현재 전 세계적으로 연간 15억개 이상의 폐타이어가 배출되고 있으며, 그중 50% 이상은 소각처리를 통해 폐기되고 있다. 하지만 폐타이어의 연소 과정에서는 유해 물질이 발생하기 때문에, 소각을 통한 폐기가 아닌 폐타이어의 재활용 방안에 대한 많은 논의가 이뤄지고 있다. 본 연구에서는 폐타이어를 탄화하여 하드카본을 제작하고, 이를 리튬이온배터리(Lithium Ion Batteries, LIB)의 대체재 중 하나인 소듐이온배터리(Sodium Ion Batteries, SIB)의 음극활물질로 사용하고자 하였다. 특히, 황산처리 등 전처리 공정 및 장시간 열처리를 필요로 했던 이전 폐타이어 기반 탄소재료 제작 공정에서 벗어나 물질을 선택적이고 급격하게 가열할 수 있는 마이크로파 가열 방식을 폐타이어의 탄화 공정에 적용하여, 더욱 빠르고 간편한 폐타이어 탄화 공정을 개발하였다.
먼저 Thermo Gravimetric Analysis (TGA)를 이용해 폐타이어의 구성 성분 비율을 계산한 결과, 폐타이어의 구성 비율은 합성 고무 61.1 wt%, 금속 6.3 wt%, 카본블랙이 32.6 wt%로 확인되었다. 이중 카본블랙과 금속은 효과적인 마이크로파 흡수체로 작용하여 별도의 처리 없이 폐타이어에 1000W의 마이크로파 조사만으로 1분이라는 짧은 시간 안에 급격한 발열반응을 일으키며 탄소재료로 전환되었고, 이를 MW-1000W/1m(Air)라고 지칭하였다. Raman spectroscopy 분석 결과, MW-1000W/1m(Air)는 기존의 열처리 방식을 통해 약 800℃에서 탄화된 폐타이어 기반 탄소재료와 유사한 결정성을 보여주었다. 주목할 만한 점은 별도의 처리 없이 열처리 방식의 탄화를 진행할 경우 긴 공정 시간으로 인해 대부분의 고무가 분해되는 반면, 마이크로파 탄화를 거친 폐타이어는 별도의 처리 없이도 51.3%의 높은 전체수율을 보여주었고, 수율을 분석한 결과 고무의 12.4%가 탄소 구조로 전환되었음을 알 수 있었다. 다음으로 마이크로파 탄화 공정의 시간 단축 효과를 입증하기 위하여 슬라이딩 탄화로를 이용하여 유사 온도 구간인 800℃에서 승온 시간 없이 마이크로파 조사 시간과 동일한 1분간 폐타이어를 탄화하였고 이를 Sliding-800℃/1m(N2)라고 지칭하였다. 하지만 Sliding-800℃/1m(N2)에서는 여전히 고무가 관찰되었으며, Raman에서도 Pristine Tire와 동일한 수준의 결정성을 보였다. 따라서 외부 열원을 이용하는 열처리 방식의 탄화는 1분이라는 짧은 시간 안에 폐타이어를 탄소재료로 전환하지 못하지만, 마이크로파 탄화를 적용한다면 매우 짧은 시간 안에 높은 수율로 탄소재료를 제작할 수 있음을 확인하였다.
마지막으로 마이크로파-폐타이어 기반 탄소재료를 이용해 SIB를 조립하고 전기화학적 성능을 평가하였다. MW-1000W/1m(Air)의 Galvanostatic Charge-Discharge (GCD) 곡선은 slope 영역이 지배적으로 나타나 Na+가 탄소 층 사이에 저장됨을 알 수 있었고, 첫 충/방전 사이클에서 SEI 형성으로 인해 58.4%의 Initial Coulombic Efficienct (ICE)를 보여주었다. 그리고 다양한 전류 밀도에서 각 10회의 사이클 동안 용량 변동이 없었으며, GCD 곡선의 개형 변화 없이 안정적으로 구동이 가능함을 확인하였다. 특히 2000 mA/g의 높은 전류 밀도에서도 200.7 mAh/g의 용량을 보여주었으며, 또한 이후 20 mA/g의 전류 밀도로 돌아왔을 때 92.3%의 용량 회복률을 보여주었다. 마지막으로 MW-1000W/1m(Air)는 500 mA/g의 높은 전류 밀도에서도 500회 이상 안정적으로 구동하며 99% 이상의 CE를 보여주었기 때문에 높은 전류 밀도에서도 구조의 붕괴 없이 안정적으로 구동 가능한 구조를 갖추었음을 확인하였다.
이러한 마이크로파-폐타이어 기반 탄소재료의 SIB 구동성능은, 황산 처리와 열처리를 포함한 약 48시간의 공정을 필요로 한 이전 연구 대비 ICE는 유사하였지만 용량은 더 높았으며, 높은 전류 밀도에서도 매우 안정적인 모습을 보여주었다. 정리하자면 본 연구를 통해 별도의 전처리 없이 폐타이어에 마이크로파를 1분간 조사하는 것만으로 폐타이어를 탄소재료로 전환하는 것에 성공했으며, 제작된 마이크로파-폐타이어 기반 탄소재료를 음극활물질로 적용하여 우수한 성능을 보여주는 SIB를 조립할 수 있었다.

