DE112020000018T5 - IMMOBILIZED CHALCOGEN AND ITS USE IN A RECHARGEABLE BATTERY - Google Patents
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Abstract
Ein System oder eine Masse aus immobilisiertem Chalkogen beinhaltet ein Gemisch oder eine Kombination aus Chalkogen und Carbon. Das Carbon kann die Form eines Carbongerüsts aufweisen. Das Chalkogen kann Sauerstoff, Schwefel, Selen oder Tellur oder eine Kombination zweier oder mehrerer von Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur beinhalten. Die Aktivierungsenergie, damit Chalkogen dem System oder der Masse aus immobilisiertem Chalkogen entweicht, beträgt ≥ 96 kJ/mol.A system or mass of immobilized chalcogen includes a mixture or combination of chalcogen and carbon. The carbon can have the shape of a carbon framework. The chalcogen can include oxygen, sulfur, selenium, or tellurium, or a combination of two or more of oxygen, sulfur, selenium, and tellurium. The activation energy for chalcogen to escape the system or the mass of immobilized chalcogen is ≥ 96 kJ / mol.
Description
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGCROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATION
Diese Anmeldung ist eine Teilfortführung der
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIKGENERAL STATE OF THE ART
Gebiet der ErfindungField of invention
Die vorliegende Anmeldung betrifft das Gebiet der Lithiumsekundärbatterien mit hoher Energiedichte. Insbesondere betrifft die Anmeldung ein Verfahren zum Vorbereiten von Carbon-Selen-Nanoverbundmaterialien und deren Anwendungen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch immobilisiertes Chalkogen, das Chalkogen und Carbon umfasst. Hierin kann immobilisiertes Chalkogen Kombinationen aus Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur umfassen. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen und die Nutzung des immobilisierten Chalkogens. Eine der Nutzungen immobilisierten Chalkogens ist die in einer wiederaufladbaren Batterie. Die vorliegende Anmeldung betrifft auch eine wiederaufladbare Batterie, die Entlade-Lade-Zyklisierung mit hoher Rate (zum Beispiel 10C-Rate) mit einem Mindestniveau an Kapazitäts-Fading ausführen kann, während sie fähig ist, ihre elektrochemische Performanz, wie spezifische Kapazität, im Wesentlichen zurückzugewinnen, wenn sie mit einer niedrigen Rate, wie mit einer 0,1 C-Rate, aufgeladen wird.The present application relates to the field of high energy density lithium secondary batteries. In particular, the application relates to a method for preparing carbon-selenium nanocomposite materials and their applications. The present invention also relates to immobilized chalcogen, which includes chalcogen and carbon. Immobilized chalcogen herein can comprise combinations of oxygen, sulfur, selenium and tellurium. It also relates to a method for producing and using the immobilized chalcogen. One of the uses of immobilized chalcogen is in a rechargeable battery. The present application also relates to a rechargeable battery that can perform high-rate discharge-charge cycling (e.g. 10C rate) with a minimum level of capacity fading while being able to maintain its electrochemical performance such as specific capacity substantially recover when charged at a low rate such as a 0.1C rate.
Beschreibung des Stands der TechnikDescription of the prior art
Angesichts der zunehmenden menschlichen Nachfrage nach Energie, haben Sekundärbatterien mit hoher massenspezifischer Energie und hoher volumetrischer Energiedichte, wie Lithium-Schwefel-Batterien und Lithium-Selen-Batterien, umfassendes Interesse erweckt. Elemente der Gruppe 6A in der Tabelle des periodischen Systems, wie Schwefel und Selen, haben Zweielektronen-Reaktionsmechanismen bei dem elektrochemischen Reaktionsprozess mit Lithium dargelegt. Obwohl die theoretische massenspezifische Kapazität von Selen (675 mAh/g) niedriger ist als die von Schwefel (1675 mAh / g), weist Selen eine höhere Dichte (4,82 g/cm3) auf als Schwefel (2,07 g/cm3). Daher liegt die theoretische volumetrische Energiedichte von Selen (3253 mAh/cm3) nahe der theoretischen volumetrischen Energiedichte von Schwefel (3467 mAh/cm3). Gleichzeitig, verglichen mit Schwefel, der einem elektrisch isolierenden Material nahe ist, ist Selen elektrisch halbleitend und zeigt bessere elektrische Leitfähigkeitseigenschaften. Verglichen mit Schwefel kann Selen folglich ein höheres Niveau an Aktivität und bessere Einsatzeffizienz sogar bei einem höheren Ladeniveau darlegen, was zu Batteriesystemen mit hoher Energie- und Leistungsdichte führt. Darüber hinaus kann ein Selen-Carbon-Verbundmaterial eine weitere Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit gegenüber Schwefel-Carbon-Verbundmaterial aufweisen, um ein Elektrodenmaterial mit höherer Aktivität zu erhalten.In view of the increasing human demand for energy, secondary batteries with high mass specific energy and high volumetric energy density such as lithium-sulfur batteries and lithium-selenium batteries have attracted widespread interest. Group 6A elements in the table of the periodic table, such as sulfur and selenium, have set out two-electron reaction mechanisms in the electrochemical reaction process with lithium. Although the theoretical mass specific capacity of selenium (675 mAh / g) is lower than that of sulfur (1675 mAh / g), selenium has a higher density (4.82 g / cm 3 ) than sulfur (2.07 g / cm 3 3 ). Therefore, the theoretical volumetric energy density of selenium (3253 mAh / cm 3 ) is close to the theoretical volumetric energy density of sulfur (3467 mAh / cm 3 ). At the same time, compared to sulfur, which is close to an electrically insulating material, selenium is electrically semiconducting and shows better electrical conductivity properties. Compared to sulfur, selenium can therefore exhibit a higher level of activity and better usage efficiency even at a higher charge level, resulting in battery systems with high energy and power density. In addition, a selenium-carbon composite material can have a further improvement in electrical conductivity compared to sulfur-carbon composite material, in order to obtain an electrode material with higher activity.
Wie in der Patentveröffentlichung Nr.
Das Patent
Darüber hinaus nimmt die Nachfrage nach einer wiederaufladbaren Batterie mit langer Lebensdauer, hoher Energiedichte und hoher Leistungsdichte mit der Fähigkeit, mit einer schnellen Rate aufgeladen und entladen zu werden, bei Elektronik-, elektrischen/Hybridfahrzeug-, Luft-/Weltraum/Drohnen-, U-Boot- und anderen industriellen, militärischen und Verbraucheranwendungen ständig fortschreitend zu. Lithium-Ion-Batterien sind Beispiele wiederaufladbarer Batterien bei den oben erwähnten Anwendungen. Der Bedarf an besserer Performanz und Zyklisierungsfähigkeit wurde jedoch mit Lithium-Ion-Batterien nicht erfüllt, während die Lithium-Ion-Batterietechnologie herangereift ist.In addition, the demand for a long life, high energy density, high power density rechargeable battery with the ability to be charged and discharged at a rapid rate is increasing in electronics, electric / hybrid vehicle, air / space / drone, U -Boat and other industrial, military, and consumer applications are constantly increasing. Lithium-ion batteries are examples of rechargeable batteries in the above mentioned applications. However, the need for better performance and cycling ability has not been met with lithium-ion batteries as lithium-ion battery technology has matured.
Atomarer Sauerstoff hat eine Atommasse 16 und eine Fähigkeit für 2 Elektronentransfers. Eine wiederaufladbare Lithium-Sauerstoff-Batterie wurde zum Zweck der Herstellung von Batterien mit hoher Energiedichte nach Gewichtsanteil, 6 580 W.hr/Sauerstoff mit einer Annahme einer Li-O-Batteriespannung von 2,0 V geprüft. Wenn eine Batterie eine Sauerstoffkathode involviert, die mit Lithium- oder Natrium-Metall als eine Anode gepaart wird, weist sie die größte stöchiometrische Energiedichte auf. Ein Großteil der technischen Probleme bei der Li//Na-Sauerstoff-Batterie bleibt jedoch ungelöst, wie zum Beispiel (i) das Involvieren von mehr als einem chemischen Transport während des elektrochemischen Entlade- und Ladeprozesses, zum Beispiel (a) Lithium-/Natrium-Ion-Transport von der Anode zu der Kathode während des Batterieentladeprozesses und umgekehrt während des Batterieladeprozesses, der dem einer Lithium-Ion-Batterie sehr ähnlich ist, und (b) der Sauerstofftransport von der Gasphase zu der Kathodenoberfläche, und das Umwandeln in feststoffähnliche Superoxide, Peroxide und Oxide während des Batterieentladeprozesses, und das Zurückumwandeln während des Batterieladeprozesses, (ii) eine extrem korrosive Beschaffenheit der Zwischenprodukte, die während des Entladeprozesses gebildet werden, insbesondere Superoxide und Peroxide, für inaktive Kathodenmaterialien; (iii) nukleophiler Angriff des Batterieelektrolyts durch die gebildeten Zwischenprodukte (Superoxide oder Peroxide). Es war daher eine Anzahl von Entdeckungen erforderlich, um die elektrochemischen Verhaltensweisen erfolgreich zu meistern, indem Sauerstoff als ein aktives elektrochemisches Material in einer wiederaufladbaren Batterie verwendet wurde.Atomic oxygen has an atomic mass of 16 and an ability for 2 electron transfers. A rechargeable lithium-oxygen battery was tested for the purpose of making batteries with high energy density by weight fraction, 6 580 W.hr / oxygen with an assumption of a Li-O battery voltage of 2.0 V. When a battery involves an oxygen cathode paired with lithium or sodium metal as an anode, it will have the greatest stoichiometric energy density. Much of the technical problems with the Li // Na oxygen battery remain unsolved, such as (i) the involvement of more than one chemical transport during the electrochemical discharge and charge process, for example (a) lithium / sodium -Ion transport from the anode to the cathode during the battery discharge process and vice versa during the battery charging process, which is very similar to that of a lithium-ion battery, and (b) the oxygen transport from the gas phase to the cathode surface, and the conversion into solid-like superoxides , Peroxides and oxides during the battery discharging process, and converting back during the battery charging process, (ii) an extremely corrosive nature of the intermediates formed during the discharging process, particularly superoxides and peroxides, for inactive cathode materials; (iii) Nucleophilic attack on the battery electrolyte by the intermediate products formed (superoxides or peroxides). A number of discoveries, therefore, were required in order to successfully master electrochemical behaviors using oxygen as an active electrochemical material in a rechargeable battery.
Elementarer Schwefel befindet sich auch in der Chalkogen-Gruppe und hat die zweithöchste Energiedichte (nach Gewicht), wenn er mit einer Lithium- oder Natrium-Metall-Anode gepaart wird, 2 961 W.hr/kg-S mit der Annahme einer Li-S-Batteriespannung von 1,8 V. Eine Lithium-Schwefel- oder eine Natrium-Schwefel-Batterie wurde umfassend mit demselben Zweck untersucht. Eine Li/Na-S-Batterie kann jedoch immer noch mehr als einen chemischen Transport während des elektrochemischen Entlade- und Ladeprozesses aufweisen, mindestens (a) Lithium-/Natrium-Ion-Transport von der Anode zu der Kathode während des Batterieentladeprozesses und umgekehrt während des Batterieladeprozesses, was einer Lithium-Ion-Batterie sehr ähnlich ist, und (b) während des Batterieentladeprozesses elementarer Schwefel, der in ein Polysulfid-Ion als Zwischenprodukt umgewandelt wird, das sich in der Elektrolytlösung auflöst und von Kathode zu Anode pendelt. Beim Erreichen der Anode reagiert ein Polysulfid-Anion mit dem Lithium- oder Natrium-Metall, was in einem Verlust an Energiedichte resultiert, die elektrochemische Energie in Hitze umwandelt, was unerwünscht ist und für ein Batteriesystem zusätzliches Wärmemanagement erfordert. Zusätzlich ist bekannt, dass eine wiederaufladbare Li/Na-S-Batterie aufgrund der extrem niedrigen elektrischen Leitfähigkeit von Schwefel schwer mit einer schnellen Rate entladbar oder ladbar ist.Elemental sulfur is also in the chalcogen group and has the second highest energy density (by weight) when paired with a lithium or sodium metal anode, 2,961 W.hr/kg-S with the assumption of a Li S battery voltage of 1.8 V. A lithium-sulfur or a sodium-sulfur battery has been extensively studied for the same purpose. However, a Li / Na-S battery can still have more than one chemical transport during the electrochemical discharge and charge process, at least (a) lithium / sodium ion transport from the anode to the cathode during the battery discharge process and vice versa during the battery charging process, which is very similar to a lithium-ion battery, and (b) elemental sulfur during the battery discharging process, which is converted into an intermediate polysulfide ion, which dissolves in the electrolyte solution and shuttles from cathode to anode. Upon reaching the anode, a polysulfide anion reacts with the lithium or sodium metal, resulting in a loss of energy density that converts electrochemical energy into heat, which is undesirable and requires additional thermal management for a battery system. In addition, it is known that a Li / Na-S rechargeable battery is difficult to discharge or charge at a rapid rate due to the extremely low electrical conductivity of sulfur.
Elementares Selen ist ein anderes Chalkogen-Element, das eine Energiedichte aufweist, die kleiner als die von Schwefel und Sauerstoff nach Gewicht ist, 1 350 W.hr/kg-Se. Selen weist jedoch eine höhere Massendichte (4,8 g/cm3) auf als Schwefel (2,0 g/cm3) und Sauerstoff (1,14 g/cm3) in einer tiefkalten Form (wäre noch viel niedriger, falls es in Gasform vorläge). Das bewirkt, dass die Selen-Energiedichte nach Volumen auf einem Niveau liegt, das dem von Schwefel und Sauerstoff, 6 480 W.hr/l-Se vs. 5 922 W.hr/l-S und 7 501 W.hr/l-Sauerstoff ähnlich ist. Zusätzlich ist elementares Selen elektrisch leitfähiger als Schwefel, was es einer Li/Na-Se-Batterie erlauben kann, mit einer höheren Zyklisierungsrate zu arbeiten. Eine Li/Na-Se-Batterie kann jedoch während des elektrochemischen Entlade- und Ladeprozesses immer noch mehr als einen chemischen Transport involvieren, mindestens (a) Lithium-/Natrium-Ion-Transport von der Anode zu der Kathode während des Batterieentladeprozesses und umgekehrt während des Batterieladeprozesses, was einer Lithium-Ion-Batterie sehr ähnlich ist, und (b) während des Batterieentladeprozesses Umwandeln eines elementaren Selens in ein Polyselenid-Ion als Zwischenprodukt, das sich in der Elektrolytlösung auflöst und von Kathode zu Anode pendelt; beim Erreichen der Anode reagiert ein Polyselenid-Anion mit Lithium- oder Natrium-Metall, was in einem Verlust an Energiedichte, Umwandeln der elektrochemischen Energie in Wärme resultiert, was unerwünscht ist und für ein Batteriesystem zusätzliches Wärmemanagement erfordert.Elemental selenium is another chalcogen element that has an energy density less than that of sulfur and oxygen by weight, 1,350 W.hr / kg-Se. However, selenium has a higher mass density (4.8 g / cm 3 ) than sulfur (2.0 g / cm 3 ) and oxygen (1.14 g / cm 3 ) in a cryogenic form (would be much lower if it were in gaseous form). This has the effect that the selenium energy density by volume is at a level that is that of sulfur and oxygen, 6,480 W.hr/l-Se vs. 5,922 W.hr/lS and 7,501 W.hr/l oxygen is similar. In addition, elemental selenium is more electrically conductive than sulfur, which can allow a Li / Na-Se battery to operate at a higher rate of cycling. A Li / Na-Se battery, however, can still involve more than one chemical transport during the electrochemical discharge and charge process, at least (a) lithium / sodium ion transport from the anode to the cathode during the battery discharge process and vice versa during the battery charging process, which is very similar to a lithium-ion battery, and (b) during the battery discharging process, converting an elemental selenium into a polyselenide ion as an intermediate product, which dissolves in the electrolyte solution and shuttles from cathode to anode; on reaching the anode, a polyselenide anion reacts with lithium or sodium metal, which results in a loss of energy density, converting the electrochemical energy into heat, which is undesirable and requires additional thermal management for a battery system.
Elementares Tellur ist das schwerste Chalkogen-Element, das nicht radioaktiv ist; es weist eine Energiedichte von nur 742 W.hr/kg auf, mit der Annahme, dass die Spannung der Li-Te-Batterie gleich ist wie die für eine Li-S-Batterie, nämlich 1,8 V. Tellur weist eine Massendichte von 6,24 g/cm3 auf was zu einer theoretischen Energiedichte von 4,630 W.hr/1-Te führt, was nur um etwa 1/3 niedriger ist als Li-Sauerstoff, Li-S und Li-Se, die von 5 922 W.hr/l bis 7 501 W.hr/1 reichen. Das Interesse an einer Li/Na-Te-Batterie ist aufgrund ihrer intrinsischen niedrigen Energiedichte, sowohl nach Gewicht als auch nach Volumen, nicht so groß wie an Li-Sauerstoff- und Li-Se-Batterien. Tellur ist elektrisch leitfähiger als Selen, was es erlauben kann, die Li-Te-Batterie mit einer höheren Rate zu zyklisieren.Elemental tellurium is the heaviest chalcogen element that is not radioactive; it has an energy density of only 742 W.hr / kg, with the assumption that the voltage of the Li-Te battery is the same as that for a Li-S battery, namely 1.8 V. Tellurium has a mass density of 6.24 g / cm 3 resulting in a theoretical energy density of 4.630 W.hr/1-Te, which is only about 1/3 lower than Li-Oxygen, Li-S and Li-Se, that of 5,922 W.hr/l to 7 501 W.hr/1 range. Interest in a Li / Na-Te battery is not as great as in Li-oxygen and Li-Se batteries because of its intrinsically low energy density, both by weight and volume. Tellurium is more electrically conductive than selenium, which can allow the Li-Te battery to cycle at a higher rate.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Es wird hier ein Prozess zum Vorbereiten eines zweidimensionalen Carbonnanomaterials, das einen hohen Grad an Graphitisierung aufweist, offenbart. Die zweidimensionalen Carbonnanomaterialien werden mit Selen vermischt, um ein Carbon-Selen-Verbundmaterial zu erhalten, das als ein Kathodenmaterial verwendet wird, das mit einem Anodenmaterial, das Lithium enthält, gepaart wird, was in einer Lithium-Selen-Batterie resultiert, die eine hohe Energiedichte und beständige elektrochemische Performanzen aufweist. Ein ähnlicher Prozess kann verwendet werden, um weiter eine Pouchzelle zusammenzufügen, die auch hervorragende elektrochemische Eigenschaften darlegt.A process for preparing a two-dimensional carbon nanomaterial having a high degree of graphitization is disclosed herein. The two-dimensional carbon nanomaterials are mixed with selenium to obtain a carbon-selenium composite material, which is used as a cathode material, which is paired with an anode material containing lithium, resulting in a lithium-selenium battery having high Has energy density and stable electrochemical performances. A similar process can be used to further assemble a pouch cell that also exhibits excellent electrochemical properties.
Es wird auch ein Verfahren zum Vorbereiten von Selen-Carbon-Verbundmaterial mit ohne Weiteres verfügbaren Rohmaterialien und einfachen Vorbereitungsvorgehensweisen offenbart.A method of preparing selenium-carbon composite material with readily available raw materials and simple preparation procedures is also disclosed.
Das Selen-Carbon-Verbundmaterial, das hierin beschrieben ist, kann mit einem Vorbereitungsverfahren erhalten werden, das die folgenden Schritte umfasst:
- (1) Organische Alkali-Metallsalze oder organische Erdalkali-Metallsalze werden bei hohen Temperaturen karbonisiert und dann mit verdünnter Salzsäure oder anderen Säuren gewaschen und getrocknet, um ein zweidimensionales Carbonmaterial zu erhalten;
- (2) Das zweidimensionale Carbonmaterial, das in Schritt (1) erhalten wurde, wird mit Selen in organischer Lösung vermischt, erhitzt, und das organische Lösemittel wird verdampft, und dann wird das Vermischen von Selen mit dem zweidimensionalen Carbonmaterial durch eine mehrstufige Wärmerampen- und Durchwärmungsvorgehensweise abgeschlossen, um Carbon-Selen-Verbundmaterial zu erhalten.
- (1) Organic alkali metal salts or organic alkaline earth metal salts are carbonized at high temperatures and then washed with dilute hydrochloric acid or other acids and dried to obtain a two-dimensional carbon material;
- (2) The two-dimensional carbon material obtained in step (1) is mixed with selenium in organic solution, heated, and the organic solvent is evaporated, and then the mixing of selenium with the two-dimensional carbon material is carried out by a multi-stage heat ramp and Soak procedure completed to obtain carbon-selenium composite.
Bei Schritt (1) kann das organische Alkali-Metallsalz aus einem oder mehreren von Kaliumcitrat, Kaliumgluconat und Saccharose-Säure-Natrium ausgewählt werden. Das organische Erdalkali-Metallsalz kann aus einem oder beiden von Calciumgluconat und Saccharose-Säure-Calcium ausgewählt werden. Die Hochtemperaturkarbonisation kann bei 600 bis 1000 °C, wünschenswert 700 bis 900 °C ausgeführt werden; Karbonisationszeit 1 bis 10 Stunden, wünschenswert 3 bis 5 Stunden.In step (1), the organic alkali metal salt can be selected from one or more of potassium citrate, potassium gluconate and sucrose acid sodium. The organic alkaline earth metal salt can be selected from either or both of calcium gluconate and sucrose acid calcium. The high temperature carbonization can be carried out at 600 to 1000 ° C, desirably 700 to 900 ° C;
Bei Schritt (2) kann das organische Lösemittel ausgewählt werden aus einem oder mehreren von Ethanol, Dimethylsulfoxid (DMSO), Tolulol, Acetonitril, N,N-Dimethylformamid (DMF), Carbontetrachlorid und Diethylether oder Ethylacetat; der mehrstufige Wärmerampen- und Durchwärmungsabschnitt kann eine Rampenrate genannt werden 2 bis 10 °C / Min., wünschenswert 5-8 °C / Min., bis zu einer Temperatur zwischen 200 und 300 °C, wünschenswert zwischen 220 und 280 °C, gefolgt von Durchwärmen bei der Temperatur während 3 bis 10 Stunden, wünschenswert 3 bis 4 Stunden; dann Fortsetzen des Erhitzens bis 400 bis 600 °C, wünschenswert 430 bis 460 °C, gefolgt von Durchwärmen während 10 bis 30 Stunden, wünschenswert 15 bis 20 Stunden.In step (2), the organic solvent can be selected from one or more of ethanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), tolulene, acetonitrile, N, N-dimethylformamide (DMF), carbon tetrachloride and diethyl ether or ethyl acetate; the multi-stage heat ramp and soak section can be called a ramp rate of 2 to 10 ° C / min., desirably 5-8 ° C / min., followed by a temperature between 200 and 300 ° C, desirably between 220 and 280 ° C soaking at the temperature for 3 to 10 hours, desirably 3 to 4 hours; then continue heating to 400 to 600 ° C, desirably 430 to 460 ° C, followed by soaking for 10 to 30 hours, desirably 15 to 20 hours.
Hierin wird auch eine Lithium-Selen-Sekundärbatterie offenbart, die die Carbon-Selen-Verbundmaterialien umfasst. Die Lithium-Selen-Sekundärbatterie kann ferner beinhalten: eine lithiumhaltige Anode, einen Separator und einen Elektrolyt.A lithium-selenium secondary battery comprising the carbon-selenium composite materials is also disclosed herein. The lithium selenium secondary battery may further include: an anode containing lithium, a separator, and an electrolyte.
Die lithiumhaltige Anode kann eines oder mehrere von Lithium-Metall-, lithiierten Graphitanoden- und lithiierten Silizium-Carbon-Anodenmaterialien sein (durch Zusammenfügen der Graphit- und Silizium-Carbon-Anodenmaterialien und Lithiumanode in eine Halbzellenbatterie, Entladen, um die lithiierten Graphitanoden- und lithiierten Silizium-Carbon-Anodenmaterialien vorzubereiten). Der Separator (Membran) kann eine im Handel erhältliche Membran sein, wie, ohne Einschränkung, eine Celgard-Membran, eine Whatman-Membran, eine Cellulosemembran oder eine Polymermembran. Der Elektrolyt kann eines oder mehrere eines Carbonat-Elektrolyts, eines Etherelektrolyts und ionischer Flüssigkeiten sein.The lithium-containing anode can be one or more of lithium metal, lithiated graphite anode, and lithiated silicon-carbon anode materials (by assembling the graphite and silicon-carbon anode materials and lithium anode into a half-cell battery, discharging to make the lithiated graphite anode and to prepare lithiated silicon-carbon anode materials). The separator (membrane) can be a commercially available membrane such as, without limitation, a Celgard membrane, a Whatman membrane, a cellulose membrane, or a polymer membrane. The electrolyte can be one or more of a carbonate electrolyte, an ether electrolyte, and ionic liquids.
Der Carbonat-Elektrolyt kann ausgewählt werden aus einem oder mehreren aus Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylencarbonat (EC), Ethyl-Methylcarbonat (EMC) und Propylencarbonat (PC); und die gelöste Substanz kann ausgewählt werden aus einer oder mehreren von Lithium-Hexafluorphosphat (LiPF6), Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)-Imid (LiTFSI), Lithium-Perchlorat (LiClO4) und Lithium-bis(fluorsulfonyl)-Imid (LiFSI).The carbonate electrolyte can be selected from one or more of diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and propylene carbonate (PC); and the solute can be selected from one or more of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI ).
Für die elektrolytische Etherlösung kann das Lösemittel ausgewählt werden aus einem oder mehreren von 1,3-Dioxolan (DOL), Ethylenglycol-Dimethylether (DME) und Triethylenglycol-Dimethylether (TEGDME); und die gelöste Substanz kann ausgewählt werden aus einem oder mehreren von Lithium-Hexafluorphosphat (LiPF6), Lithium-bis-(trifluormethansulfonyl)-Imid (LiTFSI), Lithium-Perchlorat (LiClO4) und Lithium-bis-Fluorsulfonylimid (LiFSI).For the electrolytic ether solution, the solvent can be selected from one or more of 1,3-dioxolane (DOL), ethylene glycol dimethyl ether (DME), and triethylene glycol dimethyl ether (TEGDME); and the solute can be selected from one or more of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and lithium bis-fluorosulfonylimide (LiFSI).
Für ionische Flüssigkeiten kann die ionische Flüssigkeit eine oder mehrere von ionischer Flüssigkeit bei Raumtemperatur [EMIm] NTf2 (1-Ethyl-3-methylimidazolium-bistrifluormethan-sulfonimid-Salz), [Py13] NTf2 (N-Propyl-N-methylpyrrolidin-bistrifluormethan-Sulfonimidsalz), [PP13] NTf2 (N-Propyl-methylpiperidin-alkoxy-N-bistrifluormethan-Sulfonimidsalz) sein; und die gelöste Substanz kann ausgewählt werden aus einem oder mehreren von Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Bis(trifluormethylsulfonyl)-Imid (LiTFSI), Lithium-Perchlorat (LiClO4) und Lithium-bis-Fluorsulfonylimid (LiFSI).For ionic liquids, the ionic liquid can be one or more of ionic liquid at room temperature Sulfonimide salt), [PP13] NTf2 (N-propyl-methylpiperidine-alkoxy-N-bis-trifluoromethane-sulfonimide salt); and the solute can be selected from one or more of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and lithium bis-fluorosulfonylimide (LiFSI).
Hierin ist auch eine Lithium-Selen-Pouchzellenbatterie beschrieben, die das Carbon-Selen-Verbundmaterial umfasst.This also describes a lithium-selenium pouch cell battery which comprises the carbon-selenium composite material.
Verglichen mit dem Stand der Technik, unter Bezugnahme auf das Verfahren zum Vorbereiten von Selen-Carbon-Verbundmaterial, das hierin offenbart ist, weist das zweidimensionale Carbonmaterial die Vorteile auf, dass die Rohmaterialien ohne Weiteres zu geringen Kosten verfügbar sind, das Vorbereitungsverfahren einfach, höchst praktisch und zur Massenproduktion geeignet ist, und das erhaltene Selen-Carbon-Verbundmaterial hervorragende elektrochemische Eigenschaften darlegt.Compared with the prior art, referring to the method for preparing selenium-carbon composite material disclosed herein, the two-dimensional carbon material has advantages that the raw materials are easily available at low cost, the preparation process simple, high is practical and suitable for mass production, and the obtained selenium-carbon composite material exhibits excellent electrochemical properties.
