC TS 62607-6-1(Graphene-based material - Volume resistivity: four probe method)를 이용하여 측정하였으며, 이를 도 8에 나타내었다. The electrical conductivity of the artificial graphite prepared from the above examples and comparative examples was measured using IEC TS 62607-6-1 (Graphene-based material - Volume resistivity: four probe method), and is shown in FIG. 8.

IEC TS 62607-6-1은 측정된 시료의 밀도에 따른 전기전도도를 표현한 것으로 실시예 및 비교예를 통하여 만들어진 시료를 0.1g 사용하여 상압부터 196.13 MPa (2000 kgf/cm2)까지 압력을 가하여 측정하였다. 비교예 1의 경우 시료의 밀도가 낮아 196.13 MPa의 압력울 주어도 0.7g/cm3의 낮은 밀도가 나타났다. 동일 밀도 (0.7g/cm3)에서 실시예 1은 160.5 S/cm의 높은 전기전도도를 나타내었고, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4는 각각 145.1, 143.2, 141.8 S/cm의 전기전도도를 보였다. 반면 비교예 1의 경우 21.7 S/cm로 낮은 전도도를 보였다. IEC TS 62607-6-1 expresses the electrical conductivity according to the density of the measured sample. It was measured by applying pressure from normal pressure to 196.13 MPa (2000 kgf/cm 2 ) using 0.1 g of the sample made through Examples and Comparative Examples. did. In Comparative Example 1, the density of the sample was low, so even when a pressure of 196.13 MPa was applied, a low density of 0.7 g/cm 3 was observed. At the same density (0.7g/cm 3 ), Example 1 showed a high electrical conductivity of 160.5 S/cm, and Example 2, Example 3, and Example 4 showed electrical conductivity of 145.1, 143.2, and 141.8 S/cm, respectively. showed. On the other hand, Comparative Example 1 showed a low conductivity of 21.7 S/cm.

도 1 및 도 4의 결과로부터 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4의 결정성이 높고 결함이 감소하는 것으로 보아 이와 같은 결과가 나온 것으로 판단된다. 또한 실시예 1의 경우 2.0 g/cm3의 밀도에서 540.8 S/cm의 높은 전기전도도를 보였으며, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4은 각각 502.4, 493.0, 487.9 S/cm의 전도도를 보였다.From the results of FIGS. 1 and 4, it is judged that the crystallinity of Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4 was high and defects were reduced, indicating that this result was obtained. In addition, Example 1 showed a high electrical conductivity of 540.8 S/cm at a density of 2.0 g/cm 3 , and Example 2, Example 3, and Example 4 showed conductivity of 502.4, 493.0, and 487.9 S/cm, respectively. It seemed.

Claims (13)