Currently, over 1.5 billion waste tires are generated annually worldwide, with more than 50% being disposed through incineration. However, due to the generation of harmful substances during the incineration process of waste tires, considerable attention is directed toward exploring potential recycling pathways for waste tires. In this study, we aimed to carbonize waste tires to produce hard carbon, which can be utilized as an anode material for sodium-ion batteries (SIB), an alternative to lithium-ion batteries (LIB). Particularly, we designed a rapid and convenient waste tire carbonization process by adopting microwave heating, which allows for selective and rapid heating. In previous studies, unlike rapid microwave heating process, the only way to transform waste tires into carbonaceous form required sulfuric acid treatment and prolonged heat treatment.
Initially, the composition ratios of waste tires were determined using Thermo Gravimetric Analysis (TGA). The results indicated that the composition of waste tires consisted of synthetic rubber (61.1 wt%), metals (6.3 wt%), and carbon black (32.6 wt%). Among these, carbon black and metals acted as efficient microwave absorbers. As a result, irradiation of 1000W microwave induced a rapid heating of waste tires, leading to the conversion of waste tires into carbon materials within 1 minute. The resultant carbon material from waste tires was designated as MW-1000W/1m(Air). Raman spectroscopy analysis revealed that MW-1000W/1m(Air) exhibited crystallinity similar to that of waste tire-based carbon materials carbonized at approximately 800°C through conventional heat treatment. Notably, while the most of rubber in waste tire was completely decomposed due to the extended processing times in conventional heat treatment, microwave carbonization demonstrated a conversion of 12.4% of the rubber into carbon materials, along with high overall carbon yield reaching 51.3%. To validate the time-saving effect of microwave carbonization, waste tire was carbonized for one minute at a temperature of 800°C using sliding-type convection furnace. The resulting carbon material was termed as Sliding-800°C/1m(N2). Unlike its microwave-carbonized counterpart, Sliding-800°C/1m(N2) still included rubber. Raman spectroscopy showed spectra similar to that of Pristine Tire. Consequently, it could be concluded that the conventional heat treatment using an external heat source failed to convert waste tires into carbon materials within a short time, whereas microwave carbonization demonstrated the ability to produce carbon materials with high efficiency in a very short time.
Finally, Sodium Ion Batteries (SIB) using carbon materials based on microwave-carbonized waste tires was assembled, and their electrochemical performance was evaluated. The Galvanostatic Charge-Discharge (GCD) curves of MW-1000W/1m(Air) revealed a predominant slope region, indicating the storage of Na+ between carbon layers. In the first charge/discharge cycle, Solid Electrolyte Interface (SEI) formation resulted in an Initial Coulombic Efficiency (ICE) of 58.4%. Throughout various current densities, there was no capacity degradation over 10 cycles, along with stable operation without significant changes in the shape of the GCD curves. Especially at a high current density of 2000 mA/g, the SIB based on microwaved waste tires exhibited a capacity of 200.7 mAh/g, and upon returning to a current density of 20 mA/g, it showed a capacity recovery rate of 92.3%. Lastly, MW-1000W/1m(Air) demonstrated stable operation for over 500 cycles at a current density of 500 mA/g, with a CE exceeding 99%, confirming its stable operation even at high current densities.
When compared to the previously reported value from SIBs based on waste tire derived carbon materials, which required approximately 48 hrs of processing time including sulfuric acid treatment and prolonged heat treatment, the electrochemical performance of SIBs based on microwave treatment exhibited similar ICE, higher capacity, and excelling stability even at high current densities. In summary, this study successfully converted waste tires into carbon materials without additional pretreatment by exposing them to microwave irradiation for just one minute. Furthermore, the assembled SIB using the carbon material based on microwave-carbonized waste tires as the anode exhibited outstanding electrochemical performances.

• 그림목차 iii
• 표목차 v
• 국문초록 vi
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 소듐이온배터리 (SIB) 2
• 1.3 하드카본의 특성 5
• 1.4 폐타이어의 폐기 및 재활용 현황 9
• 1.5 마이크로파 가열 공정 11
• 1.6 연구 목적 15
• 제 2 장 실험 방법 17
• 2.1 폐타이어의 마이크로파 탄화 17
• 2.2 폐타이어의 열 탄화 17
• 2.3 폐타이어의 슬라이딩 탄화 17
• 2.4 SIB 셀 조립 18
• 2.5 탄소재료 특성 분석 18
• 2.6 전기화학적 특성 분석 19
• 제 3 장 실험 결과 및 고찰 20
• 3.1 폐타이어의 마이크로파 탄화 20
• 3.1.1 폐타이어의 구성 성분 비율 계산 20
• 3.1.2 마이크로파 조사 후 폐타이어의 구조적 특성 분석 22
• 3.2 마이크로파 탄화 공정의 시간 단축 효과 검증 31
• 3.2.1 마이크로파 탄화와 슬라이딩 탄화 후 폐타이어의 구조적 특성 분석 31
• 3.2.2 마이크로파 탄화와 슬라이딩 탄화 후 폐타이어의 표면 형태 분석 38
• 3.3 마이크로파-폐타이어 기반 SIB의 전기화학적 성능 평가 41
• 3.3.1 마이크로파-폐타이어 기반 SIB의 충방전 메커니즘 분석 41
• 3.3.2 마이크로파-폐타이어 기반 SIB의 속도 성능 분석 42
• 3.3.3 마이크로파-폐타이어 기반 SIB의 장기 사이클 성능 분석 42
• 3.3.4 기존 폐타이어 기반 SIB 연구와의 비교 48
• 제 4 장 결론 50
• 참고문헌 51
• Abstract 59