Hierin wird auch immobilisiertes Selen (eine immobilisierte Selen-Masse) offenbart, das Selen und ein Carbongerüst umfasst. Das immobilisierte Selen umfasst mindestens einen der folgenden Aspekte: (a) es erfordert das Gewinnen von ausreichend Energie, damit ein Selenteilchen eine kinetische Energie von ≥ 9,5 kJ/mol, ≥ 9,7 kJ/mol, ≥ 9,9 kJ/mol, ≥ 10,1 kJ/mol, ≥ 10,3 kJ/mol oder ≥ 10,5 kJ/mol erreicht, um dem immobilisierten Selensystem zu entkommen; (b) eine Temperatur von 490 °C oder höher, ≥ 500 °C, ≥ 510 °C, ≥ 520 °C, ≥ 530 °C, ≥ 540 °C, ≥ 550 °C oder ≥ 560 °C ist erforderlich, damit Selenteilchen ausreichend Energie gewinnen, um dem immobilisierten Selensystem zu entkommen; (c) das Carbongerüst weist eine Oberfläche (mit Poren kleiner als 20 Angström) von ≥ 500 m2/g, ≥ 600 m2/g, ≥ 700m2/g, ≥ 800 m2/g, ≥ 900 m2/g oder ≥ 1 000 m2/g auf; (d) das Carbongerüst weist eine Oberfläche (für Poren zwischen 20 Ångström und 1000 Angström) von 20 % oder weniger, 15 % oder weniger, 10 % oder weniger, 5 % oder weniger, 3 % oder weniger, 2 % oder weniger, 1 % oder weniger der Gesamtoberfläche auf.Also disclosed herein is immobilized selenium (an immobilized selenium mass) comprising selenium and a carbon backbone. The immobilized selenium comprises at least one of the following aspects: (a) It requires the recovery of sufficient energy for a selenium particle to have a kinetic energy of ≥ 9.5 kJ / mol, ≥ 9.7 kJ / mol, ≥ 9.9 kJ / mol, ≥ 10.1 kJ / mol, ≥ 10.3 kJ / mol or ≥ 10.5 kJ / mol reached in order to escape the immobilized selenium system; (b) a temperature of 490 ° C or higher, ≥ 500 ° C, ≥ 510 ° C, ≥ 520 ° C, ≥ 530 ° C, ≥ 540 ° C, ≥ 550 ° C or ≥ 560 ° C is required for this Selenium particles gain enough energy to escape the immobilized selenium system; (c) the carbon skeleton has a surface (with pores less than 20 angstroms) of ≥ 500 m 2 / g, ≥ 600 m 2 / g, ≥ 700 m 2 / g, ≥ 800 m 2 / g, ≥ 900 m 2 / g or ≥ 1,000 m 2 / g; (d) the carbon framework has a surface area (for pores between 20 Angstroms and 1000 Angstroms) of 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less, 3% or less, 2% or less, 1 % or less of the total surface.
Hierin wird auch eine Kathode oder eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, offenbart. Das Selen kann mit anderen Elementen dotiert werden, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, mit Schwefel.A cathode or a rechargeable battery comprising immobilized selenium is also disclosed herein. The selenium can be doped with other elements, such as, but not limited to, sulfur.
Hierin wird auch ein Verbundmaterial, das Selen und Carbon beinhaltet, offenbart, das eine Plättchenmorphologie mit einem Seitenverhältnis von ≥ 1, ≥ 2, ≥ 5, ≥ 10 oder ≥ 20 umfasst.This also discloses a composite material that contains selenium and carbon, which comprises a platelet morphology with an aspect ratio of ≥ 1, 2, 5, 10 or 20.
Hierin wird auch eine Kathode offenbart, die ein Verbundmaterial beinhaltet, das Selen und Carbon umfasst und eine Plättchenmorphologie mit einem Seitenverhältnis von ≥ 1, ≥ 2, ≥ 5, ≥ 10 oder ≥ 20 umfasst. Hierin wird auch eine wiederaufladbare Batterie offenbart, die ein Verbundmaterial beinhaltet, das Selen und Carbon umfasst und eine Plättchenmorphologie mit dem obenstehenden Seitenverhältnis umfasst.This also discloses a cathode which contains a composite material which comprises selenium and carbon and comprises a platelet morphology with an aspect ratio of ≥ 1, 2, 5, 10 or 20. Also disclosed herein is a rechargeable battery that includes a composite material comprising selenium and carbon and having a platelet morphology having the aspect ratio above.
Hierin wird auch eine wiederaufladbare Batterie offenbart, die eine Kathode, eine Anode, einen Separator und einen Elektrolyt umfasst. Die wiederaufladbare Batterie kann mit 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 1,5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C oder schneller geladen werden. Die Kathode kann mindestens ein Element einer Chalkogen-Gruppe umfassen, wie Selen, Schwefel, Tellur und Sauerstoff Die Anode kann mindestens ein Element eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls und eines Metalls oder von Metallen der Gruppe IIIA umfassen. Der Separator kann einen organischen oder einen anorganischen Separator umfassen, dessen Oberfläche optional modifiziert werden kann. Der Elektrolyt kann mindestens ein Element eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls und eines Metalls oder von Metallen der Gruppe IIIA umfassen. Das Lösemittel in der Elektrolytlösung kann organische Lösemittel, auf Carbonat-, Ether- oder Ester-Basis, umfassen.Also disclosed herein is a rechargeable battery that includes a cathode, an anode, a separator, and an electrolyte. The rechargeable battery can be charged at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster. The cathode can comprise at least one element of a chalcogen group, such as selenium, sulfur, tellurium and oxygen The anode can contain at least one element of an alkali metal, Alkaline earth metal and a metal or metals of Group IIIA. The separator can comprise an organic or an inorganic separator, the surface of which can optionally be modified. The electrolyte may comprise at least one of an alkali metal, an alkaline earth metal and a metal or group IIIA metals. The solvent in the electrolyte solution can comprise organic solvents, based on carbonate, ether or ester.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine spezifische Kapazität 400 mAh/g oder höher, 450 mAh/g oder höher, 500 mAh/g oder höher, 550 mAh/g oder höher oder 600 mAh/g oder höher aufweisen. Die wiederaufladbare Batterie kann fähig sein, elektrochemischem Zyklisieren mit 50 Zyklen oder mehr, 75 Zyklen oder mehr, 100 Zyklen oder mehr, 200 Zyklen oder mehr usw. unterworfen zu werden. Die wiederaufladbare Batterie kann eine spezifische Kapazität der Batterie größer als 30 %, größer als 40 %, größer als 50 %, größer als 60 %, größer als 70 % oder größer als 80 % der zweiten spezifischen Entladekapazität bei einer Zyklisierungsrate von 0,1C nach dem Ausführen von Lade-Entlade-Zyklisieren mit hoher C-Rate (zum Beispiel 5 Zyklen mit 0,1C, 5 Zyklen mit 0,2C, 5 Zyklen mit 0,5C, 5 Zyklen mit IC, 5 Zyklen mit 2C, 5 Zyklen mit 5C und Zyklen mit 10C) behalten. Die wiederaufladbare Batterie kann eine coulombsche Effizienz von ≥ 50 %, ≥ 60 %, ≥ 70 %, ≥ 80 % oder ≥ 90 % aufweisen. Die wiederaufladbare Batterie kann für Elektronik, ein elektrisches oder Hybridfahrzeug, eine Industrieanwendung, eine militärische Anwendung wie eine Drohne, eine Luft-Raumfahrtanwendung, eine Marineanwendung usw. verwendet werden.The rechargeable battery can have a specific capacity of 400 mAh / g or higher, 450 mAh / g or higher, 500 mAh / g or higher, 550 mAh / g or higher, or 600 mAh / g or higher. The rechargeable battery may be capable of electrochemical cycling for 50 cycles or more, 75 cycles or more, 100 cycles or more, 200 cycles or more, and so on. The rechargeable battery can have a specific capacity of the battery greater than 30%, greater than 40%, greater than 50%, greater than 60%, greater than 70% or greater than 80% of the second specific discharge capacity at a cycling rate of 0.1C performing charge-discharge cycling at high C rate (e.g. 5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles at IC, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C and cycles with 10C). The rechargeable battery can have a Coulomb efficiency of ≥ 50%, ≥ 60%, ≥ 70%, ≥ 80% or ≥ 90%. The rechargeable battery can be used for electronics, an electric or hybrid vehicle, an industrial application, a military application such as a drone, an aerospace application, a marine application, and so on.
Hierin werden auch immobilisiertes Chalkogen mit seinen Eigenschaften, Verfahren zur Herstellung von immobilisiertem Chalkogen und die Verwendung immobilisierten Chalkogens in einer wiederaufladbaren Batterie offenbart.Immobilized chalcogen and its properties, processes for producing immobilized chalcogen and the use of immobilized chalcogen in a rechargeable battery are also disclosed therein.
Diverse bevorzugte und nicht einschränkende Beispiele oder Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben und in den folgenden nummerierten Klauseln dargelegt.Various preferred and non-limiting examples or aspects of the present invention will now be described and set forth in the following numbered clauses.
Klausel 1: Eine immobilisierte Chalkogen-Masse umfasst ein Gemisch aus Chalkogen und Carbon, zum Beispiel ein Carbongerüst. Das Chalkogen umfasst Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur oder ein Gemisch davon. Die immobilisierte Chalkogen-Masse umfasst mindestens eines der Folgenden:
- eine Aktivierungsenergie für ein Chalkogenteilchen zum Entkommen aus der immobilisierten Chalkogen-Masse ≥ 96 kJ/mol, ≥ 99 kJ/mol, ≥ 102 kJ/mol, ≥ 105 kJ/mol, ≥ 108 kJ/mol oder ≥ 111 kJ/mol;
- einen Pre-Exponential-log-Faktor (LogA) ≥7,0, ≥7,1, ≥7,3, ≥7,4 oder ≥7,5;
- eine Stoßfrequenz ≥ 1,0×107, ≥ 1,3×107, ≥ 1,6×107, ≥ 2,6×107 oder ≥ 3,2×107;
- eine kinetische Energie, damit das Chalkogenteilchen der immobilisierten Chalkogen-
Masse entkommt von 1 840.3x2 + 90,075x + D, wobei x das Schwefel-Gew.-% des gesamten Selens und Schwefels in einer immobilisierten Chalkogen-Masse ist, und D ≥ 9 500 J/mol ≥ 9 700 J/mol ≥ 9 900 J/mol ≥ 10 000 J/mol, 10 200 J/mol, 10 400 J/mol oder ≥ 10 600 J/mol betragen kann; - eine mittlere Gewichtsverlusttemperatur der immobilisierten Chalkogen-Masse = 147,57 x2 + 7,2227 x + C, wobei C ≥ 510 °C, ≥ 520 °C, ≥ 530 °C, ≥ 540 °C, ≥ 550 °C, 560 °C oder ≥ 570 °C betragen kann und x der Gew.-%-Anteil von Schwefel in den Gesamtmengen von Selen und Schwefel in der immobilisierten Chalkogen-Masse ist;
- eine Beständigkeit gegenüber Umgebungsoxidation mit einer Haltbarkeit von ≥ 3 Monaten, ≥ 6 Monaten, ≥ 9 Monaten, ≥ 12 Monaten, ≥ 15 Monaten, ≥ 18 Monaten, ≥ 21 Monaten, oder ≥ 24 Monaten, bestimmt durch einen exothermen Gewichtsverlust zwischen 200 und 250 °C ≤ 2,0 Gew.-%, ≤ 1,8 Gew.-%, ≤ 1,6 Gew.-% ≤ 1,4 Gew.-% ≤ 1,2 Gew.-
1,0 Gew.-% bei einer TGA-Analyse unter einem Argonstrom;% oder - eine d-Spacing-Schwindung von Carbon ≥ 0,5 Å, ≥ 0,6 Å, ≥ 0,7 Å, ≥ 0,8 Å oder ≥ 0,9 Å;
- eine Steigerung der D-Band-Raman-Verschiebung des Carbons um ≥2 cm-1, ≥3 cm-1, ≥4 cm-1, ≥5 cm-1 oder ≥6 cm-1.
- eine Steigerung der G-Band-Raman-Verschiebung um ≥1 cm-1, ≥2 cm-1 oder ≥3 cm-1.
- das Carbon ist bei Umgebungsbedingungen hoch aktiv, nachdem es unter einem Inertgasstrom, wie Argon, unter erhöhten Temperaturen, zum Beispiel ≥ 400 °C, ≥ 500 °C, ≥ 600 °C, ≥ 700 °C oder ≥ 800 °C, behandelt wurde, wobei das Carbongerüst zum Beispiel unter einem Inertgasstrom bei den erwähnten Temperaturen von selbst bei Exposition mit Umgebungsbedingungen zu brennen beginnen kann, wie bei Umgebungsluft bei Raumtemperatur (zum Beispiel zwischen etwa 13 °C und 27 °C);
- Wasser wird ≥100 ppm, ≥200 ppm, ≥300 ppm, ≥400 ppm, oder ≥500 ppm, nach Gewicht freigesetzt, wenn die immobilisierte Chalcogen-
Masse bis 400 °C erhitzt wird; - Kohlendioxid wird ≥1.000 ppm, ≥1.200 ppm, ≥1.400 ppm, ≥1.600 ppm oder ≥1.800 ppm, nach Gewicht freigesetzt, wenn die immobilisierte Chalkogen-
Masse bis 600 °C erhitzt wird; - Kohlenmonoxid wird ≥1.000 ppm, ≥1.200 ppm, ≥1.400 ppm, ≥1.600 ppm oder ≥1.800 ppm oder ≥2.000, in Gewicht freigesetzt, wenn die immobilisierte Chalkogen-
Masse bis 800 °C erhitzt wird; - eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisierte Chalkogen-Masse umfasst, weist einen einstufigen Entladeprozess auf, was ein Mindestniveau von Polychalkogenidbildung während des Entladeprozesses nahelegt;
- die wiederaufladbare Batterie, die eine Batterie-Zyklisierungseffizienz von ≥90 %, ≥95 %, ≥97 %, ≥98 oder ≥99 % aufweist, wobei kein Pendeln auftritt, wenn die Zyklisierungseffizienz = 100 %, wobei eine hohe Zyklisierungseffizienz nahelegen kann, dass ein Mindestniveau von Polychalkogenidbildung besteht und/oder Polychalkogenid sich sogar während des Entladeprozesses bildet, wobei das Polychalkogenid auf der Kathode verankert ist;
- die wiederaufladbare Batterie, die eine mittlere Entladespannung von ≥1,2 V, ≥1,3 V, ≥1,4 V, ≥1,5V oder ≥1,5V bei einer C-
Rate von 1 aufweist, wobei eine höhere mittlere Spannung wünschenswert ist, da sie nahelegt, dass die interne Batteriespannung niedrig ist, was eine hohe C-Rate für das Entladen und Laden der Batterie erlaubt; und oder - die wiederaufladbare Batterie, die eine immobilisierte Chalkogen-Masse umfasst, die eine
spezifische Kapazität von 50 % der theoretischen Kapazität von Chalkogen für ≥50 Zyklen, ≥100 Zyklen, ≥150 Zyklen, ≥200 Zyklen oder ≥250 Zyklen aufweist;
- an activation energy for a chalcogen particle to escape from the immobilized chalcogen mass ≥ 96 kJ / mol, ≥ 99 kJ / mol, ≥ 102 kJ / mol, ≥ 105 kJ / mol, ≥ 108 kJ / mol or ≥ 111 kJ / mol;
- a pre-exponential log factor (LogA) ≥7.0, ≥7.1, ≥7.3, ≥7.4, or ≥7.5;
- a shock frequency ≥ 1.0 × 10 7 , ≥ 1.3 × 10 7 , ≥ 1.6 × 10 7 , ≥ 2.6 × 10 7 or ≥ 3.2 × 10 7 ;
- a kinetic energy for the chalcogen particle to escape the immobilized chalcogen mass of 1,840.3x 2 + 90.075x + D, where x is the sulfur wt% of the total selenium and sulfur in an immobilized chalcogen mass, and D ≥ 9 500 J / mol ≥ 9 700 J / mol ≥ 9 900 J / mol ≥ 10 000 J / mol, 10 200 J / mol, 10 400 J / mol or ≥ 10 600 J / mol;
- a mean weight loss temperature of the immobilized chalcogen mass = 147.57 x 2 + 7.2227 x + C, where C ≥ 510 ° C, ≥ 520 ° C, ≥ 530 ° C, ≥ 540 ° C, ≥ 550 ° C, 560 ° C or ≥ 570 ° C and x is the% by weight fraction of sulfur in the total amounts of selenium and sulfur in the immobilized chalcogen mass;
- a resistance to ambient oxidation with a shelf life of ≥ 3 months, ≥ 6 months, ≥ 9 months, ≥ 12 months, ≥ 15 months, ≥ 18 months, ≥ 21 months, or ≥ 24 months, determined by an exothermic weight loss between 200 and 250 ° C ≤ 2.0% by weight, ≤ 1.8% by weight, ≤ 1.6% by weight ≤ 1.4% by weight ≤ 1.2% by weight or 1.0% by weight -% in a TGA analysis under a stream of argon;
- a d-spacing shrinkage of carbon ≥ 0.5 Å, ≥ 0.6 Å, ≥ 0.7 Å, ≥ 0.8 Å, or ≥ 0.9 Å;
- an increase in the D-band Raman shift of the carbon by ≥2 cm -1 , ≥3 cm -1 , ≥4 cm -1 , ≥5 cm -1 or ≥6 cm -1 .
- an increase in the G-band Raman shift by ≥1 cm -1 , ≥2 cm -1 or ≥ 3 cm -1 .
- the carbon is highly active at ambient conditions after it has been treated under a stream of inert gas such as argon at elevated temperatures, for example ≥ 400 ° C, ≥ 500 ° C, ≥ 600 ° C, ≥ 700 ° C or ≥ 800 ° C wherein, for example, under a stream of inert gas at the temperatures mentioned, the carbon framework can start to burn by itself upon exposure to ambient conditions, such as ambient air at room temperature (for example between about 13 ° C and 27 ° C);
- Water is released ≥100 ppm, ≥200 ppm, ≥300 ppm, ≥400 ppm, or ≥500 ppm, by weight, when the immobilized chalcogen mass is heated to 400 ° C;
- Carbon dioxide is released ≥1,000 ppm, ≥1,200 ppm, ≥1,400 ppm, ≥1,600 ppm or ≥1,800 ppm, by weight, when the immobilized chalcogen mass is heated to 600 ° C;
- Carbon monoxide is released ≥1,000 ppm, ≥1,200 ppm, ≥1,400 ppm, ≥1,600 ppm or ≥1,800 ppm or ≥2,000 by weight when the immobilized chalcogen mass is heated to 800 ° C;
- a rechargeable battery comprising immobilized chalcogen mass has a one-step discharge process suggesting a minimum level of polychalcogenide formation during the discharge process;
- the rechargeable battery, which has a battery cycling efficiency of ≥90%, ≥95%, ≥97%, ≥98, or ≥99%, with no hunting when the cycling efficiency = 100%, and high cycling efficiency may suggest that there is a minimum level of polychalcogenide formation and / or polychalcogenide forms even during the discharge process, the polychalcogenide being anchored on the cathode;
- the rechargeable battery, which has a mean discharge voltage of ≥1.2V, ≥1.3V, ≥1.4V, ≥1.5V or ≥1.5V at a C-rate of 1, with a higher mean voltage is desirable as it suggests that the internal battery voltage is low, allowing a high C-rate for discharging and charging the battery; and or
- the rechargeable battery comprising an immobilized chalcogen mass having a specific capacity of 50% of the theoretical capacity of chalcogen for ≥50 cycles, ≥100 cycles, ≥150 cycles, ≥200 cycles, or ≥250 cycles;
Klausel 2: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach Klausel 1 kann eine Koordinationsbindung oder eine Elektron-Donor-Akzeptor-Bindung bilden.Clause 2: The immobilized chalcogen mass of
Klausel 3: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach Klausel 1 oder 2, wobei das Carbon, das das Carbongerüst bildet, eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe beinhalten kann, die eine Fähigkeit des Entziehens eines Elektrons aus dem delokalisierten Extremely-Massive-Aromatic-Conjugated(EMAC)-π-Bondingsystem des Carbongerüsts aufweist.Clause 3: The immobilized chalcogen mass of
Klausel 4: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach einer der Klauseln 1 bis 3, wobei das Carbongerüst eine Carbon-Kation-Mitte auf dem EMAC-π-Bondingsystem aufweisen kann.Clause 4: The immobilized chalcogen mass according to any one of
Klausel 5: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach einer der Klauseln 1 bis 4, wobei die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe eine sauerstoffhaltige Gruppe ≥0,1 mmol O/g, ≥0,5 mmol O/g, ≥1,0 mmol O/g, ≥1,5 mmol O/g, ≥2,0 mmol O/g, ≥2,5 mmol O/g, ≥3,0 mmol O/g beinhalten kann.Clause 5: The immobilized chalcogen mass according to any one of
Klausel 6: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach einer der Klauseln 1 bis 5, wobei die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe, die Sauerstoff umfasst, mindestens eines der Folgenden beinhalten kann: -CHO (Formylgruppe oder Aldehydgruppe), -COR (Acylgruppe oder Ketongruppe), -COOH (Carboxylgruppe oder Carboxylsäuregruppe) oder ihr Salz (-COO-), -COOR (eine Carboxylatgruppe oder Esterguppe), eine Anhydridgruppe oder eine Carbonylgruppe (-CO-).Clause 6: The immobilized chalcogen composition of any one of
Klausel 7: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach einer der Klauseln 1 bis 6, wobei die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe eine stickstoffhaltige Gruppe ≥0,1 mmol N/g, ≥0,5 mmol N/g, ≥1,0 mmol N/g, ≥1,5 mmol N/g, ≥2,0 mmol N/g, ≥2,5 mmol N/g, ≥3,0 mmol N/g beinhalten kann.Clause 7: The immobilized chalcogen mass according to any one of
Klausel 8: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach einer der Klauseln 1 bis 7, wobei die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe, die Stickstoff umfasst, mindestens eines der Folgenden beinhalten kann: eine Nitrogruppe, -NO2, eine Nitroso-Gruppe, -NO, eine Ammoniumgruppe, -N+R3, wobei R eine Alkylgruppe, eine Arylgruppe oder ein H sein kann, eine Cyangruppe (-CN), eine Thiocyangruppe (-SCN) oder eine Isothiocyangruppe (-NCS) sein kann.Clause 8: The immobilized chalcogen composition of any of
Klausel 9: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach einer der Klauseln 1 bis 8, wobei die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe eine schwefelhaltige Gruppe ≥0,1 mmol S/g, ≥0,5 mmol S/g, ≥1,0 mmol S/g, ≥1,5 mmol S/g, ≥2,0 mmol S/g, ≥2,5 mmol S/g, ≥3,0 mmol S/g beinhalten kann.Clause 9: The immobilized chalcogen mass according to any one of
Klausel 10: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach einer der Klauseln 1 bis 9, wobei die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe, die Schwefel umfasst, mindestens eines der Folgenden beinhalten kann: -SO3H- (eine Sulfonsäure)-Gruppe oder ihr Salz (-SO3 -), -SCN (eine Thiocyangruppe), -SO2R (eine Sulfonylester)-Gruppe, wobei R eine Alkylgruppe, Arylgruppe oder Halogen, -SO2CF3 (eine Trifluormethyl-Sulfonylestergruppe), -SO2-O-R, oder eine Sulfoniumgruppe (-S+R2) sein kann, wobei R eine Alkylgruppe, Arylgruppe oder andere organische Funktionsgruppe sein kann und R eventuell nicht gleich ist.Clause 10: The immobilized chalcogen composition of any of
Klausel 11: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach einer der Klauseln 1 bis 10, wobei die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe eine phosphorhaltige Gruppe ≥0,1 mmol P/g, ≥0,5 mmol P/g, ≥1,0 mmol N/g, ≥1,5 mmol P/g, ≥2,0 mmol P/g, ≥2,5 mmol P/g, ≥3,0 mmol P/g beinhalten kann.Clause 11: The immobilized chalcogen mass according to any one of
Klausel 12: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach einer der Klauseln 1 bis 11, wobei die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe, die Phosphor umfasst, mindestens eines der Folgenden beinhalten kann: eine Phosphonsäuregruppe (-PO3H2) oder ihr Salz (-PO3H-, - PO3 2-), eine Phosphonat- (-PO3R2, -PO3HR oder -PO3R-) oder eine Phosphonylgruppe (-POR2), wobei R eine Arkyl-, Aryl-, eine beliebige organische Funktionsgruppe ist. Die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe kann eine Phosphoniumgruppe (-P+R3) sein.Clause 12: The immobilized chalcogen composition of any of
Klausel 13: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach einer der Klauseln 1 bis 12, wobei die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe eine halogenhaltige Gruppe ≥0,1 mmol X/g, ≥0,5 mmol X/g, ≥1,0 mmol X/g, ≥1,5 mmol X/g, ≥2,0 mmol X/g, ≥2,5 mmol X/g, ≥3,0 mmol X/g beinhalten kann, wobei das Halogen (X) Fluor, Chlor, Brom und/oder Iod umfassen kann.Clause 13: The immobilized chalcogen mass according to one of
Klausel 14: Die immobilisierte Chalkogen-Masse nach einer der Klauseln 1 bis 13, wobei die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe, die Halogen umfasst, mindestens eines der Folgenden beinhalten kann: F, Cl, Br, I, -CF3, -CCl3, -CBr3, -Cl3 und oder eine stark halogenierte Alkylgruppe mit mehr als einem Carbon.Clause 14: The immobilized chalcogen composition of any one of
FigurenlisteFigure list
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1 ist ein 50.000X-Rasterelektronenmikroskopfoto des Carbonmaterials des Beispiels 1;1 Fig. 5 is a 50,000X scanning electron microscope photograph of the carbon material of Example 1; -
2 ist eine 0,1C-Lade- und Entladekurve der Lithium-Selen-Batterie des Beispiels 1;2 Fig. 13 is a 0.1C charge and discharge curve of the lithium selenium battery of Example 1; -
3 ist eine 0,1C-Lade- und Entladekurve der Lithium-Selen-Batterie des Vergleichsbeispiels 2;3 Fig. 13 is a 0.1C charge and discharge curve of the lithium selenium battery of Comparative Example 2; -
4 ist ein optisches Bild einer Pouchzellenbatterie des Beispiels 1;4th Fig. 13 is an optical image of a pouch cell battery of Example 1; -
5 ist eine 0,05C-Lade- und Entladekurve der Pouchzellenbatterie des Beispiels 1;5 Fig. 13 is a 0.05C charge and discharge curve of the pouch cell battery of Example 1; -
6 ist ein Ablaufdiagramm eines Prozesses zum Herstellen immobilisierten Selens;6th Figure 13 is a flow diagram of a process for making immobilized selenium; -
7 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild eines Carbongerüsts, das anhand des Prozesses des Beispiels 9 vorbereitet ist;7th Fig. 13 is a scanning electron microscope image of a carbon skeleton prepared by the process of Example 9; -
8 sind Röntgenstrahlen-Beugungsmuster des Carbongerüsts, das anhand des Prozesses des Beispiels 9 vorbereitet ist;8th are X-ray diffraction patterns of the carbon skeleton prepared by the process of Example 9; -
9 ist ein Raman-Spektrum des Carbongerüsts, das anhand des Prozesses des Beispiels 9 vorbereitet wurde;9 Fig. 13 is a Raman spectrum of the carbon skeleton prepared by the process of Example 9; -
10A ist eine Grafik einer kumulierten und inkrementellen Oberfläche für das Carbongerüst, das anhand des Prozesses des Beispiels 9 vorbereitet ist;10A Figure 13 is a graph of cumulative and incremental surface area for the carbon framework prepared using the process of Example 9; -
10B ist eine Grafik eines kumulierten und inkrementellen Volumens für das Carbongerüst, das anhand des Prozesses des Beispiels 9 vorbereitet ist;10B Figure 13 is a graph of cumulative and incremental volume for the carbon skeleton prepared using the process of Example 9; -
11A ist eine Grafik einer TGA-Analyse für das immobilisierte Selen, das anhand des Prozesses des Beispiels 10 vorbereitet wurde;11A Figure 13 is a TGA analysis graph for the immobilized selenium prepared by the process of Example 10; -
11B ist eine grafische Darstellung einer TGA-Analyse für nicht-immobilisierte Selenproben, die anhand des Prozesses des Beispiels 10 unter Verwenden von Se-Super-P-Carbon und Se-Graphit vorbereitet sind;11B Figure 13 is a graph of TGA analysis for non-immobilized selenium samples prepared by the process of Example 10 using Se-Super-P-Carbon and Se-Graphite; -
11C ist eine Grafik einer TGA-Analyse der nicht-immobilisierten Selenprobe, die unter Verwenden des Se-Super-P-Carbons (11B) unter einem Argongasstrom und bei Heizraten von 16 °C/Min. und 10 °C/Min. vorbereitet ist;11C is a graph of a TGA analysis of the non-immobilized selenium sample obtained using the Se-Super-P-Carbon (11B) under a stream of argon gas and at heating rates of 16 ° C / min. and 10 ° C / min. is prepared; -
11D ist eine Grafik von Ratenkonstanten für nicht-immobilisiertes Selen (Se-Super-P-Verbundstoff (durchgehende Linie) und 2 unterschiedliche Proben immobilisierten Selens (228-110 (gepunktete Linie) und 115-82-2 (gestrichelte Linie), das anhand des Prozesses des Beispiels 10 vorbereitet ist;11D Figure 13 is a graph of rate constants for non-immobilized selenium (Se-Super-P composite (solid line) and 2 different samples of immobilized selenium (228-110 (dotted line) and 115-82-2 (dashed line)), as determined by the Process of Example 10 is prepared; -
12 ist eine Grafik eines Raman-Spektrums des immobilisierten Selens, das anhand des Prozesses des Beispiels 10 vorbereitet ist;12 Fig. 13 is a graph of a Raman spectrum of the immobilized selenium prepared by the process of Example 10; -
13 ist eine Grafik von Röntgen-Beugungsmustern für das immobilisierte Selen, das anhand des Prozesses des Beispiels 10 vorbereitet ist;13 Fig. 13 is a graph of X-ray diffraction patterns for the immobilized selenium prepared by the process of Example 10; -
14 ist ein SEM-Bild des immobilisierten Selens, das anhand des Prozesses des Beispiels 10 vorbereitet ist;14th Fig. 10 is an SEM image of the immobilized selenium prepared by the process of Example 10; -
15 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Knopfzellenbatterie, die eine Kathode beinhaltet, die gemäß dem Prozess des Beispiels 11 oder des Beispiels 13 vorbereitet ist;15th Fig. 13 is an exploded view of a coin cell battery including a cathode prepared according to the process of Example 11 or Example 13; -
16 sind Grafiken von Zyklisierungstestresultaten für eine erste Lithium-Selen-Knopfzellenbatterie (0,1C) (16A - links) und eine zweite Lithium-Selen-Knopfzellenbatterie (0,1C und dann 1C) (16A - rechts) von dem Typ, der in15 gezeigt ist, die anhand des Prozesses des Beispiels 12 vorbereitet wurden;16 are graphs of cycling test results for a first lithium selenium button cell battery (0.1C) (16A - left) and a second lithium selenium button cell battery (0.1C and then 1C) (16A - right) of the type in15th prepared using the process of Example 12; -
17 sind Grafiken von Zyklisierungstests für eine Lithium-Selen-Knopfzellenbatterie von dem Typ, der in15 gezeigt ist, die anhand des Prozesses des Beispiels 12 bei unterschiedlichen Zyklisierungsraten vorbereitet wurde;17th are graphs of cycling tests for a lithium selenium button cell battery of the type shown in15th is shown prepared using the process of Example 12 at different cycling rates; -
18 sind Grafiken der 0,1C-Zyklisierungstestresultate für eine Lithium-Schwefel-dotierte Selen-Knopfzellenbatterie von dem Typ, der in15 gezeigt ist; die in Übereinstimmung mit Beispiel 13 mit einem Polymerseparator hergestellt ist;18th are graphs of 0.1C cycling test results for a lithium-sulfur-doped selenium button cell battery of the type shown in15th is shown; made in accordance with Example 13 with a polymer separator; -
