소개
타르는 배터리 등급 흑연 음극재 생산에 중요한 역할을 합니다. 고온에서 열분해되는 동안 타르는 탄화되어 양극 입자의 형상을 만드는 데 도움을 줍니다. 타르의 연화점은 복합 재료에서 균일한 분포를 보장하기 위해 재료가 충분히 액화될 수 있는 온도 범위를 결정합니다. 타르의 연화점이 높을수록 코팅이 더 균일해집니다. 열처리 후 생성된 탄소질 잔류물은 치수 안정성을 유지하며 고온 공정에서 양극 작동에 필수적인 내열성 및 내화학성을 갖습니다[1]. 열분해 과정과 연화점은 모두 열 분석을 통해 조사할 수 있습니다. 음극재 생산에 적합한 4가지 유형의 타르를 비교했습니다.
방법 및 샘플 준비
열분해 과정을 조사하기 위한 열무게 측정은 NETZSCH TG Libra® 를 사용하여 수행했습니다. 표 1에 나열된 측정 조건이 적용되었습니다. 타르 샘플의 상 전이 및 연화 온도를 결정하기 위해 NETZSCH DSC Caliris® 를 사용하여 DSC 측정을 수행했습니다.
표 1: 다양한 피치 샘플의 TGA 측정을 위한 측정 조건
| 시료 질량 | 10 ± 0.1 mg |
|---|---|
| 도가니 | 85 μl 알루미늄 산화물, 개방형 |
| 가열 속도 | 10 K/min |
| 온도 프로그램 | 질소 40~900°C, 공기 900~1100°C |
| 퍼지 가스 흐름 | 40 ml/min |
표 2: 다양한 타르 유형의 DSC 분석을 위한 측정 조건
| 시료 질량 | 6 ± 0.1 mg |
|---|---|
| 도가니 | Al, Concavus® 유형, 피어싱 뚜껑이 있는 냉간 용접식 |
| 가열/냉각 속도 | 10 K/min |
| 퍼지 가스 유량 | 40 ml/min |
| 퍼지 가스 | 질소 |
| 온도 범위 | 40 ~ 140°C / 200°C |
| 가열 횟수 | 2 |
결과 및 토론
열무게 측정은 200°C에서 550°C 사이의 온도 범위에서 불활성 조건에서 수행되었으며 각 타르 샘플에 대해 하나의 단일 질량 손실 단계를 보여줍니다. 질량 변화는 47.5%에서 65.5%까지 다양합니다. 이는 이 온도 범위에서 열분해되는 유기 성분의 함량이 다르다는 것을 나타냅니다.
산화 분위기로 전환하면 탄소 함량의 연소가 시작됩니다. 샘플의 탄소 함량은 34.4%에서 52.4% 사이였습니다. 나머지 잔여 질량을 회분 함량이라고 합니다. 여기서 네 샘플은 아주 약간의 차이만 보였습니다.
타르 샘플의 탄소 함량과 회분 함량 외에도 열 안정성도 결정적인 역할을 합니다. 최대 질량 손실률(DTG 피크) 또는 추정된 시작 온도를 사용하여 서로 다른 샘플의 열 안정성을 비교할 수 있습니다. 그림 1에서 이 값을 보면 샘플 A가 가장 높은 열 안정성을 보이고 샘플 B가 가장 낮은 열 안정성을 보이는 것을 알 수 있습니다.
따라서 열무게 측정법을 사용하면 열분해 중 탄소 수율, 회분 함량 및 열 안정성과 관련하여 다양한 타르 샘플을 분석할 수 있습니다. 따라서 샘플 A가 탄소 함량이 가장 높고 열 안정성이 가장 높다는 것을 확인할 수 있었습니다.
열 중량 분석 외에도 유리 전이 또는 용융과 같은 가능한 열량 효과와 관련하여 DSC 분석을 통해 타르 유형도 조사했습니다. 첫 번째 및 두 번째 가열의 측정된 DSC 곡선은 그림 2에서 볼 수 있습니다. DSC 분석 전후의 도가니 질량을 비교한 결과, 시료 질량이 DSC 프로세스 동안 안정적으로 유지된다는 것이 입증되었습니다. 첫 번째 가열에서 타르 D, C, B는 78.1°C, 68.3°C, 67.1°C에서 흡열 피크를 보입니다. 타르 A는 흡열 피크가 나타나지 않습니다. 그러나 여기에서는 130°C에서 190°C 사이의 약간의 발열 과정을 관찰할 수 있습니다. 제어된 냉각 및 재가열 후 샘플은 두 번째 가열 중에 흡열 피크가 더 이상 발생하지 않기 때문에 첫 번째 가열 때와는 다른 거동을 보입니다. 이는 이완 효과일 수 있습니다. 흡열 피크는 재료의 열 이력에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.
두 번째 가열 동안 각 샘플에 대해 단 하나의 유리 전이만 검출되었습니다. 44°C에서 타르 B의 유리 전이 온도가 가장 낮았습니다. 타르 유형 C와 D의 경우 각각 50°C와 71°C로 약간 더 높았습니다. 샘플 A는 147°C에서 가장 높은 유리 전이 온도를 보였습니다.
DSC를 사용하여 유리 전이 온도와 샘플의 전처리에 따른 차이를 Identify 명확하게 확인할 수 있었습니다. 샘플 A는 잔류 응력이 낮고 유리 전이 온도가 가장 높은 것도 눈에 띄었습니다.
요약
TGA 및 DSC 분석은 배터리 생산에 대한 적합성과 관련하여 다양한 유형의 타르를 종합적으로 식별하는 데 적합한 방법입니다. 이러한 기술을 통해 열 안정성, 탄소 함량, 회분 함량, 열-기계적 이력 및 유리 전이의 특성과 같은 다양한 특성을 파악할 수 있었습니다.
이 정보는 입고 제품 검사 시 제조업체 사양을 확인하는 데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 제형 및 select 적합한 원료를 최적화하는 데도 사용할 수 있습니다. 배터리 생산에 앞서 적합한 시작 물질을 식별하면 최종 제품의 품질에 영향을 미치고 제조 공정의 효율성을 높일 수 있습니다.