전기 이중층 커패시터(EDLC)는 충·방전이 빠르며, 출력 특성과 사이클 특성이 우수한 에너지 저장장치이다. 다공성 탄소물질인 활성탄은 전하를 저장하는데 용이하기 때문에 EDLC의 성능에 큰 영향을 미치는 핵심전극재료이다. 활성탄을 제조하기 위해서는 수증기활성화법과 화학적 활성화법이 있다. 수증기 활성화법은 가격이 저렴하지만 전압범위가 한계가 있고, 용량이 적다는 단점이 있다. 그리고 화학적 활성화 법은 높은 용량과 전압특성을 구현할 수 있지만 제조공정이 복잡하고 가격이 비싸다. 이러한 단점을 보완하기 위해 상업용 활성탄에 간단한 후처리를 하여 용량을 증진시키려는 연구와 coal tar pitch와 petroleum pitch를 사용하여 고품질 활성탄을 제조하는 연구를 진행하였다.
각각 47.6 및 59.6 F/g의 용량을 나타내는 석탄계 및 야자각 활성탄의 용량을 높이기 위해 붕산, 질산, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 그리고 수산화나트륨 및 붕산 처리하였다. 용량증진 효과는 수산화나트륨 및 붕산 처리 하였을 때 가장 좋았으며, 각각 54.4 및 67.2 F/g의 용량을 나타내었다.
산 처리를 하면 산성 관능기가 생겨 용량증진에 방해가 된다는 선행연구 결과에 따라 산성 관능기를 제어하기 위해 열처리하였다. 붕산처리만 하였을 때는 용량과 비표면적이 증가하여 붕산처리가 불순물 제거에 효과가 있음을 알 수 있었다. 하지만 산성 관능기를 제어하기 위한 열처리 과정에서는 용량증진에 큰 효과가 없었다. 하지만 야자각 활성탄을 질산 처리와 수산화나트륨 및 붕산처리 후 800℃에서 열처리한 전극재는 각각 76.8 및 74.8 F/g으로 미처리 활성탄에 비해 용량이 약 25 및 29% 증가하였다.
야자각 활성탄에 질산처리 및 열처리를 한 경우의 내부저항은 상용활성탄에 질산처리만 하였을 때의 내부저항보다 증가하여 고 출력 조건에서는 용량이 크게 감소하였다. 그러나 야자각 활성탄에 수산화나트륨 및 붕산처리를 한 후 열처리하였을 때는 원료활성탄의 내부저항보다 수산화나트륨 및 붕산처리를 할 때의 내부저항이 작았고, 열처리를 하면 내부저항이 더 감소하여 고 출력 조건에서도 용량을 유지하는 것을 확인하였다.
EDLC용 고품질 활성탄을 제조하기 위하여 전구체로 coal tar pitch를 사용하였고, 활성화 온도 및 시간에 따라 제조된 활성탄 전극의 용량 값의 변화를 알아내기 위해 KOH/coal tar pitch의 비율은 4:1으로 설정한 뒤, 700?1000℃의 온도에서 1?4 시간 동안 활성화하였다. 활성화 시간이 증가할수록 1?2 nm의 기공크기 부피가 증가하였으며, 활성탄 전극의 용량 또한 증가하였다. 활성화 온도는 700℃에서 900℃까지 증가할수록 용량이 증가하였지만 1000℃에서는 용량이 감소되는 경향을 보였다. 또한 1?2 nm의 기공크기 부피가 용량의 변화에 따라 증가하였고, 그것을 통해 1?2 nm 크기의 기공의 부피가 용량 증가에 영향을 끼쳤음을 알 수 있었다.
Coal tar pitch에 petroleum pitch를 혼합하여 구조가 다른 두 pitch 혼합물을 원료로 활성화하여 제조된 활성탄의 전기화학적 특성을 알아보기 위해 혼합물의 비율을 10:0?1:1까지 변화시켜 활성화하였다. Coal tar pitch와 petroleum pitch의 혼합물을 최적 조건으로 결정된 900℃의 온도로 3 시간 동안 활성화하였을 때 coal tar pitch만 활성화하였을 때와 비교하면 용량의 증가 효과가 미미했지만, 내부저항이 크게 줄어들어 고 출력 조건에서도 90% 이상의 용량을 유지하였다.