19 sind Grafiken der IC-Zyklisierungstestresultate für eine Lithium-Schwefeldotierte Selen-Knopfzellenbatterie von dem Typ, der in15 gezeigt ist, die in Übereinstimmung mit Beispiel 13 mit einem Polymerseparator hergestellt ist.19th are graphs of IC cycling test results for a lithium-sulfur doped selenium coin cell battery of the type shown in15th made in accordance with Example 13 with a polymer separator. -
20A ist ein Modell eines EMAC-π-Bondingsystems eines Carbongerüsts;20A Figure 3 is a model of an EMAC π bonding system of a carbon framework; -
20B ist das Modell der20A , das mit einer chemischen Elektron-Entzugs-Deaktivierungsfunktionsgruppe gebunden ist, was in einer elektrondefizienten Carbon-Kation-Mitte an Para- und/oder Orthoposition des EMAC-π-Bondingsystems durch Resonanzen resultiert;20B is the model of20A bonded with an electron withdrawal chemical deactivation functional group, resulting in an electron deficient carbon cation center at para and / or ortho position of the EMAC π bonding system by resonances; -
20C ist das Modell der20B , das die Carbon-Kation-Mitte beweglich durch Resonanzen zeigt;20C is the model of20B Showing the Carbon Cation Center moveable by resonances; -
20D ist das Modell der20C , das immobilisiertes Chalkogen zeigt, in dem das Chalkogen freie Elektronenpaare zu einem Akzeptor des freien Elektronenpaars an einer Carbon-Kation-Mitte doniert;20D is the model of20C Figure 13 shows immobilized chalcogen in which the chalcogen donates lone pairs to a lone pair acceptor at a carbon cation center; -
20E ist ein Modell einer Carbon-Kation-Mitte, die durch die Anwesenheit einer Carbonylgruppe oder einer Anhydridgruppe als Teil des EMAC-π-Bondingsystems über Resonanzen geschaffen wird, wobei die Carbon-Kation-Mitten in dem EMAC-π-Bondingsystem über Resonanzen beweglich sind;20E is a model of a carbon-cation center that is created by the presence of a carbonyl group or an anhydride group as part of the EMAC-π-bonding system via resonances, the carbon-cation centers in the EMAC-π-bonding system being movable via resonances ; -
20F ist ein Modell einer d-Spacing-Schwindung eines Carbongerüsts in immobilisiertem Chalkogen;20F Figure 3 is a model of d-spacing shrinkage of a carbon scaffold in immobilized chalcogen; -
21 zeigt TGA- und DSC-Grafiken einer immobilisierten Selenprobe C-Se478 (gepunktete Linien), die 4 Monate nach ihrer Vorbereitung analysiert wurde, und einer immobilisierten Selenprobe C-SE100 (durchgehende Linien), die 28 Monate nach ihrer Vorbereitung analysiert wurde;21st Figure 10 shows TGA and DSC graphs of immobilized selenium sample C-Se478 (dotted lines) analyzed 4 months after its preparation and immobilized selenium sample C-SE100 (solid lines) analyzed 28 months after its preparation; -
Die
22A-22B sind jeweilige TGA- und DSC-Grafiken von C-Se-Verbundmaterialien, die mit aktiviertem Carbon Elite C (erhältlich bei Calgon Carbon, Pittsburgh, PA) hergestellt sind, die 27 Monate nach Vorbereitung der C-Se-Verbundmaterialien analysiert wurden;The22A-22B are respective TGA and DSC graphics of C-Se composites made with activated Carbon Elite C (available from Calgon Carbon, Pittsburgh, PA) analyzed 27 months after the C-Se composites were prepared; -
23 zeigt Röntgen-Beugungsmuster (XRD-Muster) für Ausgangsmaterialien Se, S, SeS2 und Kohlenstoffe, einschließlich mehrwandiger Carbon-Nanoröhren (Multi-Walled Carbon Nanotubes - MWCNT), und ein Carbongerüst, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Sauerstoff umfasst;23 Fig. 10 shows X-ray diffraction (XRD) patterns for raw materials Se, S, SeS 2, and carbons, including multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), and a carbon scaffold comprising a chemical deactivation functional group comprising oxygen; -
Die
24A-24C zeigen XRD-Muster für Autoklav-behandelte Gemische aus Schwefel und Selen (24A) , Schwefelpulver (24B) und Selenpulver (24C ), alle ohne Anwesenheit eines Carbongerüsts, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Sauerstoff umfasst;The24A-24C show XRD patterns for autoclave-treated mixtures of sulfur and selenium (24A) , Sulfur powder (24B) and selenium powder (24C ) all without the presence of a carbon backbone comprising a chemical deactivating functional group comprising oxygen; -
25A zeigt Raman-Streuungsspektren für Ausgangsmaterialien Se, S, SeS2, Kohlenstoffe (Beispiel 15) und mehrwandige Carbon-Nanoröhrenmaterialien zwischen 0 bis 4000 cm-1, wobei das Raman-Spektrum für Schwefel durch 150 geteilt ist;25A shows Raman scattering spectra for starting materials Se, S, SeS 2 , carbons (Example 15) and multi-walled carbon nanotube materials between 0 to 4000 cm -1 , the Raman spectrum for sulfur being divided by 150; -
25B ist eine einzelne vergrößerte Ansicht der Raman-Streuungsspektren der25A zwischen 100 und 800 cm-1;25B FIG. 13 is a single enlarged view of the Raman scattering spectra of FIG25A between 100 and 800 cm -1; -
26A zeigt Raman-Streuungsspektren für Autoklav-behandeltes Selen, Schwefel und ihre Gemische ohne Anwesenheit des Carbongerüsts, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Sauerstoff umfasst (wobei einige der Raman-Spektren geteilt sind (1/X), wie in der Fig. gezeigt) zwischen 0 und 4000 cm-1,26A shows Raman scattering spectra for autoclaved selenium, sulfur, and their mixtures without the presence of the carbon backbone comprising a chemical deactivation function group comprising oxygen (with some of the Raman spectra being divided (1 / X) as shown in the figure) between 0 and 4000 cm -1 , -
26B ist eine einzelne vergrößerte Ansicht der Raman-Streuungsspektren der26A zwischen 100 und 800 cm-1,26B FIG. 13 is a single enlarged view of the Raman scattering spectra of FIG26A between 100 and 800 cm -1 , -
27 zeigt XRD-Muster für immobilisiertes Chalkogen, das ein Carbongerüst umfasst, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst; die Sauerstoff umfasst; für unterschiedliche Prozentanteilkombinationen von Selen und Schwefel gemeinsam mit einem XRD-Muster für ein Carbongerüst zum Vergleich;27 Figure 13 shows XRD patterns for immobilized chalcogen comprising a carbon backbone comprising a chemical deactivating functional group; which includes oxygen; for different percentage combinations of selenium and sulfur together with an XRD pattern for a carbon framework for comparison; -
28 zeigt Raman-Streuungsspektren für immobilisiertes Chalkogen, das ein Carbongerüst umfasst; das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst; die Sauerstoff umfasst, für unterschiedliche Prozentanteilkombinationen von Selen und Schwefel;28 Figure 13 shows Raman scattering spectra for immobilized chalcogen comprising a carbon backbone; comprising a chemical deactivation functional group; which includes oxygen, for different percentage combinations of selenium and sulfur; -
29 zeigt XRD-Muster für drei MWCNT-SeS2-Verbundmaterialien (obere drei Muster) und ein immobilisiertes Chalkogen (SeS2 - unteres Muster), die jeweils ein Carbongerüst umfassen, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Sauerstoff umfasst, wobei die zwei oberen Muster in Luft bei 160 °C während 16 Stunden vorbereitet wurden, und die zwei unteren Muster in fließendem Argon bei 130 °C während 1,5 Stunden vorbereitet wurden;29 Figure 12 shows XRD patterns for three MWCNT-SeS 2 composites (upper three patterns) and one immobilized chalcogen (SeS 2 - lower pattern), each comprising a carbon backbone comprising a chemical deactivation functional group comprising oxygen, the two upper patterns prepared in air at 160 ° C for 16 hours, and the two lower samples were prepared in flowing argon at 130 ° C for 1.5 hours; -
30 zeigt Raman-Streuungsspektren für drei Kontroll-MWCNT-SeS2-Verbundmaterialien (obere drei Muster) und immobilisiertes SeS2 (unteres Muster), wobei die zwei oberen Muster in Luft bei 160 °C während 16 Stunden vorbereitet wurden, und die zwei unteren in fließendem Argon bei 130 °C während 1,5 Stunden vorbereitet wurden;30th shows Raman scattering spectra for three control MWCNT-SeS 2 composites (upper three samples) and immobilized SeS 2 (lower sample), the two upper samples being prepared in air at 160 ° C for 16 hours and the two lower in flowing argon at 130 ° C for 1.5 hours; -
31A zeigt eine TGA-Analyse des immobilisierten Chalkogens mit unterschiedlichen Gehalten an Selen, Schwefel und einem Carbongerüst bei einer Heizrate von 10 °C/Min.;31A shows a TGA analysis of the immobilized chalcogen with different contents of selenium, sulfur and a carbon structure at a heating rate of 10 ° C / min .; -
31B zeigt eine TGA-Analyse (eine Heizrate von 10°C /Min.) immobilisierter SeS2- (38 Gew.-%) und Kontroll-C-SeS2-Verbundwerkstoffe, die aus mehrwandigen Carbon-Nanoröhren (Multi-Walled Carbon Nanotubes - MWCNT) hergestellt sind, wobei die MWCNT-1-SeS2 (70 Gew.-% und die MWCNT-5_SeS2 (70 Gew.-%) in Luft bei 160 °C während 16 Stunden vorbereitet wurden, und die MWCNT-5_SeS2 (38 Gew.-%) in einem Argonfluss bei 130 °C während 1,5 Stunden vorbereitet wurden;31B shows a TGA analysis (a heating rate of 10 ° C / min.) of immobilized SeS 2 (38% by weight) and control C-SeS 2 composite materials made from multi-walled carbon nanotubes MWCNT), the MWCNT-1-SeS 2 (70% by weight and the MWCNT-5_SeS 2 (70% by weight) being prepared in air at 160 ° C. for 16 hours, and the MWCNT-5_SeS 2 (38 wt%) were prepared in a flow of argon at 130 ° C for 1.5 hours; -
32A zeigt eine mittlere Gewichtsverlusttemperatur (bei der TGA-Analyse in31A) im Vergleich zu Schwefel-Gew.-% des gesamten Se und S in immobilisiertem Chalkogen, wobei die durchgehenden Kreise Messdaten darstellen, die gestrichelte Linie wünschenswerte mittlere Gewichtsverlusttemperatur (an oder oberhalb der gestrichelten Linie) und die durchgehenden Dreiecke Kontroll-C-SeS2-Verbundmaterialien, die mit MWCNT-Materialien vorbereitet wurden, darstellen;32A shows a mean weight loss temperature (in the TGA analysis in31A) compared to sulfur wt .-% of the total Se and S in immobilized chalcogen, the solid circles representing measurement data, the dashed line the desirable mean weight loss temperature (at or above the dashed line) and the solid triangles control C-SeS 2 - Represent composite materials prepared with MWCNT materials; -
32B zeigt eine kinetische Energie mittleren Gewichtsverlusts (bei der TGA-Analyse in31A) im Vergleich zu Schwefel-Gew.-% des gesamten Se und S in immobilisiertem Chalkogen, wobei die durchgehenden Kreise Messdaten darstellen, die gestrichelte Linie wünschenswerte mittlere Gewichtsverlusttemperatur (an oder oberhalb der gestrichelten Linie) und die durchgehenden Dreiecke Kontroll-C-SeS2-Verbundmaterialien, die mit MWCNT-Materialien vorbereitet wurden, darstellen;32B shows a kinetic energy of mean weight loss (in the TGA analysis in31A) compared to sulfur wt .-% of the total Se and S in immobilized chalcogen, the solid circles representing measurement data, the dashed line the desirable mean weight loss temperature (at or above the dashed line) and the solid triangles control C-SeS 2 - Represent composite materials prepared with MWCNT materials; -
33A zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie) und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie) immobilisierten Chalkogens mit 0 Gew.-% Se_100 Gew.-% S und Carbongerüst;33A shows activation energy (solid line) and pre-exponential log factor (dashed line) of immobilized chalcogen with 0 wt .-% Se_100 wt .-% S and carbon skeleton; -
33B zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie) und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie) immobilisierten Chalkogens mit 85 Gew.-% S_15 Gew.-% Se und Carbongerüst;33B shows activation energy (solid line) and pre-exponential log factor (dashed line) of immobilized chalcogen with 85 wt .-% S_15 wt .-% Se and carbon skeleton; -
33C zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie) und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie) immobilisierten Chalkogens mit 68 Gew.-% S_32 Gew.-% Se und Carbongerüst;33C shows activation energy (solid line) and pre-exponential log factor (dashed line) of immobilized chalcogen with 68 wt .-% S_32 wt .-% Se and carbon skeleton; -
33D zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie) und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie) immobilisierten Chalkogens mit 51 Gew.-% S_49 Gew.-% Se und Carbongerüst;33D shows activation energy (solid line) and pre-exponential log factor (dashed line) of immobilized chalcogen with 51 wt .-% S_49 wt .-% Se and carbon skeleton; -
33E zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie) und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie) immobilisierten Chalkogens mit 34 Gew.-% S_66 Gew.-% Se und Carbongerüst;33E shows activation energy (solid line) and pre-exponential log factor (dashed line) of immobilized chalcogen with 34% by weight S_66% by weight Se and carbon skeleton; -
33F zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie) und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie) immobilisierten Chalkogens mit 17 Gew.-% S_83 Gew.-% Se und Carbongerüst;33F shows activation energy (solid line) and pre-exponential log factor (dashed line) of immobilized chalcogen with 17 wt .-% S_83 wt .-% Se and carbon skeleton; -
33G zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie) und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie) immobilisierten Chalkogens mit 8,5 Gew.-% S_91,5 Gew.-% Se und Carbongerüst;33G shows activation energy (solid line) and pre-exponential log factor (dashed line) of immobilized chalcogen with 8.5 wt.% S_91.5 wt.% Se and carbon skeleton; -
33H zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie) und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie) immobilisierten Chalkogens mit 0 Gew.-% S_100 Gew.-% Se und Carbongerüst;33H shows activation energy (solid line) and pre-exponential log factor (dashed line) of immobilized chalcogen with 0 wt .-% S_100 wt .-% Se and carbon skeleton; -
331 zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie) und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie) immobilisierten Chalkogens mit SeS2 und Carbongerüst;331 shows activation energy (solid line) and pre-exponential log factor (dashed line) of immobilized chalcogen with SeS 2 and carbon skeleton; -
33J zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie) und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie von MWCNT-5_SeS2 (38 Gew.-%), das in einem Argonfluss bei 130 °C während 1,5 Stunde vorbereitet wurde;33J shows activation energy (solid line) and pre-exponential log factor (dashed line of MWCNT-5_SeS 2 (38 wt%) prepared in a flow of argon at 130 ° C for 1.5 hours; -
33K zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie) und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie von MWCNT-5_SeS2 (70 Gew.-%), das in Luft bei 160 °C während 16 Stunden vorbereitet wurde;33K shows activation energy (solid line) and pre-exponential log factor (dashed line of MWCNT-5_SeS 2 (70 wt%) prepared in air at 160 ° C for 16 hours; -
33L zeigt Aktivierungsenergie (durchgehende Linie und Pre-Exponential-log-Faktor (gestrichelte Linie von MWCNT-1_SeS2 (70 Gew.-%), das in Luft bei 160 °C während 16 Stunden vorbereitet wurde;33L shows activation energy (solid line and pre-exponential log factor (dashed line of MWCNT-1_SeS 2 (70% by weight) prepared in air at 160 ° C for 16 hours; -
34A zeigt eine Gaschromatographanalyse (GC-Analyse) immobilisierten Chalkogens für Wasserfreisetzung bei Erhitzen in einem Heliumstrom, wobei die durchgehenden Dreiecke H2O darstellen, das aus dem immobilisierten Chalkogen mit 83 Gew.-%Se_17 Gew.-%S freigesetzt wird, wobei die durchgehenden Quadrate H2O darstellen, das aus dem immobilisierten Chalkogen mit 100 Gew.-% Se_0 Gew.-% S freigesetzt wird, und die offenen Kreise das berechnete freigesetzte H2O darstellen;34A shows a gas chromatograph analysis (GC analysis) of immobilized chalcogen for water release when heated in a helium stream, the solid triangles representing H 2 O, which is released from the immobilized chalcogen with 83 wt .-% Se_17 wt .-% S, the continuous triangles Squares represent H 2 O released from the immobilized chalcogen with 100 wt% Se_0 wt% S, and the open circles represent the calculated released H 2 O; -
34B zeigt eine Gaschromatographanalyse (GC-Analyse) immobilisierten Chalkogens für CO2-Freisetzung, wenn es in einem Heliumstrom erhitzt wird, wobei die durchgehenden Dreiecke CO2 darstellen, das aus dem immobilisierten Chalkogen mit 83 Gew.-%Se _17 Gew.-%S freigesetzt wird, wobei die durchgehenden Quadrate CO2 darstellen, das aus dem immobilisierten Chalkogen mit 100 Gew.-% Se_0 Gew.-% S freigesetzt wird, und die offenen Kreise das berechnete freigesetzte CO2 darstellen;34B Figure 10 shows a gas chromatograph (GC) analysis of immobilized chalcogen for CO 2 release when heated in a stream of helium, with solid triangles representing CO 2 obtained from the immobilized chalcogen with 83 wt% Se _17 wt% S is released, the solid squares representing CO 2 released from the immobilized chalcogen containing 100 wt.% Se_0 wt.% S, and the open circles representing the calculated released CO 2 ; -
34C zeigt eine Gaschromatographanalyse (GC-Analyse) immobilisierten Chalkogens für CO-Freisetzung bei Erhitzen in einem Heliumstrom, wobei die durchgehenden Dreiecke CO darstellen, das aus dem immobilisierten Chalkogen mit 83 Gew.-%Se_17 Gew.-%S freigesetzt wird, wobei die durchgehenden Quadrate CO darstellen, das aus dem immobilisierten Chalkogen mit 100 Gew.-% Se_0 Gew.-% S freigesetzt wird, und die offenen Kreise das berechnete freigesetzte CO darstellen;34C shows a gas chromatograph analysis (GC analysis) of immobilized chalcogen for CO release when heated in a helium stream, the solid triangles representing CO, which is released from the immobilized chalcogen with 83 wt .-% Se_17 wt .-% S, the continuous triangles Squares represent CO released from the immobilized chalcogen with 100 wt% Se_0 wt% S, and the open circles represent the calculated released CO; -
35 zeigt grafische Darstellungen (Spannung V im Vergleich zu spezifischer Kapazität mAh/g - Chalkogen mit einer C-Rate von 1) des 10. Entlade- und Ladezyklus einer Anzahl unterschiedlicher Batterien, die immobilisierte Chalkogene umfassen, die unterschiedliche Gew.-%-Kombinationen (Gew.-%-Kombinationen) von Selen und Schwefel umfassen, wobei die theoretische spezifische Kapazität 675 mA/g-Se und 1 645 mAh/g-S verwendet wurden, um den elektrischen Strom bei einer spezifizierten C-Rate zu bestimmen; und35 shows graphical representations (voltage V compared to specific capacity mAh / g - chalcogen with a C-rate of 1) of the 10th discharge and charge cycle of a number of different batteries that comprise immobilized chalcogens that contain different weight% combinations ( Wt% combinations) of selenium and sulfur, the theoretical specific capacity 675 mA / g-Se and 1,645 mAh / gS being used to determine the electrical current at a specified C-rate; and -
36 zeigt grafische Darstellungen von Zyklisierungsleistungen einer Anzahl unterschiedlicher Batterien, die immobilisierte Chalkogene umfassen, die unterschiedliche Gew.-%-Kombinationen (Gew.-%-Kombinationen) von Selen und Schwefel aufweisen, wobei die durchgehenden Linien spezifische Kapazität im Vergleich zu Zyklenanzahl darstellen, und die gestrichelte Linie coulombsche Effizienz im Vergleich zu Zyklenanzahl darstellt.36 Fig. 13 shows graphs of cycling performances of a number of different batteries comprising immobilized chalcogens having different wt% combinations (wt% combinations) of selenium and sulfur, the solid lines showing specific capacity versus number of cycles, and the dashed line represents coulombic efficiency versus number of cycles.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
In Verbindung mit den spezifischen Beispielen wird die vorliegende Erfindung unten weiter beschrieben. Außer wenn es anders spezifiziert ist, sind die Experimentalverfahren in den folgenden Beispielen alle herkömmlich; die Reagenzien und Materialen sind alle aus Handelsquellen verfügbar.In connection with the specific examples, the present invention is further described below. Unless otherwise specified, the experimental procedures in the following examples are all conventional; the reagents and materials are all available from commercial sources.
Beispiel 1:Example 1:
Vorbereitung von Selen-Carbon-VerbundmaterialPreparation of selenium-carbon composite material
Nach dem Zerkleinern und Mahlen wird eine zweckdienliche Menge von Kaliumcitrat bei 800 °C während 5 Stunden unter Inertatmosphäre kalziniert und auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wird mit verdünnter Salzsäure auf einen neutralen pH gewaschen; gefiltert und getrocknet, um ein zweidimensionales Carbonnanomaterial zu ergeben (1); gemäß dem Massenverhältnis 50:50 werden das zweidimensionale Carbonmaterial und Selen gewogen und dann mit der Selenethanollösung gleichmäßig gerührt und gemischt; nach der Verdampfung des Lösemittels wird das Gemisch im Trockenofen getrocknet; das getrocknete Gemisch wurde zu 5 °C/Min. auf 240 °C erhitzt und während 3 Stunden durchgewärmt; dann weiterhin zu 5 °C/Min. bis 450 °C erhitzt; 20 Stunden eingeweicht, auf Raumtemperatur abgekühlt, was in dem Selen-Carbon-Verbundmaterial resultierte.After crushing and grinding, an appropriate amount of potassium citrate is calcined at 800 ° C. for 5 hours under an inert atmosphere and cooled to room temperature. It is washed to neutral pH with dilute hydrochloric acid; filtered and dried to give a two-dimensional carbon nanomaterial (1); according to the mass ratio of 50:50, the two-dimensional carbon material and selenium are weighed and then evenly stirred and mixed with the selenium ethanol solution; after Evaporation of the solvent, the mixture is dried in a drying oven; the dried mixture was at 5 ° C / min. heated to 240 ° C and warmed through for 3 hours; then continue at 5 ° C / min. heated to 450 ° C; Soaked for 20 hours, cooled to room temperature, resulting in the selenium-carbon composite.
Vorbereitung der Selen-Carbon-VerbundmaterialkathodePreparation of the selenium-carbon composite cathode
Die oben vorbereiteten Selen-Carbon-Verbundmaterialien werden mit Carbon Black Super P (TIMCAL) und Bindemittel CMC / SBR (Gewichtsverhältnis: 1:1) gemeinsam mit Wasser durch eine fixe Formulierung durch Zermalmen, Beschichten, Trocknen und andere Vorgehensweisen vermischt, um eine Selen-Carbon-Verbundmaterialkathode zu erhalten.The selenium-carbon composite materials prepared above are mixed with Carbon Black Super P (TIMCAL) and binder CMC / SBR (weight ratio: 1: 1) together with water by means of a fixed formulation by crushing, coating, drying and other procedures to produce a selenium -Carbon composite cathode.
Zusammenfügen Lithium-Selen-BatteriePut together lithium selenium battery
Die oben vorbereitete Selen-Carbon-Verbundmaterialkathode, Lithiumfolie als Anode, Celgard-Membran als Separator und 1M LiPF6 in EC/DMC als der Elektrolyt wurden in eine Lithium-Selen-Knopfzellenbatterie und eine Lithium-Selen-Pouchzellenbatterie zusammengefügt (
Lithium-Selen-BatterietestLithium selenium battery test
Es wird ein Lade-Entladegerät verwendet, um einen konstanten Strom-Lade-Entladetest auf der Lithium-Selen-Knopfzellenbatterie und der Lithium Selen-Pouchzellenbatterie auszuführen. Der Testspannungsbereich liegt zwischen 1,0 und 3,0 V, und die Testtemperatur beträgt 25 °C. Die spezifische Entladeleistung und das Niveau des Lade-Entladestroms werden standardgemäß basierend auf der Selenmasse berechnet. Der Lade-Entladestrom beträgt 0,1C oder 0,05C. Die Lithium-Selen-Knopf-Lade- und Entladekurve ist in
Beispiel 2:Example 2:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass das Rohmaterial, das für das zweidimensionale Carbon karbonisiert wird, Natriumcitrat ist. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, except that the raw material that is carbonized for the two-dimensional carbon is sodium citrate. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 3:Example 3:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass das Rohmaterial, das für das zweidimensionale Carbon karbonisiert wird, Kaliumgluconat ist. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, except that the raw material that is carbonized for the two-dimensional carbon is potassium gluconate. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 4:Example 4:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Hochtemperatur-Karbonisationstemperatur für das Carbonmaterial 650 °C beträgt. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, with the exception that the high temperature carbonization temperature for the carbon material is 650 ° C. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 5:Example 5:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass das getrocknete Gemisch mit 5 °C/Min. auf 300 °C erhitzt und bei dieser Temperatur während 3 Stunden durchgewärmt wurde. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, with the exception that the dried mixture at 5 ° C / min. heated to 300 ° C and warmed through at this temperature for 3 hours. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 6:Example 6:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass das getrocknete Gemisch mit 5 °C/Min. auf 240° erhitzt und bei dieser Temperatur während 3 Stunden durchgewärmt wurde, dann weiter bis 600 °C erhitzt und bei dieser konstanten Temperatur während 20 Stunden durchgewärmt wurde. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, with the exception that the dried mixture at 5 ° C / min. heated to 240 ° and warmed through at this temperature for 3 hours, then further heated to 600 ° C and warmed through at this constant temperature for 20 hours. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 7:Example 7:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Lithium-Se-Batterie mit einer lithiierten Graphitanode an Stelle des Lithium-Anodenblatts gepackt wurde. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, except that the lithium Se battery was packed with a lithiated graphite anode in place of the lithium anode sheet. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 8:Example 8:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Lithium-Se-Batterie mit einer lithiierten Silizium-Carbonanode an Stelle des Lithium-Anodenblatts gepackt wurde. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, except that the lithium Se battery was packed with a lithiated silicon-carbon anode in place of the lithium anode sheet. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Vergleichsbeispiel 1:Comparative example 1:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass Polyacrylnitril als das Rohmaterial verwendet wird. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, except that polyacrylonitrile is used as the raw material. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Vergleichsbeispiel 2:Comparative example 2:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1; mit der Ausnahme, dass ein Einschritt-Verbundmaterialverfahren verwendet wird, um das Selen- und Carbon-Verbundmaterial vorzubereiten. Bei diesem Beispiel wurde das getrocknete Selen-Carbongemisch mit 5 °C/Min. bis 500 °C erhitzt und bei dieser Temperatur während 23 Stunden durchgewärmt, um Selen-Carbon-Verbundmaterial zu erhalten. Die Lade-Entladekurve einer Batterie, die aus dem derart erhaltenen Selen-Carbon-Verbundmaterial hergestellt ist, ist in
Nach Beschreibung eines Verfahrens zum Vorbereiten eines Selen-Carbon-Verbundmaterials werden ein Verfahren zum Herstellen immobilisierten Selens und die Verwendung des immobilisierten Selens zum Beispiel in einer wiederaufladbaren Batterie beschrieben.After describing a method for preparing a selenium-carbon composite material, a method for preparing immobilized selenium and the use of the immobilized selenium in, for example, a rechargeable battery will be described.
