차아염소산 칼슘을 이용한 에틸렌 설파이트의 산화반응을 통한 에틸렌 설페이트 제조
Manufacture of ethylene sulfate through oxidation reaction of ethylene sulfite using calcium hypochlorite
- 주제(키워드) 차아염소산 칼슘 , 에틸렌 설페이트 , 전해액 첨가제
- 주제(DDC) 500
- 발행기관 아주대학교 공학대학원
- 지도교수 李泍烈
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 공학대학원 화학생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000033573
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
리튬이온 배터리를 사용하는 전기 자동차 시장의 급격한 성장으로, 배터리의 전해액 첨가제로 사용되는 에틸렌 설페이트(Ethylene sulfate)의 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 리튬이온 배터리의 가격 경쟁력을 높이기 위해, 저렴하고 수율이 높은 에틸렌 설페이트 제조법에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 에틸렌 설페이트의 제조에 주로 사용되고 있는 합성 방법으로는 염화루테늄(Ruthenium(Ⅲ) chloride)을 촉매로 하고, 차아염소산 나트륨 등의 산화제를 사용하여 에틸렌 설파이트(Ethylene sulfite)를 산화시키는 방법이 이용되고 있으나, 시장 경쟁력을 확보하기 위해서 보다 수율이 높고 저렴한 제조법이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 차아염소산 나트륨(Sodium hypochlorite)의 대체 산화제로 차아염소산 칼슘(Calcium hypochlorite)의 적용 가능성을 검토하고, 실험을 통해 반응 안정성을 비교하였다. 또한 문헌 고찰을 통해 염화루테늄 촉매와 차아염소산 칼슘을 이용하여, 에틸렌 설페이트를 합성하기 위한 에틸렌 설파이트의 산화반응에서 물과 다이클로로메테인의 혼합 용매를 사용하여 수율을 높이고 반응 시간을 단축하고자 하였다. 반응 안정성의 비교 실험 결과, 차아염소산 나트륨은 60% 이상의 수율을 얻기 위해서는 3 ℃ 이하의 온도를 유지해야 하는 반면, 차아염소산 칼슘은 15 ℃ 이하의 반응온도에서 80% 이상의 수율을 얻을 수 있어, 차아염소산 칼슘이 온도 안정성과 제조 수율 측면에서 우수함을 확인하였다. 차아염소산 칼슘을 산화제로 사용한 다이클로로메테인과 물의 혼합 용매 적용 실험에서는 유기용매와 물의 최적 혼합 중량비를 도출하였으며, 도출된 혼합 용매 조건과 차아염소산 칼슘을 적용한 산화반응에서 차아염소산 나트륨을 사용한 조건보다 반응시간이 단축되고 수율이 33% 정도 항상 된 것을 확인하였다. 증량반응에서 사용된 산화제의 가격 비교에서도 1 Kg당 가격에서 차아염소산 칼슘은 차아염소산 나트륨보다 75%정도 저렴하였으며, 이를 통해 에틸렌 설파이트 산화반응에 차아염소산 칼슘을 사용하였을 경우, 차아염소산 나트륨을 사용한 조건보다 생산성이 좋고 가격경쟁력이 높다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 차아염소산 칼슘을 사용한 산화반응 조건은 차아염소산 나트륨을 사용한 산화 방법의 단점을 보완하고, 에틸렌 설페이트의 가격 경쟁력 향상에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
more초록/요약
The demand for ethylene sulfate, employed as an electrolyte additive in lithium-ion batteries due to the rapid expansion of the electric vehicle market, is on the rise. Consequently, there is a growing interest in cost-effective and high-yield manufacturing methods for ethylene sulfate to enhance the competitive position of lithium-ion batteries. Presently, the primary synthetic method for ethylene sulfate production involves the use of ruthenium(Ⅲ) chloride as a catalyst and oxidizing agents such as sodium hypochlorite to oxidize ethylene sulfite. However, to secure market competitiveness, there is a need for more efficient and economical manufacturing processes. This study examines the potential application of calcium hypochlorite as an alternative oxidizing agent to sodium hypochlorite and compares their reaction stabilities through experimentation. Additionally, based on a literature review, the research aims to improve yields and reduce reaction times in synthesizing ethylene sulfate using ruthenium chloride as a catalyst and calcium hypochlorite, utilizing a mixed solvent of water and dichloromethane. According to the comparative experimental results on reaction stability, it was observed that to achieve a yield of 60% or higher with sodium hypochlorite, it is necessary to maintain a temperature of 3°C or below. In contrast, calcium hypochlorite demonstrated an ability to attain a yield of 80% or higher at reaction temperatures below 15°C. This confirms the superior temperature stability and manufacturing yield of calcium hypochlorite. Moreover, employing calcium hypochlorite in experiments using a mixed solvent of dichloromethane and water identifies an optimal weight ratio between the organic solvent and water, consistently reducing reaction times and yielding approximately 33% higher results compared to sodium hypochlorite conditions. Furthermore, a comparative cost analysis of oxidizing agents used in scaled-up reactions reveals that calcium hypochlorite is approximately 75% cheaper per kilogram than sodium hypochlorite. This suggests that utilizing calcium hypochlorite in the ethylene sulfite oxidation reaction enhances productivity and improves price competitiveness compared to sodium hypochlorite conditions. These conditions, utilizing calcium hypochlorite in the oxidation reaction, are expected to address the limitations of the sodium hypochlorite oxidation method and significantly contribute to advancing the price competitiveness of ethylene sulfate.
more목차
1. 서론 1
2. 결과 및 논의 8
2.1. 에틸렌 설페이트의 제조 8
2.2. 반응 온도별 수율 비교 12
2.3. 혼합 용매 비율 최적화 15
2.4. 생산량 비교 18
3. 결론 24
4. 실험 26
4.1. 총론 26
4.2. 산화제 유효 염소량 측정 27
4.3. 에틸렌 설파이트의 합성 28
4.4. NaOCl 을 사용한 에틸렌 설페이트의 합성 29
4.5. Ca(OCl)2 를 사용한 에틸렌 설페이트의 합성 29
참고문헌 31