Coal tar pitch의 활성화 전 전구체의 결정화도를 변화시키기 위해 500?900℃의 온도에서 탄화시킨 후, 900℃에서 3 시간 동안 KOH 활성화에 의해 활성탄을 제조하였다. 비표면적과 기공 부피는 탄화온도가 증가할수록 크게 감소하였지만, 평균 기공크기는 700℃까지는 비슷한 값을 유지하였고, 800?900℃ 범위에서는 크게 증가하였다. 제조된 활성탄을 전극으로 적용한 EDLC의 용량은 500?600℃ 범위를 제외하고, 탄화온도가 증가할수록 용량이 감소되었으며, 600℃의 온도로 탄화시켜 제조된 활성탄이 가장 큰 용량을 나타내었다.

EDLC is an energy storage device that has fast charge-discharge and outstanding power density and life cycle. The activated carbon has been a good electrode material for EDLC because it is a porous material having high specific surface area and proper pore size distribution. In order to prepare the EDLC electrodes with high specific capacitance, two types of commercial ACs were post treated. Also, coal tar pitch (CTP) and petroleum pitch (PP) were activated with KOH. Coin-type EDLC cells with two symmetric carbon electrodes using the prepared carbon materials and an organic electrolyte were assembled. Electrochemical performance of EDLC was measured by galvanostatic charge-discharge, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy.
Commercial AC was post treated with various acids and alkalis to increase capacitance as the electrode materials of EDLC. The carbon samples prepared were then heat treated in order to control the amount of acidic functional groups formed by the acid treatments. Among the various ACs, the carbon electrodes (CSsb800) prepared by the treatments of coconut shell based AC with NaOH and H3BO5, and the heat treatment at 800℃ under N2 flow showed a relatively good electrochemical performance. Although the specific surface area of carbon electrode material (1096 m2/g) was less than that of the pristine AC (1122 m2/g), the meso-pore volume was increased after the combined chemical and heat treatments. The specific capacitance of EDLC increased from 59.6 to 74.8 F/g (26 %) with those post treatments. The equivalent series resistance of EDLC using CSsb800 as electrode was much lower than that of EDLC using the pristine AC. Therefore, CSsb800 exhibited a superior electrochemical performance in high scan rates due to its low internal resistance.
ACs was prepared by activation of CTP in the range of 700~1000℃ for 1~4 h under an N2 flow using KOH powder as the activation agent. The optimal activation conditions were determined as CTP/KOH ratio of 1:4, activation temperature of 900℃ and activation time of 3 h. The obtained AC (CTP-93) showed increased pore size distribution in the range of 1~2 nm and the highest specific capacitance of 122 F/g in a two-electrode system with an organic electrolyte by a charge-discharge method at 2.7 V. In order to improve the performance of EDLC electrode, the mixture of CTP and PP was activated with the same activation conditions for CTP. Although the specific capacitances of AC electrodes from CTP only, and the mixtures of CTP and PP were not significantly different, the AC electrodes from CTP and PP mixtures showed outstanding specific capacitance at high current of 3 A/g. Especially, with the mixtures of CTP and PP at ratios of 6:1(CTP+PP61), the high specific capacitance was obtained owing to lower ESR (4.53 Ω). Compared to ESR of CTP-93 (31.2 Ω), ESR of CTP+PP61 much lower because of the higher pore size volume in the range of 1~2 nm and the generation of effective surface functional groups.
In order to change the degree of crystallinity of precursors before KOH activation process, CTPs were carbonized in the range of 500~900℃. The carbonized CTPs were activated at 900℃ for 3 h. As the carbonization temperature increased, specific surface area and pore volume of the obtained ACs decreased. The average pore size showed a similar values up to 700℃ but it increased greatly in the range of 800~900℃. The specific capacitance of AC electrodes decreased with increasing carbonization temperature increased except for the range of 500~600℃ and the AC electrode carbonized at 600℃(C6AC) showed the highest specific capacitance of 124 F/g. The specific surface area of AC carbonized at 900℃ (C9AC) was 24 m2/g, which was lower than one-hundredth of the control AC like CTP-93 AC, but its specific capacitance was 69 F/g, retaining 55 % of the control AC.