Selen ist ein Element in derselben Gruppe wie Sauerstoff und Schwefel, nämlich der Gruppe 6 der Tabelle des periodischen Systems. Selen kann gegenüber Sauerstoff und Schwefel hinsichtlich seiner substanziell hohen elektrischen Leitfähigkeit vorteilhaft sein.
„Electrode Materials for Rechargeable Batteries”, Ali Aboulmrane und Khalil Amine, US-Patentanmeldung
„Lithium-Selenium Secondary Batteries Having non-Flammable Electrolyte”,
„Electrolyte Solution and Sulfur-based or Selenium-based Batteries including the Electrolyte Solution”,
„A New Class of Lithium and Sodium Rechargeable Batteries Based on Selenium and Selenium-Sulfur as a Positive Electrode“,
„A Free-Standing and Ultralong-life Lithium-Selenium Battery Cathode Enabled by 3D Mesoporous Carbon/Graphene Hierachical Architecture“,
„Micro- and Mesoporous Carbide-Derived Carbon-Selenium Cathodes for High-Performance Lithium Selenium Batteries”,
„High-Performance Lithium Selenium Battery with Se/Microporous Carbon Composite Cathode and Carbonate-Based Electrolyte“,
„Advanced Se-C Nanocomposites: a Bifunctional Electrode Material for both Li-Se and Li-ion Batteries”,
„Lithium Iodide as a Promising Electrolyte Additive for Lithium-Sulfur Batteries: Mechanisms of Performance Enhancement“,
„A Se/C Composite as Cathode Material for Rechargeable Lithium Batteries with Good Electrochemical Performance”,
„Elemental Selenium for Electrochemical Energy Storage“,
„Selenium@mesoporous Carbon Composite with Superior Lithium and Sodium Storage Capacity“,
Hierin wird auch immobilisiertes Selen, das Selen und Carbon umfasst, offenbart. Immobilisiertes Selen kann eine elementare Form von Selen oder eine Selengemischform aufweisen. Selen kann mit einem anderen Element dotiert werden, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, mit Schwefel. Das immobilisierte Selen ermöglicht die Lokalisierung elementarer Selen-Atome, die elektrochemisch ordnungsgemäß funktionieren, ohne zwischen einer Kathode und einer Anode einer Batterie zu pendeln. Das Immobilisieren von Selen erlaubt es einem elementaren Selen-Atom, während eines Entladeprozesses zwei Elektronen zu gewinnen und ein Selen-Anion an der Stelle zu bilden, an der das Selenmolekül/- atom immobilisiert ist. Das Selen-Anion kann dann während eines Ladeprozesses zwei Elektronen abgeben, um ein elementares Selen-Atom zu bilden. Immobilisiertes Selen kann folglich als ein elektrochemisches aktives Mittel für eine wiederaufladbare Batterie arbeiten, die eine spezifische Kapazität aufweist, die bis zu einem stöchiometrischen Niveau gehen kann, eine coulombsche Effizienz aufweisen kann, die ≥ 95 %, ≥ 98 % oder bis zu 100 % betragen kann und eine wesentlich verbesserte Langzeit-Zyklisierungsfähigkeit erzielen kann.Immobilized selenium comprising selenium and carbon is also disclosed herein. Immobilized selenium can have an elemental form of selenium or a selenium mixture form. Selenium can be doped with another element such as, but not limited to, sulfur. The immobilized selenium enables the location of elementary selenium atoms that function properly electrochemically without oscillating between a cathode and anode of a battery. Immobilizing selenium enables an elementary selenium atom to gain two electrons during a discharge process and to form a selenium anion at the point where the selenium molecule / atom is immobilized. The selenium anion can then donate two electrons during a charging process to form an elementary selenium atom. Immobilized selenium can thus work as an electrochemical active agent for a rechargeable battery that has a specific capacity that can go up to a stoichiometric level, a coulombic efficiency that can be ≥ 95%, ≥ 98% or up to 100% and can achieve significantly improved long-term cycling ability.
Bei einer Batterie, die mit immobilisiertem Selen hergestellt ist, sind die elektrochemischen Verhaltensweisen der elementaren Selen-Atome und Selenid-Anionen während des Ladens Prozesse, die wünschenswert ordnungsgemäß funktionieren. Carbon-Gerüste, die Sp2-Carbon-Carbon-Bindungen besitzen, weisen delokalisierte Elektronen auf, die über einen konjugierten sechsgliedrigen Ring aromatische π-Bindungen über lokale graphenähnliche G-Band-Netzwerke, die durch D-Band-Carbon gebunden sind, geteilt sind. Bei Vorliegen eines elektrischen Potenzials, können solche delokalisierte Elektronen mit geringem oder keinem elektrischen Widerstand über das Carbongerüst fließen. Selen-Immobilisation kann auch die Sp2-Carbon-Carbon-Bindungen eines Carbongerüsts komprimieren, was in stärkeren Carbon-Carbon-Bindungen resultiert, was möglicherweise zu verbesserter Elektronenleitfähigkeit innerhalb des Carbongerüst-Netzwerks führt. Gleichzeitig kann die Selen-Immobilisation auch zur Kompression von Selenteilchen führen, was in stärkeren chemischen und physikalischen Selen-Selen-Wechselwirkungen resultiert, die möglicherweise zu verbesserter elektrischer Leitfähigkeit unter immobilisierten Selenteilchen führen. Wenn sowohl Carbon-Carbon-Bindungen als auch Se-Se-Bindungen aufgrund von Selen-Immobilisation verbessert werden, werden auch Carbon-Selen-Wechselwirkungen durch die Kompression zusätzlich zu dem Vorliegen eines stabilisierten Selenabschnitts, mit dem das Carbongerüst binden kann, verbessert. Dieser Abschnitt des Selens kann als eine Schnittstellenschicht für ein Carbongerüst wirken, um den stabilisierten Selen-Abschnitt erfolgreich zu immobilisieren. Elektronen können folglich in dem Carbongerüst und dem immobilisierten Selen fließen, woraufhin die elektrochemischen Lade-/Entladeprozesse effizient in einer wiederaufladbaren Batterie funktionieren können. Das wiederum erlaubt es der wiederaufladbaren Batterie, eine nahezu stöchiometrische spezifische Kapazität beizubehalten und die Fähigkeit zu besitzen, mit fast jeder praktischen Rate mit einem niedrigen Niveau an Beeinträchtigung der elektrochemischen Leistung der Batterie zu zyklisieren.In a battery made with immobilized selenium, the electrochemical behaviors of elemental selenium atoms and selenide anions during charging are processes that are desirable to function properly. Carbon skeletons that have Sp 2 carbon-carbon bonds have delocalized electrons that have aromatic π bonds via a conjugated six-membered ring local graph-like G-band networks bound by D-band carbon are shared. If there is an electrical potential, such delocalized electrons can flow over the carbon skeleton with little or no electrical resistance. Selenium immobilization can also compress the Sp 2 carbon-carbon bonds of a carbon backbone, resulting in stronger carbon-carbon bonds, possibly leading to improved electronic conductivity within the carbon backbone network. At the same time, the selenium immobilization can also lead to the compression of selenium particles, which results in stronger chemical and physical selenium-selenium interactions, which possibly lead to improved electrical conductivity among immobilized selenium particles. When both carbon-carbon bonds and Se-Se bonds are improved due to selenium immobilization, carbon-selenium interactions are also improved by the compression in addition to the presence of a stabilized selenium portion to which the carbon backbone can bind. This portion of selenium can act as an interface layer for a carbon scaffold to successfully immobilize the stabilized selenium portion. Electrons can consequently flow in the carbon skeleton and the immobilized selenium, whereupon the electrochemical charge / discharge processes can function efficiently in a rechargeable battery. This in turn allows the rechargeable battery to maintain near stoichiometric specific capacity and have the ability to cycle at almost any practical rate with a low level of degradation in the electrochemical performance of the battery.
Ein Carbongerüst kann porös sein und kann mit einer anderen Zusammensetzung dotiert werden. Die Porengrößenverteilungen des Carbongerüsts können zwischen Sub-Ångström bis einige Mikrometer oder bis zu einer Porengröße liegen, die ein Porengrößenverteilungsinstrument unter Verwenden von Stickstoff, Argon, CO2 oder eines anderen Absorptionsmittels als Untersuchungsmolekül charakterisieren kann. Die Porosität des Carbongerüsts kann eine Porengrößenverteilung umfassen, die in dem Bereich mindestens eines der Folgenden einen Peak-Wert erreicht: zwischen Sub-Ängström und 1000 Angström oder zwischen einem Ångström und 100 Angström oder zwischen einem Ångström und 50 Angström oder zwischen einem Angström und 30 Angström und oder zwischen einem Angström und 20 Angström. Die Porosität des Carbongerüsts kann ferner Poren umfassen, die eine Porengrößenverteilung mit mehr als einem Peak in den Bereichen, die in der vorstehenden Erklärung beschrieben sind, umfassen. Immobilisiertes Selen kann ein Carbongerüst begünstigen, das kleine Porengrößen aufweist, in welchen Elektronen rasch mit minimalem elektrischem Widerstand geliefert und gewonnen werden, was es Selen erlauben kann, in einer wiederaufladbaren Batterie elektrochemisch besser zu funktionieren. Die kleine Porengröße kann auch mehr Carbongerüstoberfläche bereitstellen, wobei der erste Abschnitt des Selens eine erste Schnittflächenschicht für einen zweiten Abschnitt von Selenimmobilisation bilden kann. Zusätzlich kann Anwesenheit die in einem Carbongerüst, das einen bestimmten Anteil an Poren mit mittlerer Größe und einen bestimmten Anteil an Poren mit großer Größe aufweist, auch für effektive Lieferung von Lösemittel-Lithium-Ionen aus Bulk-Lösemittelmedien zu einem Bereich mit kleinen Poren günstig sein, wo Lithium-Ionen ihre koordinierten Lösemittelmoleküle verlieren können und in Lithiumselenid-Festphase transportiert werden.A carbon framework can be porous and can be doped with a different composition. The pore size distributions of the carbon skeleton can range from sub-Angstroms to a few micrometers or up to a pore size that a pore size distribution instrument using nitrogen, argon, CO 2 or some other absorbent as the test molecule can characterize. The porosity of the carbon framework can comprise a pore size distribution that reaches a peak value in the range of at least one of the following: between sub-angstroms and 1000 angstroms or between one angstrom and 100 angstrom or between one angstrom and 50 angstrom or between one and 30 angstrom Angstrom and or between one angstrom and 20 angstrom. The porosity of the carbon skeleton can further comprise pores which have a pore size distribution with more than one peak in the regions described in the explanation above. Immobilized selenium can favor a carbon backbone that has small pore sizes in which electrons are rapidly delivered and recovered with minimal electrical resistance, which can allow selenium to function better electrochemically in a rechargeable battery. The small pore size can also provide more carbon framework surface, wherein the first portion of the selenium can form a first cut surface layer for a second portion of selenium immobilization. Additionally, the presence in a carbon backbone that has a certain proportion of medium-sized pores and a certain proportion of large-sized pores can also be beneficial for effective delivery of solvent lithium ions from bulk solvent media to an area with small pores where lithium ions can lose their coordinated solvent molecules and are transported in lithium selenide solid phase.
Das Porenvolumen des Carbongerüsts kann so niedrig sein wie 0,01 ml/g und so hoch wie 5 ml/g oder kann zwischen 0,01 ml/g und 3 ml/g liegen oder kann zwischen 0,03 ml/g und 2,5 ml/g liegen oder kann zwischen 0,05 ml/g und 2,0 ml/g liegen. Das Porenvolumen, das Porengrößen kleiner als 100 Ångström oder kleiner als 50 Ångström oder kleiner als 30 Ångström oder kleiner als 20 Ängström aufweist, kann größer sein als 30 % oder größer als 40 % oder größer als 50 % oder größer als 60 % oder größer als 70 % oder größer als 80 % des gesamten messbaren Porenvolumens, das unter Verwenden eines BET-Instruments mit Stickstoff, CO2, Argon und anderen Untersuchungsgasmolekülen gemessen werden kann. Die per BET bestimmte Oberfläche des Carbons kann größer als 400 m2/g oder größer als 500 m2/g oder größer als 600 m2/g oder größer als 700 m2/g oder größer als 800 m2/g oder größer als 900 m2/g oder größer als 1000 m2/g sein.The pore volume of the carbon framework can be as low as 0.01 ml / g and as high as 5 ml / g or can be between 0.01 ml / g and 3 ml / g or can be between 0.03 ml / g and 2, 5 ml / g or can be between 0.05 ml / g and 2.0 ml / g. The pore volume, which has pore sizes smaller than 100 Å or smaller than 50 Å, or smaller than 30 Å or smaller than 20 Å, can be larger than 30% or larger than 40% or larger than 50% or larger than 60% or larger than 70% or greater than 80% of the total measurable pore volume that can be measured using a BET instrument with nitrogen, CO 2 , argon and other test gas molecules. The surface of the carbon determined by BET can be greater than 400 m 2 / g or greater than 500 m 2 / g or greater than 600 m 2 / g or greater than 700 m 2 / g or greater than 800 m 2 / g or greater than 900 m 2 / g or greater than 1000 m 2 / g.
Das Carbon kann auch im Wesentlichen amorph sein oder es kann ein Merkmal eines sehr breiten Peaks aufweisen, der an einer d-Spacing um 5 Ångström zentriert ist.The carbon can also be substantially amorphous or it can have a very broad peak feature centered on a d-spacing about 5 angstroms.
Das Carbon kann Sp2-Carbon-Carbon-Bindungen umfassen, die Raman-Peak-Verschiebungen mit einem D-Band und einem G-Band aufweisen. Bei einem Beispiel weisen die Sp2-Carbon-Carbon-Bindungen des Carbons ein D-Band auf, das bei 1364+100 cm-1 mit einer FWHM um etwa 296±50 cm-1 zentriert ist, und eine G-Band-Mitte bei 1589±100 cm-1 mit einem FWHM von etwa 96±50 cm-1 in dem Raman-Spektrum. Das Verhältnis der Fläche des D-Bands zu der des G-Bands kann von 0,01 bis 100 oder von 0,1 bis 50 oder von 0,2 und 20 reichen.The carbon may comprise Sp 2 carbon-carbon bonds that have Raman peak shifts with a D-band and a G-band. In one example, the Sp 2 carbon-carbon bonds of the carbon have a D-band centered at 1364 + 100 cm -1 with a FWHM about 296 ± 50 cm -1 and a G-band center at 1589 ± 100 cm -1 with an FWHM of about 96 ± 50 cm -1 in the Raman spectrum. The ratio of the area of the D-band to that of the G-band can range from 0.01 to 100, or from 0.1 to 50, or from 0.2 to 20.
Das Carbon kann eine beliebige Morphologie aufweisen, nämlich Plättchen, Kugel, Faser, Nadel, Röhre, unregelmäßig, zusammenhängend, agglomeriert, einzeln oder beliebige Feststoffpartikel. Plättchen, Faser, Nadel, Röhre oder eine Morphologie, die ein bestimmtes Niveau an Seitenverhältnis aufweist, kann für das Erzielen eines besseren Kontakts zwischen Partikeln günstig sein, was in besserer elektrischer Leitfähigkeit resultiert, was möglicherweise die Performanz der wiederaufladbaren Batterie verbessert.The carbon can have any desired morphology, namely platelets, spheres, fibers, needles, tubes, irregular, coherent, agglomerated, single or any solid particles. Platelet, fiber, Needle, tube, or a morphology that has a certain level of aspect ratio can be beneficial for achieving better contact between particles, resulting in better electrical conductivity, possibly improving the performance of the rechargeable battery.
Das Carbon kann eine beliebige Teilchengröße aufweisen, mit einer mittleren Teilchengröße von einem Nanometer bis zu einigen Millimetern oder von einigen Nanometern bis weniger als 1000 Mikrometer oder von 20 nm bis 100 Mikrometer.The carbon can have any particle size, with an average particle size from a nanometer to a few millimeters or from a few nanometers to less than 1000 micrometers or from 20 nm to 100 micrometers.
Die Eigenschaft eines Carbongerüsts kann die Selenimmobilisation beeinflussen, und Wechselwirkungen zwischen der Carbongerüstoberfläche und den Selenteilchen können die Performanz einer wiederaufladbaren Batterie beeinflussen. Die Lage von Sp2-Carbon in einem Carbongerüst kann das Erzielen von Se-Immobilisation unterstützen. Sp2-Carbon von kleinen Carbongerüstporen kann vorgezogen werden, was durch das NLDFT-Oberflächenverfahren, wie bei Beispiel 9 hierin besprochen, quantifiziert werden kann. Die Oberfläche von Carbongerüstporen kleiner als 20 Angström kann ≥ 500 m2/g, ≥ 600 m2/g, ≥ 700m2/g, ≥ 800 m2/g, ≥ 900 m2/g oder ≥ 1,000 m2/g betragen. Die Oberflächen von den Carbongerüstporen zwischen 20 Ångström und 1000 Angström können 20 % oder weniger, 15 % oder weniger, 10 % oder weniger, 5 % oder weniger, 3 % oder weniger, 2 % oder weniger oder 1 % oder weniger der Gesamtoberfläche des Carbongerüsts ausmachen.The property of a carbon framework can affect selenium immobilization, and interactions between the carbon framework surface and the selenium particles can affect the performance of a rechargeable battery. The location of Sp 2 carbon in a carbon skeleton can help achieve Se immobilization. Sp 2 carbon from small carbon scaffold pores may be preferred, which can be quantified by the NLDFT surface method as discussed in Example 9 herein. The surface of carbon skeleton pores less than 20 angstroms may ≥ 500 m 2 / g, ≥ 600 m 2 / g, ≥ 700 m 2 / g, ≥ 800 m 2 / g, ≥ 900 m 2 / g or ≥ 1,000 m 2 / amount g . The surfaces of the carbon framework pores between 20 Angstroms and 1000 Angstroms can be 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less, 3% or less, 2% or less, or 1% or less of the total surface area of the carbon framework turn off.
Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das bei einer Temperatur verdampft, die höher ist als die bei elementarem Selen, unter Verweis auf die folgende Definition der Selen-Verdampfung: Elementares Selen in einem Se-Super-P-Verbundmaterial verliert 50 % seines Gewichts bei einer Temperatur von 480 °C, elementares Selen in einem Se/Graphit-Verbundmaterial verliert 50 % seines Gewichts an enthaltenem Selen bei einer Temperatur von 471 °C. Immobilisiertes Selen verliert 50 % seines Gewichts bei einer Temperatur höher als 480 °C, zum Beispiel bei einer Temperatur ≥ 490 °C, ≥ 500 °C, ≥ 510 °C, ≥ 520 °C, ≥ 530 °C, ≥ 540 °C, ≥ 550 °C, ≥ 560 °C, ≥ 570 °C oder ≥ 580 °C oder mehr. Selen in dem immobilisierten Selen kann eine kinetische Energie von ≥ 9,5 kJ/mol, ≥ 9,7 kJ/mol, ≥ 9,9 kJ/mol, ≥ 10,1 kJ/mol, ≥ 10,3 kJ/mol oder ≥ 10,5 kJ/mol oder mehr benötigen, um die Verbindung und/oder intermolekulare Kräfte in dem immobilisierten Selensystem zu überwinden und zu der Gasphase zu entweichen. Bei einem Beispiel kann der letzte Anteil an dem immobilisierten Selen, der verdampft, eine kinetische Energie von ≥ 11,635 Joule/mol (≥ 660 °C) benötigen, um dem Carbongerüst zu entweichen, und kann für eine Selenimmobilisation kritisch sein und als Grenzflächenmaterial zwischen dem Carbongerüst und dem Großteil der immobilisierten Selenmoleküle funktionieren. Dieser Anteil des Elements, der eine kinetische Energie von ≥ 11,635 Joule/mol benötigt, wird Grenzflächenselen genannt. Die Menge an Grenzflächenselen in dem immobilisierten Selen kann ≥ 1,5 %, ≥ 2,0 %, ≥, 5 % oder 3,0 % des gesamten immobilisierten Selens betragen.Immobilized selenium may include selenium that vaporizes at a temperature higher than that of elemental selenium, with reference to the following definition of selenium evaporation: Elemental selenium in a Se-Super-P composite loses 50% of its weight in one Temperature of 480 ° C, elemental selenium in an Se / graphite composite material loses 50% of its weight in contained selenium at a temperature of 471 ° C. Immobilized selenium loses 50% of its weight at a temperature higher than 480 ° C, for example at a temperature ≥ 490 ° C, ≥ 500 ° C, ≥ 510 ° C, ≥ 520 ° C, ≥ 530 ° C, ≥ 540 ° C , ≥ 550 ° C, ≥ 560 ° C, ≥ 570 ° C or ≥ 580 ° C or more. Selenium in the immobilized selenium can have a kinetic energy of ≥ 9.5 kJ / mol, ≥ 9.7 kJ / mol, ≥ 9.9 kJ / mol, ≥ 10.1 kJ / mol, ≥ 10.3 kJ / mol or ≥ 10.5 kJ / mol or more to overcome the connection and / or intermolecular forces in the immobilized selenium system and to escape to the gas phase. In one example, the last portion of the immobilized selenium that evaporates may require kinetic energy of ≥ 11.635 joules / mol (≥ 660 ° C) to escape the carbon backbone and may be critical for selenium immobilization and as an interface material between the Carbon skeleton and most of the immobilized selenium molecules work. This part of the element, which requires a kinetic energy of ≥ 11.635 Joule / mol, is called interface selenium. The amount of interfacial selenium in the immobilized selenium can be 1.5%, 2.0%, 5% or 3.0% of the total immobilized selenium.
Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das eine Aktivierungsenergie aufweist, die höher ist als die für herkömmliches (nicht immobilisiertes) Selen, um zu überwinden, damit das Selen aus dem immobilisierten Se-C-Verbundmaterialsystem entweicht. Die Aktivierungsenergie für nicht immobilisiertes Selen (Se-Super-P-Verbundmaterialsystem) wurde als etwa 92 kJ/mol gemäß dem Verfahren ASTM E1641-16 bestimmt. Die Aktivierungsenergie für Selen in dem immobilisierten Selen, das Selen und Carbon umfasst, beträgt ≥ 95 kJ/mol, ≥ 98 kJ/mol, ≥ 101 kJ/mol, ≥ 104 kJ/mol, ≥107 kJ/mol oder ≥ 110 kJ/mol. Die Aktivierungsenergie für Selen in dem immobilisierten Selen, das Selen und Carbon umfasst, beträgt ≥ 3 %, ≥ 6 %, ≥ 9 %, ≥ 12 %, ≥ 15 % oder ≥ 18 % mehr als für Selen in dem Se-Super-P-Verbundmaterial. Das immobilisierte Selen kann beständiger sein als nicht immobilisiertes Selen, was der Grund dafür ist, dass die Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, elektrochemisch besser zyklisieren kann, wahrscheinlich aufgrund der Minimierung (oder Beseitigung) von Selen, das zwischen Kathode und Anode pendelt, was daraus resultiert, dass Selen in dem Se-C-Verbundmaterial immobilisiert ist.Immobilized selenium may comprise selenium which has an activation energy higher than that for conventional (non-immobilized) selenium to overcome for the selenium to escape from the immobilized Se-C composite material system. The activation energy for non-immobilized selenium (Se-Super-P composite system) was determined to be about 92 kJ / mol according to the ASTM E1641-16 method. The activation energy for selenium in the immobilized selenium, which comprises selenium and carbon, is ≥ 95 kJ / mol, ≥ 98 kJ / mol, ≥ 101 kJ / mol, ≥ 104 kJ / mol, ≥107 kJ / mol or ≥ 110 kJ / mol. The activation energy for selenium in the immobilized selenium comprising selenium and carbon is ≥ 3%, ≥ 6%, ≥ 9%, ≥ 12%, ≥ 15% or ≥ 18% more than for selenium in the Se-Super-P -Composite material. The immobilized selenium may be more persistent than non-immobilized selenium, which is why the battery that includes immobilized selenium is better able to electrochemically cycle, probably due to the minimization (or elimination) of selenium shuttling between the cathode and anode, which as a result, selenium is immobilized in the Se-C composite material.
Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das Raman-inaktiv oder Ramanaktiv ist, typischerweise einen Raman-Peak bei 255±25 cm-1 oder bei 255±15 cm-1 oder bei 255±10 cm-1 aufweist. Relative Raman-Peak-Stärke ist als die Fläche der Raman-Peaks bei 255 cm-1 bezüglich der Fläche des D-Band-Peaks des Carbon-Raman-Spektrums definiert. Immobilisiertes Carbon kann Selen umfassen, das eine relative Raman-Peak-Stärke von ≥ 0,1 %, ≥ 0,5 %, ≥ 1 %, ≥ 3 %, ≥ 5 % aufweist. Immobilisiertes Carbon kann ≥ 5 % Selen, ≥ 10 % Selen, ≥ 20 % Selen, ≥ 30 % Selen, ≥ 40 % Selen, ≥ 50 % Selen, ≥ 60 % Selen oder ≥ 70 % Selen enthalten.Immobilized selenium can include selenium that is Raman inactive or Raman active, typically having a Raman peak at 255 ± 25 cm -1 or at 255 ± 15 cm -1 or at 255 ± 10 cm -1 . Relative Raman peak strength is defined as the area of the Raman peaks at 255 cm -1 with respect to the area of the D-band peak of the carbon Raman spectrum. Immobilized carbon can comprise selenium, which has a relative Raman peak strength of ≥ 0.1%, ≥ 0.5%, ≥ 1%, ≥ 3%, ≥ 5%. Immobilized carbon can contain ≥ 5% selenium, ≥ 10% selenium, ≥ 20% selenium, ≥ 30% selenium, ≥ 40% selenium, ≥ 50% selenium, ≥ 60% selenium or ≥ 70% selenium.
Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das eine Rotverschiebung von dem Raman-Peak reinen Selens aufweist. Eine Rotverschiebung wird durch einen positiven Unterschied zwischen der Raman-Peak-Lage für das immobilisierte Selen und der für reines Selen definiert. Reines Selen weist typischerweise einen Raman-Peak bei etwa 235 cm-1 auf. Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das eine Rotverschiebung des Raman-Peaks um ≥ 4 cm-1, ≥ 6 cm-1, ≥ 8 cm-1, > 10 cm-1, ≥ 12 cm-1, ≥ 14 cm-1 oder ≥ 16 cm-1 aufweist. Eine Rotverschiebung des Raman-Peaks legt nahe, dass eine Kompression auf den Selenteilchen vorliegt.Immobilized selenium can include selenium that is red-shifted from the Raman peak of pure selenium. A redshift is defined by a positive difference between the Raman peak position for the immobilized selenium and that for pure selenium. Pure selenium typically has a Raman peak at around 235 cm -1 . Immobilized selenium can include selenium, which is redshift of the Raman peak by ≥ 4 cm -1 , ≥ 6 cm -1 , ≥ 8 cm -1 ,> 10 cm -1 , ≥ 12 cm -1 , ≥ 14 cm -1 or ≥ 16 cm -1 . A redshift of the Raman peak suggests that there is compression on the selenium particles.
Immobilisiertes Selen kann Carbon, das unter Kompression stehen kann, umfassen. Unter Kompression können Elektronen mit einem minimalen Widerstand fließen, was schnelle Elektronenlieferung zu Selen und von Selen-Anionen für elektrochemische Prozesse während Entlade-Ladeprozessen für eine wiederaufladbare Batterie erleichtert. D-Band und oder G-Band im Raman-Spektrum für die Sp2-Carbon-Carbon-Bindungen des Carbongerüsts, die das immobilisierte Selen umfassen, können eine Rotverschiebung um ≥ 1 cm-1, ≥ 2 cm-1, ≥ 3 cm-1, ≥ 4 cm-1 oder ≥ 5 cm-1 zeigen.Immobilized selenium can include carbon, which can be under compression. Under compression, electrons can flow with minimal resistance, which facilitates rapid electron delivery to selenium and from selenium anions for electrochemical processes during discharge-charge processes for a rechargeable battery. D-band and / or G-band in the Raman spectrum for the Sp 2 carbon-carbon bonds of the carbon skeleton, which comprise the immobilized selenium, can have a redshift of ≥ 1 cm -1 , ≥ 2 cm -1 , ≥ 3 cm -1 , ≥ 4 cm -1 or ≥ 5 cm -1 .