인조흑연의 제조방법에 있어서,
용매에 난흑연화 탄소 및 실리콘 전구체를 첨가한 후 초음파 처리를 이용하여 혼합하는 제1 단계;
상기 제1 단계에서 형성된 혼합물을 열처리하여 실리콘 카바이드를 형성하는 제2 단계;
상기 형성된 실리콘 카바이드를 공기 분위기에서 열처리하여 미반응 난흑연화 탄소를 제거하는 제3 단계; 및
상기 열처리된 실리콘 카바이드를 흑연화하여 고결정성 인조흑연을 제조하는 제4 단계;를 포함하고,
상기 난흑연화 탄소와 실리콘 전구체의 혼합 비율은 1:0.3 내지 1:1.2의 몰비이고,
상기 고결정성 인조흑연의 층간 거리가 0.3380nm 이하이고,
상기 고결정성 인조흑연의 라만스펙트럼 측정에 의한 결함에 대한 피크(Id)와 결정성 피크(Ig)의 피크 강도 비율(Id/Ig)이 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 고결정성 인조흑연의 제조방법.
In the manufacturing method of artificial graphite,
A first step of adding non-graphitizable carbon and silicon precursor to a solvent and then mixing them using ultrasonic treatment;
A second step of heat treating the mixture formed in the first step to form silicon carbide;
A third step of heat treating the formed silicon carbide in an air atmosphere to remove unreacted non-graphitized carbon; and
A fourth step of graphitizing the heat-treated silicon carbide to produce highly crystalline artificial graphite,
The mixing ratio of the non-graphitizable carbon and silicon precursor is a molar ratio of 1:0.3 to 1:1.2,
The interlayer distance of the highly crystalline artificial graphite is 0.3380 nm or less,
Highly crystalline artificial graphite, characterized in that the peak intensity ratio (I d /I g ) of the peak for defects (I d ) and the crystalline peak (I g ) as measured by the Raman spectrum of the highly crystalline artificial graphite is 0.05 or less. Manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 난흑연화 탄소는 카본블랙, 활성탄, 등방성 탄소섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 고결정성 인조흑연의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method for producing highly crystalline artificial graphite, characterized in that the non-graphitizable carbon is selected from the group consisting of carbon black, activated carbon, isotropic carbon fiber, and mixtures thereof.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 전구체는 실리콘, 실리콘 오일, 실리카 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 고결정성 인조흑연의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method for producing highly crystalline artificial graphite, wherein the silicon precursor is selected from the group consisting of silicon, silicone oil, silica, and mixtures thereof.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제2 단계의 열처리는 1200℃ 내지 2100℃의 온도에서 30분 내지 180분 동안 불활성 가스 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는, 고결정성 인조흑연의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method for producing highly crystalline artificial graphite, characterized in that the heat treatment in the second step is performed in an inert gas atmosphere at a temperature of 1200 ° C. to 2100 ° C. for 30 minutes to 180 minutes.
제1항에 있어서,
상기 제3 단계의 열처리는 300℃ 내지 800℃의 온도에서 60분 내지 300분 동안 산소가 함유되어 있는 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는, 고결정성 인조흑연의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method of producing highly crystalline artificial graphite, characterized in that the third step heat treatment is performed in an oxygen-containing atmosphere at a temperature of 300 ℃ to 800 ℃ for 60 to 300 minutes.
제1항에 있어서,
상기 제4 단계의 흑연화는 상기 열처리된 실리콘 카바이드를 2400℃ 내지 3000℃의 온도에서 30분 내지 180분 동안 불활성가스 분위기에서 열처리하는 것을 특징으로 하는, 고결정성 인조흑연의 제조방법.
According to paragraph 1,
The fourth step of graphitization is a method of producing highly crystalline artificial graphite, characterized in that the heat-treated silicon carbide is heat-treated in an inert gas atmosphere at a temperature of 2400 ℃ to 3000 ℃ for 30 to 180 minutes.
제1항에 있어서,
상기 고결정성 인조흑연 제조 방법은 할로겐 화합물을 사용하지 않는 것을 특징으로 하는, 고결정성 인조흑연의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method for producing highly crystalline artificial graphite, characterized in that the method for producing highly crystalline artificial graphite does not use a halogen compound.
삭제delete 삭제delete 제1항의 제조방법에 따라 제조된 고결정성 인조흑연으로서,
상기 난흑연화 탄소는 카본블랙, 활성탄, 등방성 탄소섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고,
상기 실리콘 전구체는 실리콘, 실리콘 오일, 실리카 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고,
상기 고결정성 인조흑연의 층간 거리가 0.3380nm 이하이고,
상기 고결정성 인조흑연의 라만스펙트럼 측정에 의한 결함에 대한 피크(Id)와 결정성 피크(Ig)의 피크 강도 비율(Id/Ig)이 0.05 이하인 것인, 고결정성 인조흑연.
Highly crystalline artificial graphite manufactured according to the manufacturing method of claim 1,
The non-graphitizable carbon is selected from the group consisting of carbon black, activated carbon, isotropic carbon fiber, and mixtures thereof,
The silicone precursor is selected from the group consisting of silicone, silicone oil, silica, and mixtures thereof,
The interlayer distance of the highly crystalline artificial graphite is 0.3380 nm or less,
Highly crystalline artificial graphite, wherein the peak intensity ratio (I d /I g ) of the peak for defects (I d ) and the crystalline peak (I g ) as measured by the Raman spectrum of the highly crystalline artificial graphite is 0.05 or less.
삭제delete 삭제delete
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