Carbonization Behavior of Solvent Fractionated Components of Coal Tar Pitch

Abstract

Coal-tar pitch is a complex mixture of thousands of constituents but is primarily composed of polycyclic aromatic hydrocarbons. Several approaches, including solvent extraction, use coal-tar pitch as an anode material for lithium ion secondary batteries (LIBs). However, when compared to other commercial carbonaceous materials, coal-tar pitches derived carbons (CTPCs) have lower capacity and anodic performance. Most of researcheshavenot significantly addressedto the relationship between CTPCs properties and their electrochemical performance. Revealing the key factors involved in the structure and properties of CTPCs is essential for understanding theircarbonization behavior. In this study, CTPCs were obtained using Soxhlet extraction and heat treatment, which employs three different solvents to separate different kinds of fractionated component of coal tar pitch. Combining this method with an ultra-sonication method reduces the time of the extraction procedure.The effect of the microstructure, particle morphology and chemical composition of the CTPCs and also the influence of their carbonization temperature on the structural changes were studied.TheCTPCwere investigated using X-ray diffraction, Raman spectroscopy, element analysis, optical microscopy, and scanning electron microscope. We also tried to determine the relationship between CTPCs microstructure, particle morphology, andchemical composition.

콜타르 피치는 다양한 탄소 전구체 중에서도 가격 경쟁력에서 절대적 우위에 있으며 부산물 처리의 재활용이라는 점에서 친환경적이며, 다양한 compound 들이 포함되어 있는 화합물이므로 단일 콜타르 피치에서 흑연성 탄소와 난흑연성 탄소를 만들 수 있는 가능성이 매우 높은 전구체로 오늘날 다양한 분야에 있어서 사용될 물질로 각광받고 있다. 그러나 콜타르 피치는 다종의 방향족 유기 화합물로써 열처리과정에서 일어나는 탄화거동은 매우 복잡하여 규명하기 어렵기 때문에 활용에 있어 핵심적인 문제가 된다. 이를 해결하기 위해 콜타르 피치 분리에 실험적인 접근으로 일부 특정 유기용매를 이용하거나 열처리공정과 함께 추가공정을 통해 탄소수득물의 성능 향상 노력을 해왔다. 그러나 이러한 연구들은 콜타르 피치의 탄화거동 규명과 같은 본질적인 부분에는 접근이 이뤄지질 않았다. 이를 위해 콜타르 피치의 성분추출에 대해 이론적 접근을 하기 위해 사용한 것이 분자간 응집 에너지밀도를 수치화한 용해도 상수이다. 용해도 상수가 비슷하다면 서로 분자간 응집 에너지밀도가 같으므로 그 둘은 서로 잘 용해되거나 섞인다고 볼 수 있으며 이는 like dissolve like"라는 표현으로도 나타낼 수 있다. 이 연구에서는 각각 solubility parameter의 hydrogen term 과 polar term이 다른 값을 갖는 용매에 따른 콜타르 피치의 구성성분을 중심으로 탄화시 구조와 표면의 변화를 분석하는데 이용하였다.

기존에 용해도 상수가 알려진 유기용매와 그에 따른 추출성분의 탄화거동을 규명하였으며, 구조와 표면 분석을 통해 난흑연성 탄소와 흑연성 탄소를 용매에 따른 탄화방법으로 제조 할수 있음을 검증하였으며, 콜타르 피치 구성성분에 따른 탄화과정의 전후과정이 구조와 표면의 관점에서 다른 양상을 보임을 확인하였다.