Immobilisiertes Selen umfasst Selen, das eine höhere Stoßfrequenz aufweisen kann als nicht immobilisiertes Selen. Eine solche hohe Stoßfrequenz kann daraus resultieren, dass Selen in dem immobilisierten Se-C-System unter Kompression steht. Die Stoßfrequenz für Selen in nicht immobilisiertem Selen wurde gemäß dem Verfahren ASTM E1641-16 als 2,27 × 105 bestimmt. Die Stoßfrequenz für Selen in dem immobilisierten Selen, das Selen und Carbon umfasst, beträgt ≥ 2,5×105, ≥ 3,0×105, ≥ 3,5×105, ≥ 4,0×105, ≥ 4,5×105, ≥ 5,0×105, ≥ 5,5×105, ≥ 6,0×105 oder ≥ 8,0×105. Das immobilisierte Selen kann eine Stoßfrequenz um ≥ 10 %, ≥ 30 %, ≥ 50 %, ≥ 80 %, ≥ 100 %, ≥ 130 %, ≥ 150 %, ≥ 180 % oder ≥ 200 % höher als das für nicht immobilisiertes Selen in dem Se-C-Verbundmaterial aufweisen. Dies kann zu besserer Elektronenleitfähigkeit in dem immobilisierten Selen-System aufgrund von mehr Stößen unter Selen-Arten führen. Das immobilisierte Selen in Se-C-Verbundmaterial hätte auch eine höhere Stoßfrequenz gegen die Wand des Carbon-Hosts (zum Beispiel ein Carbongerüst), was in einer besseren Elektronenlieferung oder Elektronenausbeute aus dem Carbongerüst während elektrochemischen Zyklisierens resultieren kann, was zu einer Batterie (die immobilisiertes Selen umfasst) führen kann, die verbesserte Zyklisierungsperformanzen aufweist, wie Erreichen von mehr Zyklen oder Zyklisieren mit einer viel höheren C-Rate, was höchst wünschenswert ist.Immobilized selenium includes selenium, which may have a higher shock frequency than non-immobilized selenium. Such a high shock frequency can result from the fact that selenium is under compression in the immobilized Se-C system. The collision frequency for selenium in unimmobilized selenium was determined to be 2.27 × 10 5 according to the ASTM E1641-16 method. The collision frequency for selenium in the immobilized selenium comprising selenium and carbon is ≥ 2.5 × 10 5 , ≥ 3.0 × 10 5 , ≥ 3.5 × 10 5 , ≥ 4.0 × 10 5 , ≥ 4 , 5 × 10 5 , ≥ 5.0 × 10 5 , ≥ 5.5 × 10 5 , ≥ 6.0 × 10 5 or ≥ 8.0 × 10 5 . The immobilized selenium can have a shock frequency ≥ 10%, ≥ 30%, ≥ 50%, ≥ 80%, ≥ 100%, ≥ 130%, ≥ 150%, ≥ 180% or ≥ 200% higher than that for non-immobilized selenium in the Se-C composite material. This can lead to better electron conductivity in the immobilized selenium system due to more collisions among selenium species. The immobilized selenium in Se-C composite would also have a higher impact frequency against the wall of the carbon host (e.g. a carbon framework), which can result in better electron delivery or electron yield from the carbon framework during electrochemical cycling, resulting in a battery (the immobilized selenium) which has improved cycling performances such as achieving more cycles or cycling at a much higher C-rate, which is highly desirable.
Immobilisiertes Selen umfasst Selen, das weniger dazu tendiert, sein Host-Material (Carbon) zu verlassen, da es eine kinetische Geschwindigkeitskonstante aufweist, die ≤ 1:5, ≤ 1:10, ≤ 1:50, ≤ 1:100, ≤ 1:500 oder ≤ 1:1000 der kinetischen Geschwindigkeitskonstante für nicht immobilisiertes/herkömmliches Selen beträgt. Bei unserem Beispiel umfasst das immobilisierte Selen Selen, das weniger dazu tendiert, sein Host-Material (Carbon) zu verlassen, weil es (bei 50 °C) eine kinetische Geschwindigkeitskonstante von ≤ 1×10-10, ≤ 5×10-11, ≤ 1×10-11, ≤ 5×10-12 oder ≤ 5×10-13 aufweist.Immobilized selenium includes selenium, which has less of a tendency to leave its host material (carbon) as it has a kinetic rate constant that is ≤ 1: 5, ≤ 1:10, ≤ 1:50, ≤ 1: 100, ≤ 1 : 500 or ≤ 1: 1000 of the kinetic rate constant for non-immobilized / conventional selenium. In our example, the immobilized selenium comprises selenium, which tends less to leave its host material (carbon) because (at 50 ° C) it has a kinetic rate constant of ≤ 1 × 10 -10 , ≤ 5 × 10 -11 , ≤ 1 × 10 -11 , ≤ 5 × 10 -12 or ≤ 5 × 10 -13 .
Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das amorph sein kann, wie durch Röntgen-Beugungsmessungen bestimmt wird. Ein Beugungs-Peak, der ein d-Spacing von etwa 5,2 Ångström aufweist, ist relativ kleiner oder schwächer, zum Beispiel 10 % schwächer, 20 % schwächer, 30 % schwächer oder 40 % schwächer als der für das Carbongerüst.Immobilized selenium can include selenium, which can be amorphous as determined by x-ray diffraction measurements. A diffraction peak that has ad spacing of about 5.2 Angstroms is relatively smaller or weaker, for example 10% weaker, 20% weaker, 30% weaker, or 40% weaker than that for the carbon framework.
Immobilisiertes Selen kann vorbereitet werden, indem physisch Carbon und Selen gemischt werden, gefolgt von Schmelzen und Homogenisieren (oder Mischen oder Vermengen) von Selenmolekülen, um Selen-Immobilisation zu erzielen. Das physische Mischen kann durch (trockenes oder nasses) Kugelmühlenmahlen, (trockenes oder nasses) Mischen mit Mörser und Mörserkeule, Strahlmühlenmahlen, horizontales Mahlen, Reibungsmühlenmahlen, Mischen mit hoher Scherwirkung in Slurry, herkömmliches Slurry-Mischen mit einer Klinge usw. erzielt werden. Das physisch gemischte Gemisch aus Selen und Carbon kann auf eine Temperatur erhitzt werden, die an dem Schmelzpunkt von Selen oder höher liegt und niedriger als der Schmelzpunkt von Carbon. Das Erhitzen kann in einer Inertgasumgebung ausgeführt werden, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, Argon, Helium, Stickstoff usw. Die Erhitzungsumgebung kann Luft oder eine reaktive Umgebung umfassen. Die Immobilisation von Selen kann durch Imprägnieren gelösten Selens in Carbon, gefolgt von Verdampfung des Lösemittels erzielt werden. Das Lösemittel zum Lösen von Selen kann einen Alkohol, einen Ether, einen Ester, ein Keton, einen Kohlenwasserstoff, einen halogenierten Kohlenwasserstoff, ein stickstoffhaltiges Verbundmaterial, ein phosphorhaltiges Verbundmaterial, ein schwefelhaltiges Verbundmaterial, Wasser usw. umfassen.Immobilized selenium can be prepared by physically mixing carbon and selenium, followed by melting and homogenizing (or mixing or blending) selenium molecules to achieve selenium immobilization. Physical mixing can be achieved by ball milling (dry or wet), mortar and pestle (dry or wet) mixing, jet milling, horizontal milling, attritor milling, high shear mixing in slurry, conventional slurry mixing with a blade, etc. The physically mixed mixture of selenium and carbon can be heated to a temperature that is at or above the melting point of selenium and lower than the melting point of carbon. The heating can be carried out in an inert gas environment such as, but not limited to, argon, helium, nitrogen, etc. The heating environment can include air or a reactive environment. Immobilization of selenium can be achieved by impregnating dissolved selenium in carbon, followed by evaporation of the solvent. The solvent for dissolving selenium may include an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing composite, a phosphorus-containing composite, a sulfur-containing composite, water, and so on.
Immobilisiertes Selen kann durch Schmelzen einer großen Selenmenge in Anwesenheit von Carbon gefolgt vom Entfernen überflüssigen, nicht immobilisierten Selens erzielt werden.Immobilized selenium can be achieved by melting a large amount of selenium in the presence of carbon followed by removal of excess, non-immobilized selenium.
Ein immobilisiertes Selensystem oder eine immobilisierte Selenmasse kann immobilisiertes Selen mit ≥ 30 %, ≥ 40 %, ≥ 50 %, ≥ 60 %, ≥ 70 %, ≥ 80 % oder ≥ 90 % der Gesamtselenmenge in dem System oder der Masse umfassen. Das nicht immobilisierte Selen kann bei einer Temperatur verdampfen, die niedriger ist als die des immobilisierten Selens.An immobilized selenium system or an immobilized selenium mass can comprise immobilized selenium with 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% or 90% of the total amount of selenium in the system or the mass. The non-immobilized selenium can evaporate at a temperature lower than that of the immobilized selenium.
Ein immobilisiertes Selensystem oder eine immobilisierte Selenmasse kann immobilisiertes Selen umfassen, das mit einem oder mehreren zusätzlichen/anderen Elementen der Gruppe 6 der Tabelle des periodischen Systems dotiert ist, wie zum Beispiel Schwefel und/oder Tellur. Das Dotierstoffniveau kann von so niedrig wie 100 Gew.-ppm bis so hoch wie 85 % des Gewichts des immobilisierten Selensystems oder der immobilisierten Selenmasse reichen.An immobilized selenium system or an immobilized selenium mass can comprise immobilized selenium which is doped with one or more additional / other elements of
Ein beispielhafter Prozess zum Herstellen immobilisierten Selens ist in
Das immobilisierte Selen kann als ein Kathodenmaterial für eine wiederaufladbare Batterie verwendet werden. Zum Herstellen einer Kathode kann das immobilisierte Selen in einem flüssigen Medium dispergiert werden, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, in Wasser oder organischem Lösemittel. Die Kathode, die das immobilisierte Selen umfasst, kann ein Bindemittel, optional ein anderes Bindemittel, optional ein Fördermittel der elektrischen Leitfähigkeit und einen Stromchargenkollektor umfassen. Das Bindemittel kann an organisch oder organisch sein. Ein organisches Bindemittel kann aus einem natürlichen Produkt bestehen, wie zum Beispiel aus CMC oder aus einem synthetischen Produkt, zum Beispiel aus einem SBR-Kautschuk-Latex. Ein Förderer elektrischer Leitfähigkeit kann ein Typ von Carbon sein, wie kleine Teilchen von Graphit abstammend, Graphen, Carbonnanoröhren, Carbonnanoschicht, Carbon Black usw. Ein Kollektor elektrischer Ladung kann zum Beispiel eine Aluminiumfolie, eine Kupferfolie, eine Carbonfolie, ein Carbongewebe oder andere metallische Folien sein. Die Kathode kann durch Beschichten eines immobilisierten selenhaltigen Slurry (oder Slurries) auf dem Ladungskollektor sein, gefolgt von einem typischen Trockenprozess (Lufttrocknen, Ofentrocknen, Vakuumofentrocknen usw.). Der immobilisierte Selen-Slurry oder die Slurries können durch einen Mischer mit hoher Scherwirkung, einen herkömmlichen Mischer, einen Planetenmischer, einen Doppelplanetenmischer, eine Kugelmühle, einen vertikalen Attritor, eine horizontale Mühle usw. vorbereitet werden. Die Kathode, die immobilisiertes Selen umfasst, kann vor ihrer Verwendung in einer Batterieanordnung gepresst oder walzgemahlen (oder kalandert) werden.The immobilized selenium can be used as a cathode material for a rechargeable battery. To make a cathode, the immobilized selenium can be dispersed in a liquid medium, such as, but not limited to, water or organic solvent. The cathode comprising the immobilized selenium may comprise a binder, optionally another binder, optionally an electrical conductivity enhancer, and a current charge collector. The binder can be organic or organic. An organic binder can consist of a natural product such as CMC or a synthetic product such as an SBR rubber latex. An electrical conductivity promoter can be a type of carbon, such as small particles derived from graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon nanosheet, carbon black, etc. An electrical charge collector can, for example, be an aluminum foil, a copper foil, a carbon foil, a carbon fabric or other metallic foils his. The cathode can be by coating an immobilized selenium containing slurry (or slurries) on the charge collector, followed by a typical drying process (air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). The immobilized selenium slurry or slurries can be prepared by a high-shear mixer, a conventional mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical attritor, a horizontal mill, and so on. The cathode, which comprises immobilized selenium, can be pressed or roll milled (or calendered) prior to use in a battery assembly.
Eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, kann eine Kathode umfassen, die immobilisiertes Selen, eine Anode, einen Separator und einen Elektrolyt umfasst. Die Anode kann Lithium, Natrium, Silizium, Graphit, Magnesium, Zinn und/oder ein wünschenswertes Element und/oder ein wünschenswertes Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe IA, Gruppe IIA, Gruppe IIIA usw. der Tabelle des periodischen Systems umfassen. Der Separator kann einen organischen Separator, einen anorganischen Separator oder einen Festelektrolytseparator umfassen. Ein organischer Separator kann ein Polymer umfassen, wie zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen, Polyester, ein halogeniertes Polymer, ein Polyether, ein Polyketon usw. Ein anorganischer Separator kann eine Glas- oder Quarzfaser, einen Festelektrolytseparator umfassen. Ein Elektrolyt kann ein Lithiumsalz, ein Natriumsalz oder ein anderes Salz, ein Salz der Gruppe IA der Tabelle des periodischen Systems, ein Salz der Gruppe IIA der Tabelle des periodischen Systems und ein organisches Lösemittel umfassen. Das organische Lösemittel kann ein organisches Carbonatgemisch, einen Ether, einen Alcohol, einen Ester, einen Kohlenwasserstoff, einen halogenierten Kohlenwasserstoff, ein lithiumhaltiges Lösemittel usw. umfassen.A rechargeable battery that includes immobilized selenium may include a cathode that includes immobilized selenium, an anode, a separator, and an electrolyte. The anode can comprise lithium, sodium, silicon, graphite, magnesium, tin and / or a desirable element and / or a desirable element or a combination of elements from Group IA, Group IIA, Group IIIA, etc. of the table of the periodic table. The separator can comprise an organic separator, an inorganic separator or a solid electrolyte separator. An organic separator can comprise a polymer such as polyethylene, polypropylene, polyester, a halogenated polymer, a polyether, a polyketone, etc. An inorganic separator can comprise a glass or quartz fiber, a solid electrolyte separator. An electrolyte may include a lithium salt, a sodium salt or other salt, a Group IA salt of the Periodic Table, a Group IIA salt of the Periodic Table, and an organic solvent. The organic solvent can comprise an organic carbonate mixture, an ether, an alcohol, an ester, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a lithium-containing solvent and so on.
Eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, kann für Elektronik, ein elektrisches oder Hybridfahrzeug, eine Industrieanwendung, eine militärische Anwendung wie eine Drohne, eine Luft-Raumfahrtanwendung, eine Marineanwendung usw. verwendet werden.A rechargeable battery comprising immobilized selenium can be used for electronics, an electric or hybrid vehicle, an industrial application, a military application such as a drone, an aerospace application, a marine application, and so on.
Eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, kann eine spezifische Kapazität von 400 mAh/g aktive Selenmenge oder höher, 450 mAh/g oder höher, 500 mAh/g oder höher, 550 mAh/g oder höher oder 600 mAh/g oder höher aufweisen. Eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, kann fähig sein, elektrochemischem Zyklisieren mit 50 Zyklen oder mehr, 75 Zyklen oder mehr, 100 Zyklen oder mehr, 200 Zyklen oder mehr usw. unterworfen zu werden.A rechargeable battery comprising immobilized selenium can have a specific capacity of 400 mAh / g active amount of selenium or higher, 450 mAh / g or higher, 500 mAh / g or higher, 550 mAh / g or higher, or 600 mAh / g or higher exhibit. A rechargeable battery comprising immobilized selenium may be able to be subjected to electrochemical cycling for 50 cycles or more, 75 cycles or more, 100 cycles or more, 200 cycles or more, and so on.
Eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, kann fähig sein, mit 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 1,5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C oder schneller geladen zu werden. Nach dem Ausführen von umfassendem Lade-Entlade-Zyklisierens mit hoher C-Rate während 30 oder mehr Zyklen (zum Beispiel 5 Zyklen bei 0,1C, 5 Zyklen bei 0,2C, 5 Zyklen bei 0,5C, 5 Zyklen bei 1C, 5 Zyklen bei 2C, 5 Zyklen bei 5C und 5 Zyklen bei 10C), kann eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, eine spezifische Batteriekapazität > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 %, > 80 % der 2. spezifischen Entladekapazität bei einer Zyklisierungsrate von 0,1C behalten.A rechargeable battery comprising immobilized selenium may be capable of charging 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or to be loaded faster. After performing extensive charge-discharge cycling at high C-rate for 30 or more cycles (e.g., 5th Cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles at 1C, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C and 5 cycles at 10C), a rechargeable battery that includes immobilized selenium can , a specific battery capacity>30%,>40%,>50%,>60%,>70%,> 80% of the 2nd specific discharge capacity at a cycling rate of 0.1C.
Unten folgen mehrere Beispiele zur Veranschaulichung des Gedankens der Erfindungen. Diese Beispiele sollten jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden.Several examples follow below to illustrate the spirit of the inventions. However, these examples should not be construed in a limiting sense.
BEISPIELEEXAMPLES
CharakterisierunssverfahrenCharacterization method
Rasterelektronenmikroskopie-Bilder (SEM-Bilder) wurden auf einem Tescan-Vega-Rasterelektronenmikroskop, das mit einem Energy-Dispersive-Analysis-Röntgen-Detektor (EDX-Detektor) ausgestattet ist, gesammelt.Scanning electron microscopy (SEM) images were collected on a Tescan Vega scanning electron microscope equipped with an Energy Dispersive Analysis X-ray detector (EDX detector).
Raman-Spektren wurden mit einem (konfokalen) Renishaw-inVia-Raman-Mikroskop gesammelt. Laser-Raman-Spektroskopie wird weitgehend als ein Standard für die Charakterisierung von Carbon und Diamant verwendet und stellt ohne Weiteres unterscheidbare Signaturen jeder der unterschiedlichen Formen (Allotrope) von Carbon bereit (zum Beispiel Diamant, Graphit, Buckyballs usw.). Kombiniert mit Fotolumineszenztechnologie (PL-Technologie), bietet sie eine nicht zerstörende Art, diverse Eigenschaften eines Diamanten zu untersuchen, einschließlich Phasenreinheit, Kristallgröße und Ausrichtung, Fehlerniveau und Struktur, Verunreinigungstyp und Konzentration sowie Spannung und Dehnung. Insbesondere die Breite (volle Halbwertsbreite - Full-Width-Half-Maximum, FWHM) des Raman-Diamant-Peaks bei 1332 cm-1, sowie das Raman-Stärkeverhältnis zwischen Diamant-Peak und graphitischen Peaks (D-Band bei 1350 cm-1 und G-Band bei 1600 cm-1), ist ein direkter Indikator von Diamantqualität oder der Qualität anderen Carbonmaterials. Des Weiteren können Spannungs- und Dehnungsniveaus in Diamant oder anderen Carbonkörnern und Folien aus der Raman-Diamant-Peak-Verschiebung geschätzt werden. Es wurde berichtet, dass die Raman-Diamant-Peak-Verschiebungsrate unter hydrostatischer Spannung etwa 3,2 cm-1/GPa beträgt, mit einer Peak-Verschiebung zu einer niedrigeren Wellenzahl unter Zugbeanspruchung und einer höheren Wellenzahl unter Druckspannung. Die Raman-Spektren, die hierin besprochen sind, wurden unter Verwendung eines Renishaw-inVia-Raman-Spektroskops mit einem Anregungslaser zu 514 nm gesammelt. Weitere Informationen über die Verwendung von Raman-Spektroskopie zur Charakterisierung von Diamant ist auch in den Referenzen (1)
Die Daten für BET-Oberflächen- und Porengrößenverteilungen von Carbonproben wurden durch Stickstoffabsorption und CO2-Absorption mit einem 3Flex (Mircomeritics), ausgestattet mit einem Smart-VacPrep für Probenentgasungsvorbereitungen gemessen. Die Probe wird typischerweise in Smart-Vac-Prep bei 250 °C während 2 Stunden unter Vakuum vor der CO2- und der N2-Absorptionsmessung entgast. Die Stickstoffabsorption wird verwendet, um die BET-Oberfläche zu bestimmen. Stickstoff-Absorptionsdaten und CO2-Absorptionsdaten wurden kombiniert, um Porengrößenverteilungen einer Carbonprobe zu berechnen. Für die Einzelheiten über das Kombinieren von sowohl N2- als auch CO2-Absorptionsdaten zum Bestimmen der Porengrößenverteilungen für Carbonmaterialien, möge man „Dual Gas Analysis of Microporous Carbon Using 2D-NLDFT Heterogeneous Surface Model and Combined Adsorption Data of N2 and CO2“,
Die Daten für thermogravimetrische Analyse (TGA) und dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) für Proben aus immobilisiertem Selen und die Kontrollproben wurden mit dem Netzsch Thermal Analyzer gemessen. Die TGA-Analyse wurde unter einer Argonflussrate von -200 ml/Min., einer Heizrate von 16°C/Min., 10°C/Min., 5 °C/Min., 2 °C/Min., 1 °C/Min. und anderen Heizraten ausgeführt. Im Sinne der Konsistenz, betrug eine typische Menge an immobilisierter Selenprobe für TGA-Analyse etwa 20 mg.The data for thermogravimetric analysis (TGA) and dynamic differential calorimetry (DSC) for samples from immobilized selenium and the control samples were measured with the Netzsch Thermal Analyzer. The TGA analysis was performed under an argon flow rate of -200 ml / min., A heating rate of 16 ° C / min., 10 ° C / min., 5 ° C / min., 2 ° C / min., 1 ° C / Min. and other heating rates. In terms of consistency, a typical amount of immobilized selenium sample for TGA analysis was about 20 mg.
Aktivierungsenergie und Stoßfrequenz des immobilisierten Selens und nicht immobilisierten Selens wurden durch TGA im Anschluss an die Vorgehensweisen bestimmt, die in dem Verfahren
Röntgen-Beugungsresultate für unterschiedliche Carbon-, Se-Carbon-Proben und immobilisiertes Selen wurden auf einem Philip-Diffraktometer gesammelt.X-ray diffraction results for different carbon, Se-carbon samples and immobilized selenium were collected on a Philip diffractometer.
Batterie-Zyklisierungperformanzen für wiederaufladbare Batterien, die immobilisiertes Selen umfassen, wurden auf einem Lanhe CT2001A Battery Cycling Tester (Batteriezyklisierungstestgerät) getestet. Lade- und Entladeströme der wiederaufladbaren Batterien, die immobilisiertes Selen umfassen, wurden durch eine Selenmenge, die in dem immobilisierten Selen enthalten ist, und eine Zyklisierungsrate (0,1C, 0,5C, 1C, 2C, 3C, 4C, 5C, 10C usw.) bestimmt.Battery cycling performances for rechargeable batteries comprising immobilized selenium were tested on a Lanhe CT2001A Battery Cycling Tester. Charge and discharge currents of the rechargeable batteries including immobilized selenium were determined by an amount of selenium contained in the immobilized selenium and a cycling rate (0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 3C, 4C, 5C, 10C, etc. .) certainly.
Beispiel 9: Synthese und Charakterisierung eines CarbongerüstsExample 9: Synthesis and characterization of a carbon skeleton
Zum Bilden eines ersten Rückstands wurde eine Charge aus 260 g Kaliumcitrat in einen Schmelztiegel gegeben, und der Schmelztiegel wurde in eine Quarzröhre innerhalb eines Rohrofens platziert. Ein Argongasstrom wurde in den Ofen eingelassen, und der Ofen wurde mit 5°C/Min. von Raumtemperatur (~20 bis 22 °C) auf 600 °C erhitzt. Der Ofen wurde während 60 Minuten auf dieser Temperatur gehalten, wobei ein Herunterfahren der Öfen und das Entfernen der Charge aus dem Schmelztiegel nach dem Abkühlen des Ofens erfolgten, wobei 174,10 g verarbeiteter Rückstand gewonnen wurden. Zum Bilden des zweiten und dritten verarbeiteten Rückstands wurde derselbe Prozess wie der für den ersten Rückstand beschriebene für Chargen von 420 und 974 g Kaliumcitrat separat wiederholt. Der resultierende zweite und dritte verarbeitete Rückstand wogen 282,83 Gramm bzw. 651,93 Gramm.To form an initial residue, a batch of 260 grams of potassium citrate was placed in a crucible and the crucible was placed in a quartz tube inside a tube furnace. A stream of argon gas was admitted into the furnace and the furnace was started at 5 ° C / min. heated from room temperature (~ 20 to 22 ° C) to 600 ° C. The furnace was held at this temperature for 60 minutes with a shutdown of the furnace and removal of the batch from the crucible after the furnace had cooled to yield 174.10 grams of processed residue. To form the second and third processed residues, the same process as that described for the first residue was repeated separately for batches of 420 and 974 grams of potassium citrate. The resulting second and third processed residues weighed 282.83 grams and 651.93 grams, respectively.
1108,9 Gramm aus diesen drei verarbeiteten Rückständen wurden in einem Schmelztiegel kombiniert, der in die Quarzröhre innerhalb des Rohrofens platziert wurde, und ein Argon-Gasfluss wurde in den Ofen eingelassen. Der Ofen wurde mit 5 °C/Min. auf 800 °C erhitzt. Der Ofen wurde während 1 Stunde an 800 °C gehalten. Das Abkühlen des Ofens wurde erlaubt, wonach der Schmelztiegel aus der Quarzröhre entfernt wurde, und anschließend wurden 1085,74 Gramm eines ersten abschließenden Rückstands gewonnen.1108.9 grams from these three processed residues were combined in a crucible that was placed in the quartz tube inside the tube furnace and a flow of argon gas was admitted into the furnace. The oven was running at 5 ° C / min. heated to 800 ° C. The oven was held at 800 ° C for 1 hour. The furnace was allowed to cool, after which the crucible was removed from the quartz tube, and then 1085.74 grams of an initial final residue was recovered.
Anschließend ergab gemäß derselben Vorgehensweise wie bei diesem Beispiel (800 °C) eine Charge von 120 Gramm Kaliumrückständen, die in den Ofen eingeführt wurde, etwa 77 Gramm eines zweiten abschließenden Rückstands (800 °C).Then, following the same procedure as in this example (800 ° C), a batch of 120 grams of potassium residue introduced into the oven yielded about 77 grams of a second final residue (800 ° C).
Die Kombination des ersten und zweiten abschließenden Rückstands resultierte in etwa 1163 Gramm eines dritten abschließenden Rückstands.The combination of the first and second final residues resulted in approximately 1163 grams of a third final residue.
Die 1163 Gramm des dritten abschließenden Rückstands wurden dann mit 400 ml Wasser zu einem Slurry vermischt, der in etwa gleichmäßig in vier Zwei-Liter-Bechergläser getrennt wurde. Der pH jedes Slurry wurde durch Messen als höher als 13 bestimmt. Danach wurde eine konzentrierte Salzsäurelösung in jedes Becherglas mit einer heftigen Entwicklung von Kohlendioxid hinzugefügt, das sich mit einem pH kleiner als etwa 5 abschlug. Mehr Salzsäurelösung wurde hinzugefügt, um einen pH von etwa 1,9 zu erhalten. Dann wurden diese Slurries gefiltert und zu Filterkuchen gewaschen, die in einem Ofen bei 120 °C während etwa 12 Stunden getrocknet wurden, gefolgt von einem Vakuumtrocknen bei 120 °C während 24 Stunden, was in vier Carbongerüstproben mit insgesamt etwa 61,07 Gramm resultierte.The 1163 grams of the third final residue was then mixed with 400 ml of water to form a slurry which was roughly evenly separated into four two liter beakers. The pH of each slurry was determined to be greater than 13 by measurement. Thereafter, a concentrated hydrochloric acid solution was added to each beaker with a violent evolution of carbon dioxide, which precipitated with a pH less than about 5. More hydrochloric acid solution was added to maintain a pH of about 1.9. These slurries were then filtered and washed into filter cakes which were dried in an oven at 120 ° C for about 12 hours, followed by vacuum drying at 120 ° C for 24 hours, resulting in four carbon skeleton samples totaling about 61.07 grams.
Diese Carbongerüstproben wurden anhand von SEM, XRD, Raman, BET/Porengrößenverteilungen charakterisiert. Das SEM-Resultat für ein Carbongerüst ist in
Röntgen-Beugungsmuster eines Carbongerüsts, die in
Raman-Streuungsspektroskopieresultate für ein Carbongerüst sind in
Die BET-Oberfläche des Carbongerüsts wurde mit 1.205 m2/g durch Stickstoffabsorption gemessen. Die inkrementelle Porenoberfläche (Incremental Pore Surface Area) im Vergleich zur Porenweite ist in
Die Porengrößenverteilungen der Carbongerüstprobe wurden durch Stickstoffabsorption und CO2-Absorption bestimmt. Die Absorptionsresultate der Stickstoffabsorption und CO2-Absorption wurden kombiniert, um die Porengrößenverteilung, die in
Beispiel 10: Vorbereitung und Charakterisierung immobilisierten SelensExample 10: Preparation and characterization of immobilized selenium
0,1206 Gramm Selen (mit Bulk-Eigenschaften von Selen) in einen Satz aus Achatreibschale und Mörserkeule geben und 0,1206 Gramm des Carbongerüsts, das in Übereinstimmung mit Beispiel 9 vorbereitet wurde, in dieselbe Achatreibschale mit ihrer Mörserkeule hinzufügen. Das Gemisch aus Selen und Carbongerüst während etwa 30 Minuten von Hand zermahlen und das gemahlene Gemisch aus Selen und Carbongerüst in ein Gesenk aus rostfreiem Stahl (10 mm Durchmesser) transferieren. Das Gemisch mit einem Druck von etwa 10 MPa in das Gesenk pressen, um ein Pellet des Gemischs zu bilden. Dann das Pellet in einen abgedichteten Behälter bei Vorliegen einer Inertumgebung (Argon) laden und den abgedichteten Behälter, der das Pellet enthält, in einen Ofen platzieren. Den Ofen, der den abgedichteten Behälter beinhaltet, der das Pellet enthält, auf 240 °C (über die Schmelztemperatur von Selen) zum Beispiel während 12 Stunden erhitzen. Es wird jedoch eine beliebige Kombination aus Zeit und Temperatur über der Schmelztemperatur von Selen in Betracht gezogen, die ausreicht, um Selen und Carbon zum entweder teilweisen oder vollständigen Reagieren zu veranlassen und immobilisiertes Selen zu bilden, das einige oder alle der Merkmale, die in dieser Anmeldung beschrieben sind, aufweist. Dann wird das Pellet aus dem Behälter genommen, nachdem es dem Pellet erlaubt wurde, auf Raumtemperatur abzukühlen. Das herausgenommene Pellet ist das immobilisierte Selen dieses Beispiels 10.Place 0.1206 grams of selenium (with bulk properties of selenium) in an agate mortar and pestle set, and add 0.1206 grams of the carbon scaffold prepared in accordance with Example 9 to the same agate mortar and mortar pod. Grind the mixture of selenium and carbon skeleton by hand for about 30 minutes and transfer the milled mixture of selenium and carbon skeleton into a stainless steel die (10 mm diameter). Press the mixture into the die at a pressure of about 10 MPa to form a pellet of the mixture. Then load the pellet into a sealed container in the presence of an inert environment (argon) and place the sealed container containing the pellet in an oven. Heat the furnace containing the sealed container containing the pellet to 240 ° C (above the melting temperature of selenium) for, for example, 12 hours. However, any combination of time and temperature above the melting temperature of selenium is contemplated that is sufficient to cause selenium and carbon to react, either partially or completely, and to form immobilized selenium which has some or all of the characteristics present in it Application are described, has. The pellet is then removed from the container after allowing the pellet to cool to room temperature. The removed pellet is the immobilized selenium of this Example 10.
Das immobilisierte Selen dieses Beispiels 10 wurde durch TGA-DSC und TGA charakterisiert. Die TGA-DSC-Analyseresultate wurden für das immobilisierte Selen unter einem Argongasstrom von 200 ml/Min. bei einer Heizrate von 10 °C/Min. gesammelt. Es besteht kein wahrnehmbarer endothermer DSC-Peak bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt von Selen (etwa 230 °C), was angibt, dass das immobilisierte Selen dieses Beispiels 10 von der Bulk-Form von Selenmolekülen/-atomen unterschiedlich ist, die einen Schmelzpunkt um etwa 230 °C haben sollten, bei dem ein endothermer Peak auftreten sollte.The immobilized selenium of this example 10 was characterized by TGA-DSC and TGA. The TGA-DSC analysis results were for the immobilized selenium under an argon gas flow of 200 ml / min. at a heating rate of 10 ° C / min. collected. There is no noticeable endothermic DSC peak at temperatures near the melting point of selenium (about 230 ° C) indicating that the immobilized selenium of this Example 10 is different from the bulk form of selenium molecules / atoms which have a melting point of about 230 ° C at which an endothermic peak should occur.
Eine Nachforschung hat ergeben, dass die TGA-DSC-Daten möglicherweise nicht verlässlich sind, wenn die Heiztemperatur einen Punkt erreicht, bei dem Selenmoleküle beginnen, aus dem TGA-DSC-Proben-Schmelztiegel (Graphit oder Keramiken) zu entweichen. Zu diesem Zweck treten Selenmoleküle (aus dem Proben-Schmelztiegel) in Gasphase in den Argon-Trägergasstrom ein und scheinen mit dem TGA-DSC-Platin-Probenhalter zu reagieren, was die tatsächlichen thermochemischen TGA-DSC-Verhaltensweisen verzerrt. Da die freigesetzten Selenmoleküle aus dem Proben-Schmelztiegel mit Platin-Probenhalter reagieren, führt das in diesem Temperaturbereich zu einem geringeren Gewichtsverlust. Das Selen-Platin-Verbundmaterial in dem Platin-Probenhalter wird dann in der Gasphase freigesetzt, wenn die Heiztemperatur einen Punkt erreicht, der über 800 °C liegt. Eine vollständige Selen-Freisetzung kann bei 1000 °C auftreten. Diese Nachforschung verbrauchte den Großteil der immobilisierten Selenprobe dieses Beispiels 10. Es wurde folglich eine neue Probe des immobilisierten Selens (~16 Gramm) unter Verwenden desselben Prozesses wie oben, im anfänglichen Teil dieses Beispiels 10 beschriebenen vorbereitet.Research has shown that the TGA-DSC data may not be reliable if the heating temperature reaches a point where selenium molecules begin to leak out of the TGA-DSC sample crucible (graphite or ceramics). To this end, selenium molecules (from the sample crucible) enter the argon carrier gas stream in gas phase and appear to react with the TGA-DSC platinum sample holder, distorting actual TGA-DSC thermochemical behaviors. Since the released selenium molecules from the sample crucible react with the platinum sample holder, this leads to less weight loss in this temperature range. The selenium-platinum composite material in the platinum sample holder is then released in the gas phase when the heating temperature reaches a point that is above 800 ° C. Complete selenium release can occur at 1000 ° C. This investigation consumed the majority of the immobilized selenium sample of this Example 10. Thus, a new sample of the immobilized selenium (~ 16 grams) was prepared using the same process as described above in the initial part of this Example 10.
Die thermodynamischen Verhaltensweisen dieser neuen Probe immobilisierten Selens wurden anhand von TGA-Analyse untersucht, die einen keramischen Probenhalter verwendet, der ein sehr kleines Thermoelement abdeckt, das für die TGA-Analyse verwendet wird. Die TGA-Analyseresultate für diese neue Probe aus immobilisiertem Selen sind in
Immobilisiertes Selen kann eine anfängliche Gewichtsverlusttemperatur aufweisen, die bei etwa 400 °C beginnt, im Vergleich zu 340 °C für Se-Super-P-Carbonverbundmaterial und das Se-Graphit-Carbonverbundmaterial; eine Mittelpunkt-Gewichtsverlusttemperatur für immobilisiertes Selen kann bei etwa 595° liegen, im Vergleich zu 480 °C für das Se-Super-P-Carbon-Verbundmaterial und 471 °C für Se-Graphit-Verbundmaterial; und einen Hauptgewichtsverlust, der bei 544 °C für Se-Super-P-Carbon-Verbundmaterial und Se-Graphit-Verbundmaterial abgeschlossen ist, und bei 660 °C für das immobilisierte Selen. Das Se-Super-P-Carbon-Verbundmaterial und das Se-Graphit-Verbundmaterial zeigen weniger als 0,6 % Gewichtsverlust zwischen 560 °C und 780 °C, während das immobilisierte Selen einen Gewichtsverlust von etwa 2,5 % von unten an dem Hauptgewichtsverlust zeigt (-660 °C bis 1000 °C). Diese Resultate legen nahe, dass nicht-immobilisiertes Selen (Se-Super-P-Carbon-Verbundmaterial und Se-Graphit-Verbundmaterial) ≤ 1,2 % des Gesamtselens aufweist, das aus dem Verbundmaterial bei einer Temperatur von ≥ 560° Celsius entweichen kann, während das immobilisierte Selen etwa 5,0 % des gesamten Selens aufweist, das aus dem Carbongerüst bei einer Temperatur von ≥ 660 °C entweichen kann. Die folgenden Einzelheiten werden bereitgestellt, um Beispiele zu geben, die Einblick in die thermodynamischen Verhaltensweisen bereitstellen. Diese Einzelheiten sollten jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden.Immobilized selenium can have an initial weight loss temperature starting at about 400 ° C, compared to 340 ° C for Se-Super-P carbon composite and the Se-graphite-carbon composite; a midpoint weight loss temperature for immobilized selenium may be about 595 °, compared to 480 ° C for the Se-Super-P-carbon composite and 471 ° C for the Se-graphite composite; and a major weight loss complete at 544 ° C for the Se-super-P-carbon composite and Se-graphite composite, and at 660 ° C for the immobilized selenium. The Se-Super-P-Carbon composite and the Se-graphite composite show less than 0.6% weight loss between 560 ° C and 780 ° C, while the immobilized selenium shows a weight loss of about 2.5% from below Shows major weight loss (-660 ° C to 1000 ° C). These results suggest that non-immobilized selenium (Se-Super-P-Carbon composite material and Se-graphite composite material) comprises ≤ 1.2% of the total selenium that can escape from the composite material at a temperature of ≥ 560 ° Celsius , while the immobilized selenium comprises about 5.0% of the total selenium that can escape from the carbon structure at a temperature of ≥ 660 ° C. The following details are provided to give examples that provide insight into the thermodynamic behaviors. However, these details should not be construed in a limiting sense.
Unter Verwenden der Daten der TGA-Mittelpunkt-Gewichtsverlusttemperatur als Beispiele thermochemischer Verhaltensweisen bei steigender Heiztemperatur, steigt die kinetische Energie der Selenmoleküle in dem Se-Super-P-Carbon-Verbundmaterial und dem Se-Graphit-Verbundmaterial auf ein Niveau, bei dem diese Selenmoleküle genug Energie haben, um die intermolekularen Wechselwirkungen unter Selenmolekülen zu überwinden und aus der flüssigen Phase des Selens zu entweichen. Hierin kinetische Energie = 3RT/2, wobei: R die Gaskonstante ist und T die Temperatur in Kelvin ist.Using the TGA midpoint weight loss temperature data as examples of thermochemical behaviors as the heating temperature increases, the kinetic energy of the selenium molecules in the Se-super-P-carbon composite and the Se-graphite composite increases to a level at which these selenium molecules have enough energy to overcome the intermolecular interactions among selenium molecules and to escape from the liquid phase of selenium. Here kinetic energy = 3RT / 2, where: R is the gas constant and T is the temperature in Kelvin.
Es wurde beobachtet, dass die durchschnittliche kinetische Energie von Selenmolekülen für Se-Super-P-Carbon-Verbundmaterial als 9.391 Joule/mol gemessen wurde, wenn die Selenmoleküle aus dem Gemisch aus Se-Super-P-Carbon-Verbundmaterial entweichen. Das immobilisierte Selen muss jedoch mehr Energie gewinnen, um eine durchschnittliche kinetische Energie von etwa 10.825 Joule/mol aufzuweisen, damit Selen das Carbongerüst zu Gasphasen-Selenmolekülen verlässt. Es wird angenommen, dass das Selen in immobilisiertem Selen entweder in einer atomaren Form oder als molekulare Form oder als irgendeine Form mit Selen und dem Carbongerüst über intermolekulare Wechselwirkungen von Selen hinaus chemisch interagieren kann. Zusätzlich weist der letzte Anteil an Selen, der aus dem Carbongerüst zwischen 660 °C bis 1000 °C entweicht, eine durchschnittliche kinetische Energie in dem Bereich von 11.635 Joule/mol bis 15.876 Joule/mol oder mehr auf. Das legt nahe, dass Selen in dem immobilisierten Selen beständiger ist als das Selen in herkömmlichen Selen-Carbonverbundmaterialien. Das stabilisierte Selen in dem immobilisierten Selen dieses Beispiels 10 verstärkt die Fähigkeit von Selen, entweder als atomare Formen, molekulare Formen oder in irgendeiner Form während elektrochemischer Prozesse innerhalb des Carbongerüsts zu bleiben, wie während des Lade- und Entlade-Zyklisierens einer wiederaufladbaren Batterie, die aus immobilisiertem Selen besteht. Bei einem Beispiel kann dieser letzte Anteil an Selen eine kinetische Energie von ≥ 11.635 Joule/mol (≥ 660 °C) benötigen, um dem Carbongerüst zu entkommen, und kann für eine Selenimmobilisation kritisch sein und als Grenzflächenmaterial zwischen dem Carbongerüst und dem Großteil der immobilisierten Selenmoleküle funktionieren. Der Anteil an Grenzflächenselen in dem immobilisierten Selen kann ≥ 1,5 %, ≥ 2,0 %, ≥ 2,5 % oder 3,0 % des gesamten immobilisierten Selens betragen.It was observed that the average kinetic energy of selenium molecules for Se-Super-P-Carbon composite was measured as 9,391 Joules / mol when the selenium molecules escape from the Se-Super-P-Carbon composite mixture. However, the immobilized selenium has to gain more energy in order to have an average kinetic energy of about 10,825 joules / mol for selenium to leave the carbon structure to form gas-phase selenium molecules. It is believed that the selenium in immobilized selenium can chemically interact with selenium and the carbon backbone beyond intermolecular interactions of selenium in either an atomic form, or a molecular form, or any form. In addition, the last portion of selenium that escapes from the carbon structure between 660 ° C. and 1000 ° C. has an average kinetic energy in the range of 11,635 joules / mol to 15,876 joules / mol or more. This suggests that selenium in the immobilized selenium is more stable than the selenium in conventional selenium-carbon composites. The stabilized selenium in the immobilized selenium this Example 10 enhances the ability of selenium to remain within the carbon framework either as atomic forms, molecular forms, or in any form during electrochemical processes, such as during the charge and discharge cycling of a rechargeable battery comprised of immobilized selenium. In one example, this last portion of selenium may require kinetic energy ≥ 11,635 joules / mol (≥ 660 ° C) to escape the carbon backbone and can be critical for selenium immobilization and as an interface material between the carbon backbone and most of the immobilized Selenium molecules work. The proportion of interfacial selenium in the immobilized selenium can be 1.5%, 2.0%, 2.5% or 3.0% of the total immobilized selenium.
Die Aktivierungsenergie für Selen (nicht immobilisiertes oder herkömmlich) in dem Se-Super-P-Carbon-Verbundmaterial wurde als 92,3 kJ/mol mit einer Stoßfrequenz von 2,27×105 bestimmt. Die Aktivierungsenergie für Selen in immobilisiertem Selen (228 bis 110 oben) wurde auch als 120,7 kJ/mol mit einer Stoßfrequenz von 12,4 × 105 bestimmt. Bei einem anderen Beispiel immobilisierten Selens (155-82-2 oben), das mit denselben Vorgehensweisen vorbereitet wurde wie Beispiel 10, wurden durch Messen auch eine Aktivierungsenergie von 120,0 kJ/mol und eine Stoßfrequenz von 18,3×105 bestimmt.The activation energy for selenium (non-immobilized or conventional) in the Se-Super-P-Carbon composite was determined to be 92.3 kJ / mol with an impact frequency of 2.27 × 10 5 . The activation energy for selenium in immobilized selenium (228 to 110 above) was also determined to be 120.7 kJ / mol with a collision frequency of 12.4 × 10 5 . In another example of immobilized selenium (155-82-2 above), which was prepared using the same procedures as Example 10, an activation energy of 120.0 kJ / mol and an impact frequency of 18.3 × 10 5 were also determined by measurement.
Die kinetische Geschwindigkeitskonstante für Selen wird unter Verwenden der Arrhenius-Gleichung berechnet,
Unter Bezugnahme auf
Die Kompression, die aus der Selen-Immobilisation resultiert, verstärkt sowohl die Carbon-Carbon-Sp2-Bindungen für das Carbongerüst als auch die Se-Se-Bindungen für Selen, was stärkere Selen-Selen- und Carbon-Selen-Wechselwirkungen schafft. Es wäre folglich mehr kinetische Energie erforderlich, damit Selen die stärkere Se-Se-Bindung und stärkeren Carbon-Selen-Wechselwirkungen überwindet, was die Beobachtungen bei der TGA-Analyse des immobilisierten Selens verglichen mit Se-Super-P-Verbundmaterial und Se-Graphit-Verbundmaterial erklärt.The compression that results from selenium immobilization strengthens both the carbon-carbon Sp 2 bonds for the carbon backbone and the Se-Se bonds for selenium, creating stronger selenium-selenium and carbon-selenium interactions. It would therefore require more kinetic energy for selenium to overcome the stronger Se-Se bond and stronger carbon-selenium interactions, which is what the observations in the TGA analysis of the immobilized selenium compared to Se-Super-P composite and Se-graphite -Composite explained.
Des Weiteren hätte das Carbongerüst unter Kompression dann eine bessere Fähigkeit zum Leiten von Elektronen an dem Bindungsniveau; und unter Kompression hätten Selen-Atome oder -Moleküle auch bessere Fähigkeit zum Leiten von Elektronen.Furthermore, the carbon framework under compression would then have a better ability to conduct electrons at the bond level; and under compression, selenium atoms or molecules would also have better ability to conduct electrons.
Stabilisiertes Selen für das immobilisierte Selen, gemeinsam mit verbesserter Elektronenleitfähigkeit über das Carbongerüst und Selen können bei elektrochemischen Prozessen wünschenswert sein, wie zum Beispiel verbesserte spezifische Kapazität für das aktive Material mit einem Mindestniveau an Pendeln, verbesserter Zyklisierungsfähigkeit aufgrund der Immobilisation, einer Fähigkeit mit einer höheren Rate geladen und entladen zu werden usw. Das darf jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden.Stabilized selenium for the immobilized selenium, together with improved electron conductivity via the carbon skeleton and selenium can be desirable in electrochemical processes, such as, for example, improved specific capacity for the active material with a minimum level of pendulum, improved cyclability due to immobilization, a capability with a higher level Rate of being charged and discharged, etc. However, this should not be construed in a limiting sense.
Röntgen-Beugungsmuster für das immobilisierte Selen, die in Übereinstimmung mit Beispiel 10 vorbereitet wurden, das in
Beispiel 11: Vorbereitung der Se-KathodeExample 11: Preparation of the Se cathode
56 mg des immobilisierten Selens, das in Übereinstimmung mit Beispiel 10 vorbereitet wurde; 7,04 mg Super-P; 182 µl Carboxymethylcellulose-Lösung (CMC-Lösung) (die 1 mg trockene CMC für je 52 µl CMC-Lösung beinhaltet); 21,126 µl SBR-Latexdispersion (die 1 mg trockenen SBR-Latex für je 6,036 µl SBR-Latexdispersion beinhaltet); und 200 µl vollentsalztes Wasser in einen Mörser mit Mörserkeule geben. Die Teilchen, die Bindemittel und Wasser von Hand während 30 Minuten in einen Slurry zermahlen, um einen Kathoden-Slurry zu erzeugen. Der Kathoden-Slurry wurde dann auf einer Seite eines Stücks eines elektrisch leitenden Substrats, zum Beispiel einer Folie, aufgetragen und luftgetrocknet. Bei einem Beispiel kann das leitende Substrat oder die Folie Aluminiumfolie (Al-Folie) sein. Dies darf jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden, da die Verwendung eines beliebigen zweckdienlichen und/oder wünschenswerten elektrisch leitenden Materials mit einer beliebigen Gestalt oder Form, in Betracht gezogen wird. Lediglich für den Zweck der Beschreibung wird hierin die Verwendung einer Al-Folie zum Bilden einer Selen-Kathode beschrieben. Dies darf jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden.56 mg of the immobilized selenium prepared in accordance with Example 10; 7.04 mg Super-P; 182 µl carboxymethyl cellulose solution (CMC solution) (which contains 1 mg dry CMC for every 52 µl CMC solution); 21.126 µl SBR latex dispersion (which contains 1 mg dry SBR latex for each 6.036 µl SBR latex dispersion); and put 200 µl of deionized water in a mortar with a pestle stick. Hand grind the particles, binder, and water into a slurry for 30 minutes to create a cathode slurry. The cathode slurry was then applied to one side of a piece of electrically conductive substrate, for example a foil, and air dried. In one example, the conductive substrate or foil can be aluminum foil (Al foil). However, this is not to be interpreted in a limiting sense as the use of any convenient and / or desirable electrically conductive material of any shape or form is contemplated. For the purpose of description only, the use of an Al foil to form a selenium cathode is described herein. However, this should not be interpreted in a limiting sense.
Die mit Slurry beschichtete Al-Folie wurde dann in einen Trockenofen platziert und während 12 Stunden auf eine Temperatur von 55 °C erhitzt, was in einer Selen-Kathode resultierte, die aus einer getrockneten Schicht aus immobilisiertem Selen auf einer Seite der Al-Folie bestand, wobei die Al-Folie auf der anderen Seite unbeschichtet war, das heißt bloßes Aluminium.The slurry-coated Al foil was then placed in a drying oven and heated to a temperature of 55 ° C. for 12 hours, resulting in a selenium cathode consisting of a dried layer of immobilized selenium on one side of the Al foil where the Al foil on the other side was uncoated, i.e. bare aluminum.
Die Selen-Kathode wurde dann in Kathodenscheiben gestanzt, die jeweils einen Durchmesser von 10 mm aufwiesen. Einige dieser Kathodenscheiben wurden als Kathoden für wiederaufladbare Batterien verwendet.The selenium cathode was then punched into cathode disks, each 10 mm in diameter. Some of these cathode disks have been used as cathodes for rechargeable batteries.
Beispiel 12: Wiederaufladbare Li-Se-Batterieanordnung und TestenExample 12: Li-Se rechargeable battery assembly and testing
Die Kathodenscheiben von Beispiel 11 wurden verwendet, um wiederaufladbare Li-Se-Spiralwicklungsbatterien auf die Art, wie in dem Beispiel besprochen, das als Nächstes beschrieben wird und in
Dann wurden 240 µl Elektrolyt 7, der LiPF6 (1M) in Ethylencarbonat(EC)- und Dimethylcarbonat(DMC)-Lösung (zu je 50 Gewichtsanteilen) umfasst; in das positive Gehäuse 2 eingeführt, gefolgt von dem Platzieren einer Lithiumfolienscheibe 8 (15,6 mm Durchmesser und 250 Mikrometer Stärke) auf einer Seite des Separators 6, die der Kathodenscheibe 4 entgegengesetzt ist. Dann wurde ein Abstandhalter aus rostfreiem Stahl (Stainless Steel - SS) 10 auf einer Seite der Lithiumfolienscheibe 8, dem Separator 6 entgegengesetzt platziert, gefolgt von dem Platzieren einer oder mehrerer Schaumscheiben 12, die zum Beispiel aus Nickel auf einer Seite des SS-Abstandhalters 10 der Lithiumfolienscheibe 8 entgegengesetzt hergestellt sind. Die Lithiumfolie 8, der SS-Abstandhalter 10 und/oder die Schaumscheibe 12 können als eine Anode wirken. Schließlich wurde ein Gehäuse 14, hergestellt aus 2032 rostfreiem Stahl 14, zum Funktionieren als die negative Seite der Knopfzelle (das „negative Gehäuse“ in
Einige der zusammengefügten Knopfzellenbatterien wurden bei Lade-Entlade-Raten von 0,1C und 1C unter Verwenden eines Lanhe-Batterietestgeräts CT2001A getestet. Jede Knopfzellenbatterie wurde getestet: (1) Ruhen während 1 Stunde; (2) Entladen auf 1 V; (3) Ruhen während 10 Minuten; (4) Laden auf 3 V; (5) Ruhen während 10 Minuten; Schritte (2) bis (5) zum Wiederholen des Zyklisierungstests wiederholen.Some of the assembled coin cell batteries were tested at charge-discharge rates of 0.1C and 1C using a Lanhe CT2001A battery tester. Each coin cell battery has been tested: (1) resting for 1 hour; (2) discharge to 1V; (3) rest for 10 minutes; (4) charge to 3V; (5) rest for 10 minutes; Repeat steps (2) through (5) to repeat the cycling test.
Die Li-Se-Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst; kann ihre spezifische Kapazität zu 670 mAh/g, 98 % ihrer vollen Kapazität, wiedergewinnen, wenn sie zu Beginn des Tests mit einer 0,1C-Rate zyklisiert wird. Es wird angenommen, dass (1) die Stabilisation von Selen in der immobilisierten Selen-Kathode Selen daran hindert, das Carbongerüst zu verlassen, verhindert, dass das Selen zwischen der Kathode und der Anode während des Zyklisierens pendelt, was es der Batterie ermöglicht, verbesserte Zyklisierungsperformanz aufzuweisen; (2) sowohl Sp2-Carbon-Carbon-Bindungen als auch Carbongerüst, Selen-Selen-Bindungen und Carbon-Selen-Wechselwirkungen unter Kompression stehen können, was möglicherweise in höherer elektrischer Leitfähigkeit innerhalb des Carbongerüsts, innerhalb der Selenteilchen und unter den Carbon- und Selenschnittflächen resultiert, was beim Erzielen der beobachteten Zyklisierungsperformanz bei hohen C-Raten helfen kann.The Li-Se battery comprising immobilized selenium; can regain its specific capacity to 670 mAh / g, 98% of its full capacity, when cycled at a 0.1C rate at the start of the test. It is believed that (1) the stabilization of selenium in the immobilized selenium cathode prevents selenium from exiting the carbon framework, prevents the selenium from shuttling between the cathode and anode during cycling, which enables the battery to improve To exhibit cycling performance; (2) Sp 2 carbon-carbon bonds as well as carbon skeleton, selenium-selenium bonds and carbon-selenium interactions can be under compression, which may result in higher electrical conductivity within the carbon skeleton, within the selenium particles and under the carbon and selenium cut surfaces, which can aid in achieving the observed cycling performance at high C-rates.
Die Masse aus immobilisiertem Selen, die Selen und Carbon umfasst, die in Übereinstimmung mit den hierin beschriebenen Konzepten vorbereitet wird, kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
- (a) eine kinetische Energie, die erforderlich ist, damit ein Selenteilchen dem immobilisierten Selen entkommt, kann ≥ 9,5 kJ/mol ≥ 9,7 kJ/mol ≥ 9,9 kJ/mol ≥ 10,1 kJ/mol ≥ 10,3 kJ/mol oder ≥ 10,5 kJ/mol betragen;
- (b) eine Temperatur, die erforderlich ist, damit ein Selenteilchen dem immobilisierten Selen entkommen kann, kann ≥ 490 °C, ≥ 500 °C, ≥ 510°C, ≥ 520 °C, ≥ 530 °C, ≥ 540 °C, ≥ 550 °C oder ≥ 560 °C betragen;
- (c) das Carbon kann eine Oberfläche (für Poren kleiner
als 20 Angström) von ≥ 500 m2/g, ≥ 600 m2/g, ≥ 700m2/g, ≥ 800 m2/g, ≥ 900 m2/g oder ≥ 1.000 m2/g betragen; - (d) das Carbon kann eine Oberfläche (für Poren zwischen 20 Ångström und 1000 Angström) von ≤ 20 %, ≤ 15 %, ≤ 10 %, ≤ 5 %, ≤ 3 %, ≤ 2 %, ≤ 1 % der gesamten Oberfläche aufweisen;
- (e) das Carbon und/oder das Selen kann unter Kompression stehen. Vorteile des immobilisierten Selens, bei dem das Carbon und/oder das Selen unter Kompression stehen, gegenüber einem Carbon-Selen-System, bei dem das Carbon und/oder das Selen nicht unter Kompression stehen, können aufweisen: verbesserten Elektronenfluss, reduzierten Widerstand gegen Elektronenfluss oder beides, was die Elektronenlieferung zu Selen und von den Selen-Anionen während des Ladens und Entladens einer wiederaufladbaren Batterie, die eine Kathode aufweist, die aus dem immobilisierten Selen besteht, erleichtern kann;
- (f) das immobilisierte Selen kann Selen umfassen, das eine Aktivierungsenergie aufweist, die höher ist als die für herkömmliches (nicht immobilisiertes) Selen, damit das Selen aus dem immobilisierten Se-C-Verbundmaterialsystem entweicht. Bei einem Beispiel wurde die Aktivierungsenergie für nicht-immobilisiertes Selen (Se-Super-P-Verbundmaterialsystem) als 92 kJ/mol gemäß dem Verfahren ASTM E1641-16 bestimmt. Dagegen kann die Aktivierungsenergie für Selen in dem immobilisierten Selen, das Selen und Carbon umfasst, ≥ 95 kJ/mol, ≥ 98 kJ/mol, ≥ 101 kJ/mol, ≥ 104 kJ/mol, ≥107 kJ/mol oder ≥ 110 kJ/mol betragen. Bei einem anderen Beispiel kann die Aktivierungsenergie für Selen in dem immobilisierten Selen, das Selen und Carbon umfasst, ≥ 3 %, ≥ 6 %, ≥ 9 %, ≥ 12 %, ≥ 15 % oder ≥ 18 % > größer sein als für Selen in dem Se-Super-P-Verbundmaterial;
- (g) das immobilisierte Selen kann Selen umfassen, das eine höhere Stoßfrequenz aufweist als nicht immobilisiertes Selen. Bei einem Beispiel wurde die Stoßfrequenz für nicht immobilisiertes Selen gemäß dem Verfahren ATSM E1641-16
als 2,27×105 bestimmt. Dagegen kann bei einem anderen Beispiel die Stoßfrequenz für Selen in immobilisiertem Selen, das Selen und Carbon umfasst, ≥ 2,5×105, ≥ 3,0×105, ≥ 3,5×105, ≥ 4,0×105, ≥ 4,5×105, ≥ 5,0×105, ≥ 5,5×105, ≥ 6,0×105 oder ≥ 8,0×105 betragen. Das immobilisierte Selen kann eine Stoßfrequenz ≥ 10 %, ≥ 30 %, ≥ 50 %, ≥ 80 %, ≥ 100 %, ≥ 130 %, ≥ 150 %, ≥ 180 % oder ≥ 200 % als die für nicht immobilisiertes Selen in einem Se-C-Verbundmaterial aufweisen; und - (h) das immobilisierte Selen kann Selen, das eine kinetische Geschwindigkeitskonstante umfasst, die ≤ 1:5, ≤ 1:10, ≤ 1:50, ≤ 1:100, ≤ 1:500 oder ≤ 1:1000 der Geschwindigkeitskonstante für nicht-immobilisiertes/herkömmliches Selen beträgt, umfassen. Bei einem Beispiel kann das immobilisierte Selen Selen umfassen, das eine Geschwindigkeitskonstante (bei 50 °C) von ≤ 1×10-10, ≤ 5×10-11, ≤ 1×10-11, ≤ 5×10-12 oder ≤ 5×10-13 aufweist.
- (a) a kinetic energy that is necessary for a selenium particle to escape the immobilized selenium can be ≥ 9.5 kJ / mol ≥ 9.7 kJ / mol ≥ 9.9 kJ / mol ≥ 10.1 kJ / mol ≥ 10 , 3 kJ / mol or ≥ 10.5 kJ / mol;
- (b) a temperature required for a selenium particle to escape the immobilized selenium can be ≥ 490 ° C, ≥ 500 ° C, ≥ 510 ° C, ≥ 520 ° C, ≥ 530 ° C, ≥ 540 ° C, Be ≥ 550 ° C or ≥ 560 ° C;
- (c) the carbon can have a surface (for pores less than 20 angstroms) 2 / g of ≥ 500 m, ≥ 600 m 2 / g, ≥ 700 m 2 / g, ≥ 800 m 2 / g, ≥ 900 m 2 / g or ≥ 1,000 m 2 / g;
- (d) the carbon can have a surface area (for pores between 20 Angstroms and 1000 Angstroms) of ≤ 20%, ≤ 15%, ≤ 10%, ≤ 5%, ≤ 3%, ≤ 2%, ≤ 1% of the total surface ;
- (e) the carbon and / or the selenium can be under compression. Advantages of the immobilized selenium, in which the carbon and / or the selenium are under compression, compared to a carbon-selenium system, in which the carbon and / or the selenium are not under compression, can have: improved electron flow, reduced resistance to electron flow, or both, which may facilitate electron delivery to selenium and from the selenium anions during charging and discharging of a rechargeable battery having a cathode comprised of the immobilized selenium;
- (f) the immobilized selenium may comprise selenium which has an activation energy higher than that for conventional (non-immobilized) selenium in order for the selenium to escape from the immobilized Se-C composite material system. In one example, the activation energy for non-immobilized selenium (Se-Super-P composite system) was determined to be 92 kJ / mol according to method ASTM E1641-16. In contrast, the activation energy for selenium in the immobilized selenium comprising selenium and carbon can be 95 kJ / mol, 98 kJ / mol, J 101 kJ / mol, 104 kJ / mol, 107 kJ / mol or oder 110 kJ / mol. In another example, the activation energy for selenium in the immobilized selenium comprising selenium and carbon can be ≥ 3%, ≥ 6%, ≥ 9%, ≥ 12%, ≥ 15% or ≥ 18%> greater than for selenium in FIG the Se-Super-P composite material;
- (g) the immobilized selenium may comprise selenium which has a higher collision frequency than non-immobilized selenium. In one example, the shock frequency for non-immobilized selenium was determined to be 2.27 × 10 5 according to the ATSM E1641-16 method. On the other hand, in another example, the collision frequency for selenium in immobilized selenium including selenium and carbon can be ≥ 2.5 × 10 5 , ≥ 3.0 × 10 5 , ≥ 3.5 × 10 5 , ≥ 4.0 × 10 5 , ≥ 4.5 × 10 5 , ≥ 5.0 × 10 5 , ≥ 5.5 × 10 5 , ≥ 6.0 × 10 5 or ≥ 8.0 × 10 5 . The immobilized selenium can have a shock frequency ≥ 10%, ≥ 30%, ≥ 50%, ≥ 80%, ≥ 100%, ≥ 130%, ≥ 150%, ≥ 180% or ≥ 200% than that for non-immobilized selenium in a Se -C composite material; and
- (h) the immobilized selenium can be selenium which comprises a kinetic rate constant that is ≤ 1: 5, ≤ 1:10, ≤ 1:50, ≤ 1: 100, ≤ 1: 500 or ≤ 1: 1000 of the rate constant for non- immobilized / conventional selenium. In one example, the immobilized selenium may comprise selenium which has a rate constant (at 50 ° C.) of 1 × 10 -10 , 5 × 10 -11 , 1 × 10 -11 , 5 × 10 -12 or 5 × 10 -13 .
Mit dem Carbon und/oder Selen des immobilisierten Selens unter Kompression, können das D-Band und/oder das G-Band des Raman-Spektrums für die Sp2-C-C-Bindungen des Carbons (oder Carbongerüsts, das von dem Carbon definiert wird) des immobilisierten Selens eine (positive) Rotverschiebung darlegen, zum Beispiel um ≥ 1 cm-1, ≥ 2 cm-1, ≥ 3 cm-1, ≥ 4 cm-1 oder ≥ 5 cm-1 von einem Carbon-Ausgangsmaterial.With the carbon and / or selenium of the immobilized selenium under compression, the D-band and / or the G-band of the Raman spectrum for the Sp 2 -CC bonds of the carbon (or carbon skeleton, which is defined by the carbon) of the immobilized selenium demonstrate a (positive) red shift, for example by ≥ 1 cm -1 , ≥ 2 cm -1 , ≥ 3 cm -1 , ≥ 4 cm -1 or ≥ 5 cm -1 from a carbon starting material.
Mit dem Carbon und/oder Selen des immobilisierten Selens unter Kompression, kann das Selen eine (positive) Rotverschiebung von dem Raman-Peak des reinen Selens (235 cm-1) aufweisen, zum Beispiel um ≥ 4cm-1, ≥ 6 cm-1, ≥ 8 cm-1, ≥ 10 cm-1, ≥ 12 cm-1, ≥ 14 cm-1 oder ≥ 16 cm-1, wobei die Rotverschiebung Kompression auf den Selenteilchen nahelegen kann.With the carbon and / or selenium of the immobilized selenium under compression, the selenium can exhibit a (positive) red shift from the Raman peak of pure selenium (235 cm -1 ), for example by ≥ 4 cm -1 , ≥ 6 cm -1 , ≥ 8 cm -1 , ≥ 10 cm -1 , ≥ 12 cm -1 , ≥ 14 cm -1 or ≥ 16 cm -1 , whereby the redshift may suggest compression on the selenium particles.
Das immobilisierte Selen kann eine elementare Form von Selen und/oder ein Selengemisch sein.The immobilized selenium can be an elemental form of selenium and / or a selenium mixture.
Das immobilisierte Selen, das Selen und Carbon umfasst, kann auch mit einem oder mehreren zusätzlichen Elementen aus der Gruppe 6 der Tabelle des periodischen Systems dotiert werden (unten „zusätzliche(s) G6-Element(e)“ genannt), einschließlich zum Beispiel und ohne Einschränkung Schwefel und/oder Tellur. Das Dotierstoffniveau kann von so niedrig wie 100 Gew.-ppm bis so hoch wie 85 % des Gesamtgewichts des immobilisierten Selens reichen. Bei einem Beispiel kann das immobilisierte Selen 15 % bis 70 % Carbon und 30 % bis 85 % Selen und optional (ein) zusätzliche(s) G6-Element(e) umfassen. Bei einem Beispiel kann das immobilisierte Selen ein Gemisch aus (1) 15 % bis 70 % Carbon und (2) 30 % bis 85 % Selen + (ein) einem zusätzlich/zusätzlichen G6-Element(en) umfassen. In dem Gemisch, das Selen + ein zusätzliches/zusätzliche G6-Element(e) umfasst, können das zusätzliche/die zusätzlichen G6-Element(e) zwischen 0,1 % und 99 % des Gemischs ausmachen, und Selen kann zwischen 1 % und 99,9 % des Gemischs ausmachen. Diese Bereiche von Selen + zusätzlichem/zusätzlichen G6-Element(en) dürfen jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden.The immobilized selenium, which comprises selenium and carbon, can also be doped with one or more additional elements from
Das immobilisierte Selen kann ≥ 5 % Selen, ≥ 10 % Selen, ≥ 20 % Selen, ≥ 30 % Selen, ≥ 40 % Selen, ≥ 50 % Selen, ≥ 60 % Selen, oder ≥ 70 % oder einen höheren Prozentsatz an Selen beinhalten.The immobilized selenium can contain ≥ 5% selenium, ≥ 10% selenium, ≥ 20% selenium, ≥ 30% selenium, ≥ 40% selenium, ≥ 50% selenium, ≥ 60% selenium, or ≥ 70% or a higher percentage of selenium .
Das immobilisierte Selen kann optional ein anderes Element beinhalten, wie zum Beispiel Schwefel, Tellur usw.The immobilized selenium may optionally include another element such as sulfur, tellurium, etc.
Das immobilisierte Selen kann Raman-inaktiv oder Raman-aktiv sein. Falls es Raman-aktiv ist, kann das immobilisierte Selen eine relative Raman-Peak-Stärke bei 255+25 cm-1, bei 255+15 cm-1 oder bei 255+10 cm-1 aufweisen.The immobilized selenium can be Raman-inactive or Raman-active. If it is Raman-active, the immobilized selenium can have a relative Raman peak strength at 255 + 25 cm -1 , at 255 + 15 cm -1 or at 255 + 10 cm -1 .
Das immobilisierte Selen kann Selen umfassen, das eine relative Raman-Peak-Stärke von ≥ 0,1 %, ≥ 0,5 %, ≥ 1 %, ≥ 3 % oder ≥ 5 % aufweist, wobei hierin die relative Raman-Peak-Stärke als die Fläche des Raman-Peaks bei 255 cm-1 bezüglich der Fläche des D-Band-Peaks des Carbon-Raman-Spektrums definiert ist.The immobilized selenium can comprise selenium which has a relative Raman peak strength of 0.1%, 0.5%, 1%, 3% or 5%, here being the relative Raman peak strength is defined as the area of the Raman peak at 255 cm -1 with respect to the area of the D-band peak of the carbon Raman spectrum.
Das Carbon, das das immobilisierte Selen umfasst, kann als ein Carbongerüst für Selen-Immobilisation verwendet werden. Das Carbongerüst kann Sp2-Carbon-Carbon-Bindungen mit einem Raman-D-Band bei 1365 ± 100 cm-1 und G-Band bei 1589 ± 100 cm-1; ein D-Band bei 1365 + 70 cm-1 und ein G-Band bei 1589 + 70 cm-1, ein D-Band bei 1365 + 50 cm-1 und ein G-Band bei 1589 ± 50 cm-1, ein D-Band bei 1365 ± 30 cm-1 und ein G-Band bei 1589 ± 30 cm-1, oder ein D-Band bei 1365 ± 20 cm-1 und ein G-Band bei 1589 ± 20 cm-1 liegend aufweisen.The carbon comprising the immobilized selenium can be used as a carbon skeleton for selenium immobilization. The carbon backbone can have Sp 2 carbon-carbon bonds with a Raman D-band at 1365 ± 100 cm -1 and G-band at 1589 ± 100 cm -1 ; a D-band at 1365 + 70 cm -1 and a G-band at 1589 + 70 cm -1 , a D-band at 1365 + 50 cm -1 and a G-band at 1589 ± 50 cm -1 , a D -Band at 1365 ± 30 cm -1 and a G-Band at 1589 ± 30 cm -1 , or a D-Band at 1365 ± 20 cm -1 and a G-Band at 1589 ± 20 cm -1 .
Das Carbon des immobilisierten Selens kann Sp2-Carbon-Carbon-Bindungen beinhalten, die Raman-Peaks aufweisen, die ein D-Band und ein G-Band umfassen. Ein Verhältnis der Fläche des D-Bands zu dem G-Band kann von 0,01 bis 100 von 0,1 bis 50 oder von 0,2 und 20 reichen.The carbon of the immobilized selenium may include Sp 2 carbon-carbon bonds that have Raman peaks that include a D-band and a G-band. A ratio of the area of the D-band to the G-band can range from 0.01 to 100, from 0.1 to 50, or from 0.2 to 20.
Das Carbon des immobilisierten Selens kann Sp2-Carbon-Carbon-Bindungen beinhalten, die Raman-Peaks aufweisen, die ein D-Band und ein G-Band umfassen. Jedes des D-Bands und des G-Bands kann eine Verschiebung zu einer höheren Wellenzahl ≥ 1 cm-1, ≥ 2 cm-1 oder mehr aufweisen.The carbon of the immobilized selenium may include Sp 2 carbon-carbon bonds that have Raman peaks that include a D-band and a G-band. Each of the D-band and the G-band may have a shift to a higher wavenumber ≥ 1 cm -1 , ≥ 2 cm -1, or more.
Das Carbon des immobilisierten Selens kann mit einem oder mehreren anderen Elementen der Tabelle des periodischen Systems dotiert werden.The carbon of the immobilized selenium can be doped with one or more other elements of the table of the periodic table.
Das Carbon des immobilisierten Selens kann porig sein. Die Porengrößenverteilung des Carbongerüsts kann zwischen einem Angström und einigen Mikrometern liegen. Die Porengrößenverteilung kann mindestens einen Peak aufweisen, der sich zwischen einem Ångström und 1000 Angström, zwischen einem Ångström und 100 Angström, zwischen einem Ångström und 50 Angström, zwischen einem Angström und 30 Angström oder zwischen einem Angström und 20 Ångström befindet. Die Porosität des Carbongerüsts kann Porengrößenverteilungen mit mehr als einem Peak in den obenstehenden Bereichen aufweisen.The carbon of the immobilized selenium can be porous. The pore size distribution of the carbon framework can be between one Angstrom and a few micrometers. The pore size distribution may have at least one peak located between one Angstrom and 1000 Angstrom, between one Angstrom and 100 Angstrom, between one Angstrom and 50 Angstrom, between one Angstrom and 30 Angstrom or between one Angstrom and 20 Angstrom. The porosity of the carbon framework can have pore size distributions with more than one peak in the above ranges.
Das Carbon des immobilisierten Selens kann ein Porenvolumen zwischen 0,01 ml/g and 5 ml/g; zwischen 0,01 ml/g und 3 ml/g; zwischen 0,03 ml/g und 2,5 ml/g; oder zwischen 0,05 ml/g und 2,0 ml/g beinhalten.The carbon of the immobilized selenium can have a pore volume between 0.01 ml / g and 5 ml / g; between 0.01 ml / g and 3 ml / g; between 0.03 ml / g and 2.5 ml / g; or between 0.05 ml / g and 2.0 ml / g.
Das Carbon des immobilisierten Selens kann ein Porenvolumen (das eine Porengröße < 100 Angström, < 50 Angström, < 30 Angström oder < 20 Angström aufweist) beinhalten, das > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 % oder > 80 % des gesamten messbaren Porenvolumens ausmacht.The carbon of the immobilized selenium can have a pore volume (which has a pore size <100 Angstroms, <50 Angstroms, <30 Angstroms or <20 Angstroms) which is> 30%,> 40%,> 50%,> 60%,> 70 % or> 80% of the total measurable pore volume.
Das Carbon des immobilisierten Selens kann eine Oberfläche > 400 m2/g, > 500 m2/g, > 600 m2/g, > 700 m2/g, > 800 m2/g, > 900 m2/g oder > 1000 m2/g beinhalten.The carbon of the immobilized selenium can have a surface area> 400 m 2 / g,> 500 m 2 / g,> 600 m 2 / g,> 700 m 2 / g,> 800 m 2 / g,> 900 m 2 / g or > 1000 m 2 / g.
Das Carbon des immobilisierten Selens kann amorph sein und kann einen breiten Peak aufweisen, der an einem d-Spacing um 5,2 Ångström zentriert ist.The carbon of the immobilized selenium can be amorphous and can have a broad peak centered at a d-spacing about 5.2 angstroms.
Das Carbon des immobilisierten Selens kann eine beliebige Morphologie aufweisen, nämlich Plättchen, Kugel, Faser, Nadel, Röhre, unregelmäßig, zusammenhängend, agglomeriert, einzeln oder beliebige Feststoffpartikel. Plättchen, Faser, Nadel, Röhre oder eine Morphologie, die ein bestimmtes Seitenverhältnis aufweist, kann zum Erzielen eines besseren Kontakts zwischen Teilchen günstig sein, was in verbesserter elektrischer Leitfähigkeit (gegenüber immobilisiertem Selen, das aus einem unterschiedlichen Seitenverhältnis hergestellt ist) resultiert, was für eine elektrochemische Zelle, wie eine wiederaufladbare Batterie, günstig sein kann.The carbon of the immobilized selenium can have any desired morphology, namely platelets, spheres, fibers, needles, tubes, irregular, contiguous, agglomerated, single or any solid particles. Platelet, fiber, needle, tube, or a morphology that has a certain aspect ratio may be beneficial for achieving better contact between particles, resulting in improved electrical conductivity (versus immobilized selenium made from a different aspect ratio), which for an electrochemical cell, such as a rechargeable battery, can be inexpensive.
Das Carbon des immobilisierten Selens kann eine beliebige Teilchengröße aufweisen, mit einer mittleren Teilchengröße zwischen 1 und 9 Nanometer und 2 Millimeter, zwischen 1 und 9 Nanometer bis < 1000 Mikrometer oder zwischen 20 Nanometer und 100 Mikrometer.The carbon of the immobilized selenium can have any particle size, with an average particle size between 1 and 9 nanometers and 2 millimeters, between 1 and 9 nanometers to <1000 micrometers or between 20 nanometers and 100 micrometers.
Das Selen des immobilisierten Selens kann amorph sein, wie zum Beispiel durch Röntgen-Beugung bestimmt. Der Beugungs-Peak des Selens des immobilisierten Selens, das ein d-Spacing um 5,2 Ångström aufweisen kann, kann schwächer sein als der Beugungs-Peak für das Carbongerüst, zum Beispiel 10 % schwächer, 20 % schwächer, 30 % schwächer oder 40 % schwächer.The selenium of the immobilized selenium can be amorphous, as determined, for example, by X-ray diffraction. The diffraction peak of the selenium of the immobilized selenium that ad-spaced around 5.2 Angstroms may have, can be weaker than the diffraction peak for the carbon framework, for example 10% weaker, 20% weaker, 30% weaker or 40% weaker.
Bei einem Beispiel kann das Verfahren zum Vorbereiten des immobilisierten Selens beinhalten:
- (a) physisches Mischen von Carbon und Selen. Das physische Mischen kann durch (trockenes oder nasses) Kugelmühlenmahlen, (trockenes oder nasses) Mischen mit Mörser und Mörserkeule, Strahlmühlenmahlen, horizontales Mahlen, Attritionsmahlen, Mischen mit hoher Scherwirkung in Slurries, herkömmliches Slurry-Mischen mit einer Klinge usw. erfolgen.
- (b) das physisch gemischte Carbon und Selen des Schritts (a) können bis zu der Schmelztemperatur des Selens oder darüber erhitzt werden. Das Erhitzen des Gemischs aus Carbon und Selen kann bei Anwesenheit einer Inertgasumgebung erfolgen, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, Argon, Helium, Stickstoff usw. oder in einer Luft- oder reaktiven Umgebung.
- (c) optional Homogenisieren oder Vermengen des erhitzten Carbons und Selens, um Selen-Immobilisation zu erzielen.
- (d) Abkühlen des immobilisierten Selens des Schritts (c) auf Umgebungs- oder Raumtemperatur.
- (a) physically mixing carbon and selenium. The physical mixing can be done by ball milling (dry or wet), mortar and pestle (dry or wet) mixing, jet milling, horizontal milling, attrition milling, high shear mixing in slurries, conventional slurry mixing with a blade, etc.
- (b) The physically mixed carbon and selenium of step (a) can be heated to or above the melting temperature of the selenium. The heating of the mixture of carbon and selenium can be in the presence of an inert gas environment, such as, but not limited to, argon, helium, nitrogen, etc., or in an air or reactive environment.
- (c) optionally homogenizing or blending the heated carbon and selenium to achieve selenium immobilization.
- (d) cooling the immobilized selenium of step (c) to ambient or room temperature.
Bei einem anderen Beispiel kann das immobilisierte Selen durch Lösen von Selen auf Carbon gefolgt von Verdampfen vorbereitet werden. Das Lösemittel zum Lösen von Selen kann ein Alkohol, ein Ether, ein Ester, ein Keton, ein Kohlenwasserstoff, ein halogenierter Kohlenwasserstoff, ein stickstoffhaltiges Verbundmaterial, ein phosphorhaltiges Verbundmaterial, ein schwefelhaltiges Verbundmaterial, Wasser usw. sein.In another example, the immobilized selenium can be prepared by dissolving selenium on carbon followed by evaporation. The solvent for dissolving selenium may be an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing composite material, a phosphorus-containing composite material, a sulfur-containing composite material, water, and so on.
Bei einem anderen Beispiel kann das immobilisierte Selen durch Schmelzen von Selen auf Carbon, gefolgt von Entfernen von Extra- oder überschüssigem nichtimmobilisierten Selen zubereitet werden.In another example, the immobilized selenium can be prepared by melting selenium on carbon followed by removing extra or excess unimmobilized selenium.
Bei einem Beispiel kann das Verfahren zum Herstellen des immobilisierten Selens beinhalten:
- (a) Vermischen von Selen und Carbon unter trockenen oder nassen Bedingungen;
- (b) optional Trocknen des Gemischs des Schritts (a) bei einer hohen Temperatur;
- (c) optional Pelletieren des getrockneten Gemischs des Schritts (b);
- (d) Schmelzen des Selens in das Carbon, um das immobilisierte Selen zu erzeugen.
- (a) mixing selenium and carbon under dry or wet conditions;
- (b) optionally drying the mixture of step (a) at a high temperature;
- (c) optionally pelletizing the dried mixture of step (b);
- (d) melting the selenium into the carbon to produce the immobilized selenium.
Immobilisiertes Selen kann als ein Kathodenmaterial für eine wiederaufladbare Batterie verwendet werden. Die Kathode kann einen anorganischen oder einen organischen Binder beinhalten. Der anorganische Binder kann aus einem natürlichen Produkt bestehen, wie zum Beispiel aus CMC, oder aus einem synthetischen Produkt, zum Beispiel aus einem SBR-Kautschuk-Latex. Die Kathode kann einen optionalen Förderer elektrischer Leitfähigkeit beinhalten, wie zum Beispiel von Graphit abstammende Teilchen, Graphen, Carbonnanoröhren, Carbonnanoblätter, Carbon Blacks usw. Schließlich kann die Kathode einen Ladungskollektor beinhalten, wie zum Beispiel eine Aluminiumfolie, eine Kupferfolie, eine Carbonfolie, ein Carbongewebe oder andere metallische Folie.Immobilized selenium can be used as a cathode material for a rechargeable battery. The cathode can contain an inorganic or an organic binder. The inorganic binder can consist of a natural product, such as, for example, CMC, or of a synthetic product, for example, an SBR rubber latex. The cathode may include an optional promoter of electrical conductivity, such as particles derived from graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon nanosheets, carbon blacks, etc. Finally, the cathode may include a charge collector, such as aluminum foil, copper foil, carbon foil, carbon cloth or other metallic foil.
Das Verfahren zum Herstellen der Kathode kann das Beschichten eines immobilisierten selenhaltigen Slurry auf den Ladungskollektor, gefolgt von Trocknen des Slurry, der auf den Ladungskollektor aufgetragen wurde (zum Beispiel Lufttrocknen, Ofentrocknen, Vakuumofentrocknen usw.), beinhalten. Das immobilisierte Selen kann in den Slurry dispergiert werden, der durch einen Mixer mit hoher Scherwirkung, einen herkömmlichen Mixer, einen Planetenmixer, einen Doppelplanetenmixer, eine Kugelmühle, einen vertikalen Attritor, eine horizontale Mühle usw. vorbereitet werden kann. Der Slurry kann auf den Ladungskollektor gefolgt von Trocknen in Luft oder in Vakuum aufgetragen werden. Die beschichtete Kathode kann dann vor ihrer Verwendung in einer wiederaufladbaren Batterie verpresst oder walzgemahlen (oder kalandriert) werden.The method of making the cathode may involve coating an immobilized selenium-containing slurry on the charge collector, followed by drying the slurry that has been applied to the charge collector (e.g., air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). The immobilized selenium can be dispersed in the slurry, which can be prepared by a high-shear mixer, a conventional mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical attritor, a horizontal mill, and so on. The slurry can be applied to the charge collector followed by drying in air or in vacuum. The coated cathode can then be pressed or roll milled (or calendered) prior to use in a rechargeable battery.
Eine wiederaufladbare Batterie kann durch Verwenden des immobilisierten Selens, das hierin beschrieben ist, hergestellt werden. Die wiederaufladbare Batterie kann eine Kathode beinhalten, die das immobilisierte Selen umfasst, eine Anode und einen Separator, der die Anode und die Kathode trennt. Die Anode, die Kathode und der Separator können in einen Elektrolyt, wie zum Beispiel in LiPF6, getaucht werden. Die Anode kann aus Lithium, Natrium, Silizium, Graphit, Magnesium, Zinn usw. bestehen.A rechargeable battery can be manufactured by using the immobilized selenium described herein. The rechargeable battery may include a cathode comprising the immobilized selenium, an anode, and a separator that separates the anode and the cathode. The anode, the cathode and the separator can be immersed in an electrolyte such as LiPF 6 . The anode can be made of lithium, sodium, silicon, graphite, magnesium, tin, etc.
Der Separator kann aus einem organischen Separator, einem anorganischen Separator oder einem Festelektrolytseparator bestehen. Der organische Separator kann ein Polymer umfassen, wie zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen, Polyester, ein halogeniertes Polymer, ein Polyether, ein Polyketon usw. Der anorganische Separator kann eine Glas- oder Quarzfaser oder einen Festelektrolytseparator umfassen.The separator can consist of an organic separator, an inorganic separator or a solid electrolyte separator. The organic separator can comprise a polymer, such as Polyethylene, polypropylene, polyester, a halogenated polymer, a polyether, a polyketone, etc. The inorganic separator may comprise a glass or quartz fiber or a solid electrolyte separator.
Der Elektrolyt kann Lithiumsalz, ein Natriumsalz oder ein anderes Salz aus der Gruppe IA, IIA und IIIA in einem organischen Lösemittel umfassen. Das organische Lösemittel kann aus einem organischen Carbonatgemisch, einem Ether, einem Alkohol, einem Ester, einem Kohlenwasserstoff, einem halogenierten Kohlenwasserstoff, einem lithiumhaltigen Lösemittel usw. bestehen.The electrolyte can comprise a lithium salt, a sodium salt or another salt from Group IA, IIA and IIIA in an organic solvent. The organic solvent can consist of an organic carbonate mixture, an ether, an alcohol, an ester, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a lithium-containing solvent, etc.
Die wiederaufladbare Batterie kann für Elektronik, ein elektrisches oder Hybridfahrzeug, eine Industrieanwendung, eine militärische Anwendung, wie eine Drohne, eine Luft-Raumfahrtanwendung, eine Marineanwendung usw. verwendet werden.The rechargeable battery can be used for electronics, an electric or hybrid vehicle, an industrial application, a military application such as a drone, an aerospace application, a marine application, and so on.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine elektrochemische Kapazität von ≥ 400 mAh/g aktiver Selenmenge, ≥ 450 mAh/g aktiver Selenmenge, ≥ 500 mAh/g aktiver Selenmenge, ≥ 550 mAh/g aktiver Selenmenge oder ≥ 600 mAh/g aktiver Selenmenge aufweisen.The rechargeable battery can have an electrochemical capacity of ≥ 400 mAh / g of active amount of selenium, ≥ 450 mAh / g of active amount of selenium, ≥ 500 mAh / g of active amount of selenium, ≥ 550 mAh / g of active amount of selenium or ≥ 600 mAh / g of active amount of selenium.
Die wiederaufladbare Batterie kann elektrochemisches Zyklisieren während ≥ 50 Zyklen, ≥ 75 Zyklen, ≥ 100 Zyklen, ≥ 200 Zyklen usw. erfahren.The rechargeable battery can experience electrochemical cycling for ≥ 50 cycles, ≥ 75 cycles, ≥ 100 cycles, ≥ 200 cycles, and so on.
Die wiederaufladbare Batterie kann mit 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 1,5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C oder schneller geladen und/oder entladen werden.The rechargeable battery can be charged and / or discharged at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine spezifische Kapazität der Batterie > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 % oder > 80 % der 2. spezifischen Entladekapazität bei einer Zyklisierungsrate von 0,1C nach dem Ausführen von Lade-Entlade-Zyklisieren mit hoher C-Rate (zum Beispiel 5 Zyklen mit 0,1C, 5 Zyklen mit 0,2C, 5 Zyklen mit 0,5C, 5 Zyklen mit IC, 5 Zyklen mit 2C, 5 Zyklen mit 5C und 5 Zyklen mit 10C) behalten.The rechargeable battery can have a specific capacity of the battery> 30%,> 40%,> 50%,> 60%,> 70% or> 80% of the 2nd specific discharge capacity at a cycling rate of 0.1C after charging Discharge cycling at a high C rate (for example 5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles with IC, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C and 5 cycles with 10C).
Die wiederaufladbare Batterie kann eine coulombsche Effizienz von ≥ 50 %, ≥ 60 %, ≥ 70 %, ≥ 80 % oder ≥ 90 % oder sogar etwa 100 % aufweisen.The rechargeable battery can have a Coulomb efficiency of 50%, 60%, 70%, 80% or 90% or even about 100%.
Die coulombsche Effizienz einer Batterie wird wie folgt definiert:
Qout die Menge an Ladung ist, die aus der Batterie während eines Entladezyklus austritt.Q out is the amount of charge leaked from the battery during a discharge cycle.
Qin die Menge an Ladung ist, die in die Batterie während eines Ladezyklus eintritt.Q in is the amount of charge that enters the battery during a charge cycle.
Die wiederaufladbare Batterie kann mit einer C-Rate von 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 1,5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C oder schneller geladen werden. Eine C-Rate ist ein Maß der Rate, mit der eine Batterie bezüglich ihrer maximalen Kapazität entladen wird. Eine Rate 1C bedeutet zum Beispiel, dass der Entladestrom die gesamte Batterie in 1 Stunde entladen wird. Für eine Batterie mit einer Kapazität von 100 Ah, entspricht das zum Beispiel einem Entladestrom von 100 A. Eine Rate 5C für dieselbe Batterie wäre 500A, und eine Rate 0,5C wäre 50 A.The rechargeable battery can be charged at a C rate of 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster. A C-rate is a measure of the rate at which a battery is discharged from its maximum capacity. For example, a rate of 1C means that the discharge current will discharge the entire battery in 1 hour. For a battery with a capacity of 100 Ah, for example, this corresponds to a discharge current of 100 A. A
Die Kathode der wiederaufladbaren Batterie kann ein oder mehrere Elemente einer Chalkogen-Gruppe umfassen, wie Selen, Schwefel, Tellur und Sauerstoff.The cathode of the rechargeable battery can comprise one or more elements of a chalcogen group, such as selenium, sulfur, tellurium and oxygen.
Die Anode der wiederaufladbaren Batterie kann mindestens ein Element aus Alkalimetall, Erdalkalimetallen und Metallen der Gruppe IIIA umfassen.The anode of the rechargeable battery may include at least one of alkali metal, alkaline earth metals, and Group IIIA metals.
Der Separator der wiederaufladbaren Batterie kann einen organischen Separator oder einen anorganischen Separator umfassen.The separator of the rechargeable battery may comprise an organic separator or an inorganic separator.
Der Elektrolyt der wiederaufladbaren Batterie kann mindestens ein Element aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Metallen der Gruppe IIIA umfassen; und ein Lösemittel des Elektrolyts kann ein organisches Lösemittel auf Carbon-, Ether- oder Ester-Basis umfassen.The electrolyte of the rechargeable battery may include at least one of alkali metals, alkaline earth metals, and Group IIIA metals; and a solvent of the electrolyte may comprise an organic solvent based on carbon, ether or ester.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine spezifische Kapazität von ≥ 400 mAh/g, ≥ 450 mAh/g, ≥ 500 mAh/g, ≥ 550 mAh/g oder ≥ 600 mAh/g aufweisen.The rechargeable battery can have a specific capacity of ≥ 400 mAh / g, ≥ 450 mAh / g, ≥ 500 mAh / g, ≥ 550 mAh / g or ≥ 600 mAh / g.
Die wiederaufladbare Batterie kann elektrochemisches Zyklisieren während ≥ 50 Zyklen, ≥ 75 Zyklen, ≥ 100 Zyklen, ≥ 200 Zyklen usw. erfahren.The rechargeable battery can experience electrochemical cycling for ≥ 50 cycles, ≥ 75 cycles, ≥ 100 cycles, ≥ 200 cycles, and so on.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine spezifische Kapazität der Batterie > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 % oder > 80 % der 2. spezifischen Entladekapazität bei einer Zyklisierungsrate von 0,1C nach dem Ausführen von Lade-Entlade-Zyklisieren mit hoher C-Rate (5 Zyklen mit 0,1C, 5 Zyklen mit 0,2C, 5 Zyklen mit 0,5C, 5 Zyklen mit 1C, 5 Zyklen mit 2C, 5 Zyklen mit 5C und 5 Zyklen mit 10C) aufweisen.The rechargeable battery can have a specific capacity of the battery> 30%,> 40%,> 50%,> 60%,> 70% or> 80% of the 2nd specific discharge capacity at a cycling rate of 0.1C after charging High C-rate discharge cycling (5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles at 1C, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C and 5 cycles at 10C) exhibit.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine coulombsche Effizienz von ≥ 50 %, ≥ 60 %, ≥ 70 %, ≥ 80 % oder ≥ 90 % aufweisen.The rechargeable battery can have a Coulomb efficiency of ≥ 50%, ≥ 60%, ≥ 70%, ≥ 80% or ≥ 90%.
Hierin ist ein Verbundmaterial, das Selen und Carbon umfasst, offenbart, wobei das Verbundmaterial eine Plättchenmorphologie mit einem Seitenverhältnis von ≥ 1, ≥ 2, ≥ 5, ≥ 10 oder ≥ 20 aufweisen kann.A composite material comprising selenium and carbon is disclosed herein, wherein the composite material can have a platelet morphology with an aspect ratio of 1 1, 2, 5, 10 or 20.
Das Selen des immobilisierten Selens kann amorph sein, zum Beispiel wie durch Röntgen-Beugung bestimmt. Der Beugungs-Peak des Selens des immobilisierten Selens, das ein d-Spacing um 5,2 Ångström aufweisen kann, kann schwächer sein als der für ein Carbongerüst, zum Beispiel 10 % schwächer, 20 % schwächer, 30 % schwächer oder 40 % schwächer als das Carbongerüst.The selenium of the immobilized selenium can be amorphous, for example as determined by X-ray diffraction. The diffraction peak of the selenium of the immobilized selenium, which can have ad-spacing around 5.2 angstroms, can be weaker than that for a carbon framework, for example 10% weaker, 20% weaker, 30% weaker or 40% weaker than the carbon frame.
Bei einem Beispiel kann das Verfahren zum Vorbereiten des Verbundmaterials beinhalten:
- (a) physisches Mischen von Carbon und Selen. Das physische Mischen kann durch (trockenes oder nasses) Kugelmühlenmahlen, (trockenes oder nasses) Mischen mit Mörser und Mörserkeule, Strahlmühlenmahlen, horizontales Mahlen, Attritionsmahlen, Mischen mit hoher Scherwirkung in Slurries, herkömmliches Slurry-Mischen mit einer Klinge usw. erfolgen;
- (b) das physisch vermischte Carbon und Selen des Schritts (a) können auf die Schmelztemperatur von Selen oder höher erhitzt werden, und das Erhitzen kann in Anwesenheit einer Inertgasumgebung auftreten, wie zum Beispiel Argon, Helium, Stickstoff usw., oder in einer Luft- oder reaktiven Umgebung; und
- (c) das erhitzte Carbon und Selen des Schritts (b) können als eine Unterstützung des Erzielens von Selen-Immobilisation homogenisiert oder vermengt werden.
- (a) physically mixing carbon and selenium. The physical mixing can be done by ball mill (dry or wet) milling, mortar and pestle (dry or wet) mixing, jet milling, horizontal milling, attrition milling, high shear mixing in slurries, conventional slurry mixing with a blade, etc .;
- (b) the physically mixed carbon and selenium of step (a) can be heated to the melting temperature of selenium or higher, and the heating can occur in the presence of an inert gas environment such as argon, helium, nitrogen, etc., or in air - or reactive environment; and
- (c) The heated carbon and selenium of step (b) can be homogenized or blended as an aid in achieving selenium immobilization.
Bei einem anderen Beispiel kann das Verbundmaterial durch Lösen von Selen auf Carbon gefolgt von Verdampfung vorbereitet werden. Das Lösemittel zum Lösen von Selen kann einen Alkohol, einen Ether, einen Ester, ein Keton, einen Kohlenwasserstoff, einen halogenierten Kohlenwasserstoff, ein stickstoffhaltiges Verbundmaterial, ein phosphorhaltiges Verbundmaterial, ein schwefelhaltiges Verbundmaterial, Wasser usw. beinhalten.In another example, the composite material can be prepared by dissolving selenium on carbon followed by evaporation. The solvent for dissolving selenium may include an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing composite, a phosphorus-containing composite, a sulfur-containing composite, water, and so on.
Das Verbundmaterial kann durch Schmelzen des Selens auf (oder in) das Carbon, gefolgt von Entfernen von Extra- oder überschüssigem nicht immobilisiertem Selen vorbereitet werden.The composite material can be prepared by melting the selenium on (or in) the carbon, followed by removal of extra or excess non-immobilized selenium.
Bei einem Beispiel kann ein Verfahren zum Vorbereiten des Verbundmaterials beinhalten:
- (a) Vermischen von Selen und Carbon unter trockenen oder nassen Bedingungen;
- (b) optional Trocknen des Gemischs des Schritts (a) bei einer hohen Temperatur;
- (c) optional Pelletieren des getrockneten Gemischs des Schritts (b);
- (d) Schmelzen des Selens in das Carbon, um das immobilisierte Selen zu erzeugen.
- (a) mixing selenium and carbon under dry or wet conditions;
- (b) optionally drying the mixture of step (a) at a high temperature;
- (c) optionally pelletizing the dried mixture of step (b);
- (d) melting the selenium into the carbon to produce the immobilized selenium.
Das Verbundmaterial kann als ein Kathodenmaterial für eine Kathode einer wiederaufladbaren Batterie verwendet werden. Die Kathode kann einen anorganischen oder einen organischen Binder beinhalten. Der anorganische Binder kann ein natürliches Produkt sein, wie zum Beispiel CMC, oder ein synthetisches Produkt, zum Beispiel SBR-KautschukLatex. Die Kathode kann einen optionalen Förderer elektrischer Leitfähigkeit beinhalten, wie zum Beispiel von Graphit abstammende kleine Teilchen, Graphen, Carbonnanoröhren, Carbonnanoblätter, Carbon Blacks usw. Schließlich kann die Kathode einen Stromladungskollektor beinhalten, wie zum Beispiel eine Aluminiumfolie, eine Kupferfolie, eine Carbonfolie, ein Carbongewebe oder andere metallische Folie.The composite material can be used as a cathode material for a cathode of a rechargeable battery. The cathode can contain an inorganic or an organic binder. The inorganic binder can be a natural product such as CMC, or a synthetic product such as SBR rubber latex. The cathode may include an optional promoter of electrical conductivity, such as small particles derived from graphite, graphene, carbon nanotubes, Carbon nanosheets, carbon blacks, etc. Finally, the cathode can include a current charge collector, such as an aluminum foil, a copper foil, a carbon foil, a carbon fabric or other metallic foil.
Das Verfahren zum Herstellen der Kathode kann das Beschichten eines immobilisierten selenhaltigen Slurry auf den Ladungskollektor gefolgt von Trocknen des Slurry, der auf den Ladungskollektor aufgetragen wurde (zum Beispiel Lufttrocknen, Ofentrocknen, Vakuumofentrocknen usw.) beinhalten. Das immobilisierte Selen kann in den Slurry dispergiert werden, der durch einen Mixer mit hoher Scherwirkung, einen herkömmlichen Mixer, einen Planetenmixer, einen Doppelplanetenmixer, eine Kugelmühle, einen vertikalen Attritor, eine horizontale Mühle usw. vorbereitet werden kann. Der Slurry kann auf den Ladungskollektor gefolgt von Trocknen in Raumluft oder in einem Vakuum aufgetragen werden. Die beschichtete Kathode kann dann vor ihrer Verwendung in einer wiederaufladbaren Batterie verpresst oder walzgemahlen (oder kalandriert) werden.The method of making the cathode may include coating an immobilized selenium-containing slurry on the charge collector followed by drying the slurry that has been applied to the charge collector (e.g., air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). The immobilized selenium can be dispersed in the slurry, which can be prepared by a high-shear mixer, a conventional mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical attritor, a horizontal mill, and so on. The slurry can be applied to the charge collector followed by drying in room air or in a vacuum. The coated cathode can then be pressed or roll milled (or calendered) prior to use in a rechargeable battery.
Eine wiederaufladbare Batterie kann durch Verwenden des oben beschriebenen Verbundmaterials hergestellt werden. Die wiederaufladbare Batterie kann mit 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 1,5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C oder schneller geladen werden.A rechargeable battery can be manufactured by using the composite material described above. The rechargeable battery can be charged at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster.
Beispiel 13: Vorbereitung des immobilisierten Selens, das mit Schwefel dotiert ist, Elektrode und Batterien davonExample 13: Preparation of the immobilized selenium doped with sulfur, electrode and batteries thereof
In Übereinstimmung mit den Konzepten und Vorgehensweisen, die in Beispiel 10 beschrieben sind, wurden 5 atomare % (at%) Selen, 20 at% Selen, 35 at% Selen und 50 at% Selen separat durch Schwefel in der Synthese des immobilisierten, mit Schwefel dotierten Selens, das in der folgenden Tabelle 4 ausführlich dargelegt ist, ersetzt. Proben des mit Schwefel dotierten immobilisierten Selens wurden mit dem Carbongerüst, das in Übereinstimmung mit den Konzepten und Vorgehensweisen, die in Beispiel 9 beschrieben sind, vorbereitet wurde, synthetisiert.
Tabelle 4
Die derart vorbereiteten Proben immobilisierten schwefeldotierten Selens wurden dann verwendet, um eine Anzahl von Kathoden 4 vorzubereiten, die immobilisiertes schwefeldotiertes Selen gemäß den Konzepten und Vorgehensweisen, die in Beispiel 11 für das immobilisierte Selen beschrieben sind, umfasst.The immobilized sulfur-doped selenium samples thus prepared were then used to prepare a number of
Die derart vorbereiteten Kathoden, die immobilisiertes schwefeldotiertes Selen umfassen, wurden bei diesem Beispiel dann verwendet, um Knopfzellenbatterien in Übereinstimmung mit den Konzepten und Vorgehensweisen, die in Beispiel 12 beschrieben sind, vorzubereiten.The cathodes so prepared, comprising immobilized sulfur-doped selenium, were then used in this example to prepare button cell batteries in accordance with the concepts and procedures described in Example 12.
Die zusammengefügten Knopfzellenbatterien wurden bei diesem Beispiel dann in dem Batterietestgerät, das in Beispiel 12 beschrieben ist, unter Befolgen derselben Testprotokolle, die auch in Beispiel 12 beschrieben sind, bei 0,1C und 1C Lade- und Entlade-Zyklisierungsraten getestet.The assembled coin cell batteries in this example were then tested in the battery tester described in Example 12 following the same test protocols described in Example 12 at 0.1C and 1C charge and discharge cycling rates.
Die elektrochemischen Zyklisierungsresultate bei 0,1C für Knopfzellenbatterien, die eine Kathode beinhalten, die aus der Selenkathode aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen besteht, die mit einer immobilisiertem schwefeldotiertem Selenprobe (Se50S50 in Table 4) hergestellt ist, sind in
Falls davon ausgegangen wird, dass Selen eine stöchiometrische spezifische Kapazität von 675 mAh/g bei der 0,1C-Zyklisierungsrate aufweist, würde die schwefelspezifische Kapazität als etwa 1.178 mAh/g betragend angenommen (was für Schwefel als gut betrachtet wird). Die coulombsche Effizienz von ≥ 95 %, ≥ 98 % oder sogar 100 % gibt an, dass keine erkennbare Menge an Schwefel zwischen Kathode und Anode pendelt. Schwefelspezies in der Batterie mit immobilisiertem schwefeldotiertem Selen funktionieren in einem Elektrolyt, der Carbonat umfasst, gut. Typischerweise wird von Schwefel nicht erwartet, dass er in einer Li-S-Batterie, die Carbonat als einen Elektrolyt aufweist, gut funktioniert; eine herkömmliche Li-S-Batterie verwendet typischerweise einen Elektrolyt, der auf Ether basiert. Auf Carbonat basierender Elektrolyt wird typischerweise in derzeitigen Lithium-Ion-Batterien verwendet. Auf Carbonat basierender Elektrolyt ist wirtschaftlicher und auf dem Markt viel einfacher verfügbar als Elektrolyt auf Etherbasis.If selenium is assumed to have a stoichiometric specific capacity of 675 mAh / g at the 0.1C cycling rate, the sulfur specific capacity would be assumed to be around 1,178 mAh / g (which is considered good for sulfur). The Coulomb efficiency of ≥ 95%, ≥ 98% or even 100% indicates that there is no discernible amount of sulfur oscillating between the cathode and anode. Sulfur species in the battery with immobilized sulfur-doped selenium work in one Electrolyte that includes carbonate is good. Typically, sulfur is not expected to work well in a Li-S battery that has carbonate as an electrolyte; a conventional Li-S battery typically uses an electrolyte based on ether. Carbonate-based electrolyte is typically used in current lithium-ion batteries. Carbonate-based electrolyte is more economical and much more readily available on the market than ether-based electrolyte.
Die elektrochemischen Zyklisierungsresultate bei der 1C-Zyklisierungsrate für Knopfzellenbatterien, die eine Kathode beinhalten, die aus der Selenkathode aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen besteht, die mit einer immobilisiertem schwefeldotiertem Selenprobe (Se50S50 in Table 4) hergestellt ist, sind in
Falls davon ausgegangen wird, dass Selen eine spezifische Kapazität von 625 mAh/g bei der 1C-Zyklisierungsrate aufweist, würde die schwefelspezifische Kapazität als etwa 966 mAh/g betragend angenommen (was auch unerwartet ist). Schwefel ist ein Isolator und weist eine sehr niedrige elektrische Leitfähigkeit auf. Typischerweise kann eine Li-S-Batterie mit einer schnellen Zyklisierungsrate, wie einer 1C-Rate, nicht gut zyklisieren.If selenium is assumed to have a specific capacity of 625 mAh / g at the 1C cycling rate, the sulfur specific capacity would be assumed to be around 966 mAh / g (which is also unexpected). Sulfur is an insulator and has a very low electrical conductivity. Typically, a Li-S battery cannot cycle well at a fast cycling rate, such as a 1C rate.
Wie man sieht, überwindet, wenn immobilisiertes schwefeldotiertes Selen als ein Kathodenmaterial in einer wiederaufladbaren Batterie verwendet wird, es zwei grundlegende Probleme in Zusammenhang mit Li-S-Batterien, nämlich Pendeleffekt und niedrige Zyklisierungsrate. Wenn diese zwei Probleme gelöst sind, kann eine Batterie, die eine Kathode beinhaltet, die aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen besteht, eine hohe Energiedichte und hohe Leistungsdichte bei realen Anwendungen aufweisen.As can be seen, when immobilized sulfur-doped selenium is used as a cathode material in a rechargeable battery, it overcomes two fundamental problems associated with Li-S batteries, namely pendulum effect and low cycling rate. When these two problems are solved, a battery including a cathode made of immobilized sulfur-doped selenium can have high energy density and high power density in real applications.
Wie man in einem Beispiel sieht, kann ein System mit immobilisiertem schwefeldotiertem Selen oder eine solche Masse durch das Verfahren gebildet werden, das umfasst: (a) Vermischen von Selen, Carbon und Schwefel, um ein Selen-Carbon-Schwefelgemisch zu bilden; (b) Erhitzen des Gemischs des Schritts (a) auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur von Selen; und (c) Veranlassen, dass das erhitzte Gemisch des Schritts (b) auf Umgebungs- oder Raumtemperatur abkühlt, wodurch die Masse aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen gebildet wird.As can be seen in one example, an immobilized sulfur-doped selenium system or mass can be formed by the process which comprises: (a) mixing selenium, carbon and sulfur to form a selenium-carbon-sulfur mixture; (b) heating the mixture of step (a) to a temperature above the melting temperature of selenium; and (c) causing the heated mixture of step (b) to cool to ambient or room temperature, thereby forming the mass of immobilized sulfur-doped selenium.
Die Masse des immobilisierten schwefeldotierten Selens des Schritts (c) kann Selen und Schwefel in einem Carbongerüst umfassen.The bulk of the immobilized sulfur-doped selenium of step (c) can comprise selenium and sulfur in a carbon backbone.
Schritt (a) kann unter einer trockenen oder einer nassen Bedingung erfolgen.Step (a) can be done under a dry or a wet condition.
Schritt (b) kann das Homogenisieren oder Vermengen des Gemischs beinhalten.Step (b) can involve homogenizing or blending the mixture.
Schritt (a) kann das Bilden des Selen-Carbon-Schwefel-Gemischs in einer Masse beinhalten. Schritt (b) kann das Erhitzen der Masse auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur von Selen beinhalten. Schritt (c) kann beinhalten, dass die Masse veranlasst wird oder dass es der Masse erlaubt wird, auf Umgebungs- oder Raumtemperatur abzukühlen.Step (a) can include forming the selenium-carbon-sulfur mixture in a bulk. Step (b) can include heating the mass to a temperature above the melting temperature of selenium. Step (c) may include causing the mass or allowing the mass to cool to ambient or room temperature.
Schritt (b) kann das Erhitzen des Gemischs während einer ausreichenden Zeit, damit Selen und Carbon und Schwefel vollständig oder teilweise reagieren, beinhalten.Step (b) may involve heating the mixture for a time sufficient for the selenium and carbon and sulfur to fully or partially react.
Bei einem anderen Beispiel kann ein Verfahren zum Vorbereiten eines Systems oder einer Masse aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen beinhalten: (a) Bilden eines Carbongerüsts; und (b) Schmelzen von Selen und Schwefel in das Carbongerüst.In another example, a method for preparing a system or mass of immobilized sulfur-doped selenium may include: (a) forming a carbon scaffold; and (b) melting selenium and sulfur into the carbon skeleton.
Bei einem anderen Beispiel kann ein Verfahren zum Bilden eines Systems oder einer Masse aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen beinhalten: (a) Vermischen von Selen und Carbon und Schwefel; und (b), im Anschluss an Schritt (a), Veranlassen, dass sich Selen und Schwefel auf dem Carbon lösen und dadurch das System oder die Masse aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen bilden.In another example, a method of forming a system or mass of immobilized sulfur-doped selenium may include: (a) mixing selenium and carbon and sulfur; and (b), following step (a), causing selenium and sulfur to dissolve on the carbon, thereby forming the system or mass of immobilized sulfur-doped selenium.
Ein Lösemittel zum Lösen des Selens und des Schwefels kann ein Alkohol, ein Ether, ein Ester, ein Keton, ein Kohlenwasserstoff, ein halogenierter Kohlenwasserstoff, ein stickstoffhaltiges Verbundmaterial, ein phosphorhaltiges Verbundmaterial, ein schwefelhaltiges Verbundmaterial oder Wasser sein. Das Lösemittel kann zu einem oder mehreren des Selens, des Schwefels oder des Carbons vor dem Schritt (a), während des Schritts (a) oder während des Schritts (b) hinzugefügt werden.A solvent for dissolving the selenium and sulfur can be an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing composite material, a phosphorus-containing composite material, a sulfur-containing composite material, or water. The solvent can be added to one or more of the selenium, sulfur or carbon before step (a), during step (a) or during step (b).
Das Verfahren kann ferner (c) das Entfernen überschüssigen nicht immobilisierten Selens, nicht immobilisierten Schwefels oder beider aus dem System oder der Masse aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen beinhalten.The method may further include (c) removing excess non-immobilized selenium, non-immobilized sulfur, or both from the system or bulk of immobilized sulfur-doped selenium.
Es wird auch eine wiederaufladbare Batterie offenbart, die umfasst: eine Kathode, die aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen besteht, das auf einem elektrisch leitenden Substrat aufgebracht ist; einen Separator, der in direktem Kontakt mit dem elektrisch leitenden Substrat und in Kontakt mit dem immobilisierten schwefeldotierten Selen angeordnet ist, und eine Anode, die von der Kathode durch den Separator beabstandet ist.There is also disclosed a rechargeable battery comprising: a cathode comprised of immobilized sulfur-doped selenium deposited on an electrically conductive substrate; a separator disposed in direct contact with the electrically conductive substrate and in contact with the immobilized sulfur-doped selenium, and an anode spaced from the cathode by the separator.
Die wiederaufladbare Batterie kann ferner die Anode, die von dem Separator durch Lithium beabstandet ist, beinhalten. Bei einem Beispiel kann das Lithium die Form einer Lithiumfolie aufweisen.The rechargeable battery may further include the anode that is spaced from the separator by lithium. In one example, the lithium can be in the form of a lithium foil.
Die wiederaufladbare Batterie kann ferner die Kathode, den Separator, die Anode und das Lithium in einen Elektrolyt eingetaucht beinhalten.The rechargeable battery may further include the cathode, the separator, the anode, and the lithium immersed in an electrolyte.
Bei der wiederaufladbaren Batterie kann das immobilisierte schwefeldotierte Selen ein Selen-Carbon-Schwefel-Gemisch umfassen, wobei das Selen und der Schwefel in das Carbongerüst geschmolzen wurden.In the rechargeable battery, the immobilized sulfur-doped selenium may comprise a selenium-carbon-sulfur mixture, the selenium and the sulfur having been melted into the carbon skeleton.
Bei der wiederaufladbaren Batterie kann der Separator aus einem organischen Material, einem anorganischen Material oder einem Festelektrolyt gebildet werden.In the rechargeable battery, the separator can be formed from an organic material, an inorganic material, or a solid electrolyte.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine coulombsche Effizienz von ≥ 95 % aufweisen.The rechargeable battery can have a Coulomb efficiency of ≥ 95%.
Besprechung des immobilisierten ChalkogensDiscussion of the immobilized chalcogen
Immobilisiertes Chalkogen (System oder beide) umfasst Chalkogen und ein Carbongerüst. Die Immobilisation des Chalkogens kann das Paaren von Elektronendonator und Elektronenakzeptor eines freien Elektronenpaars beinhalten. Die Menge an Chalkogen in dem immobilisierten Chalkogen kann ≥ 1 Gew.-% %, ≥ 5 Gew.-%, ≥ 10 Gew.-%, ≥ 15 Gew.-% oder ≥ Gew.-% betragen. Das untere Ende des Chalkogen-Gewichtsprozentsatzes kann für ein leichtes Chalkogenelement, wie Sauerstoff oder Schwefel, wünschenswerter sein. Chalkogen, das Sauerstoff, Schwefel, Selen und/oder Tellur umfasst, kann sich als ein Elektronendonator verhalten und ein freies Elektronenpaar an einen Elektronenakzeptor donieren. Chalkogen kann in elementarer Form oder in einer Gemischform vorliegen, wie als Chalkogenid oder Polychalkogenid. Chalkogen, das ein freies Elektronenpaar, eine formale negative oder teilweise negative Ladung (δ-) aufweist, verhält sich als ein Nukleophil. Eine chemische Spezies, wie ein Molekül oder ein Ion, das ein Paar von Elektronen doniert, um eine neue kovalente Bindung zu bilden, wird ein Nukleophil genannt, was im Griechischen „Nukleusliebend“ bedeutet. Ein Carbongerüst kann sich wie ein Elektronenakzeptor verhalten. Ein Carbongerüst, das ein Carbo-Kation-Zentrum umfasst, kann als ein Akzeptor für Elektronen arbeiten, die von Chalkogen doniert werden. Ein Carbongerüst, das Mitten umfasst, die Elektronen akzeptieren können, verhält sich als ein Elektrophil. Ein Molekül oder ein Ion, das Elektronen doniert, um eine neue kovalente Bindung zu bilden, wird ein Elektrophil genannt, was im Griechischen „Elektron-liebend“ bedeutet.Immobilized chalcogen (system or both) includes chalcogen and a carbon framework. The immobilization of the chalcogen can involve the pairing of the electron donor and electron acceptor of a free electron pair. The amount of chalcogen in the immobilized chalcogen can be 1% by weight, 5% by weight, 10% by weight, 15% by weight or% by weight. The lower end of the chalcogen weight percentage may be more desirable for a light chalcogen element such as oxygen or sulfur. Chalcogen, which includes oxygen, sulfur, selenium and / or tellurium, can behave as an electron donor and donate a free electron pair to an electron acceptor. Chalcogen can be in elemental form or in a mixture form, such as a chalcogenide or polychalcogenide. Chalcogen, which has a lone pair of electrons, a formal negative or partially negative charge (δ - ), behaves as a nucleophile. A chemical species, like a molecule or ion, that donates a pair of electrons to form a new covalent bond is called a nucleophile, which means “nucleus-loving” in Greek. A carbon framework can behave like an electron acceptor. A carbon backbone that includes a carbon cation center can act as an acceptor for electrons donated by chalcogen. A carbon backbone that includes centers that can accept electrons behaves as an electrophile. A molecule or ion that donates electrons to form a new covalent bond is called an electrophile, which means “electron-loving” in Greek.
Immobilisiertes Chalkogen kann viele Vorteile darlegen, nämlich: (1) die C=C-Bindung kann im Sinne verbesserter Elektronenleitung mit einer Carbonebene verstärkt werden; (2) das d-Spacing des Carbongerüsts kann schwinden, was in verbesserter Elektronenleitung zwischen den Carbonebenen resultieren kann; (3) Chalkogen in dem immobilisierten Chalkogen weist eine höhere Aktivierungsenergie auf, was nahelegt, dass starke chemische Wechselwirkungen zwischen dem Chalkogen und dem Carbongerüst bestehen, so dass Chalkogen stark verankert ist, indem es ein freies Elektronenpaar an das Carbongerüst doniert, wobei das freie Elektronenpaar des Chalkogens Teil des π-Bondingsystems sein kann, das für Elektronenleitung zuständig ist, weshalb Elektronenflüsse zwischen Chalkogen und Carbon weitgehend verbessert werden, was grundsätzlich die Einschränkung von Chalkogen in seiner elektrischen Leitfähigkeit behebt, insbesondere für ein leichtes Chalkogen, wie Sauerstoff, Schwefel und Selen; (4) Chalkogen-Immobilisation kann verhindern, dass sich ein Polychalkogenid-Ion bildet, das einen elektrochemischen Prozess in einem Schritt während des Batterielade-Entladeprozesses aufweist, kein Pendeln eines Chalkogenid-Ions zwischen Anode und Kathode, was die Gefahren beseitigt, dass Kathodenmaterial, wie Carbon, durch ein Polychalkogenid-Ion oxidiert wird; (5) immobilisiertes Chalkogen kann eine höhere Stoßfrequenz aufweisen, was die Elektronenflüsse zwischen Chalkogen und Carbon verbessern kann; und (6) immobilisiertes Chalkogen kann eine bessere Umgebungsoxidationsbeständigkeit für eine verbesserte Lebensdauer und eine bessere elektrochemische RedOx-Beständigkeit für höhere Zyklisierungsperformanzen einer wiederaufladbaren Chalkogen-Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, aufweisen.Immobilized chalcogen can present many advantages, namely: (1) the C = C bond can be strengthened with a carbon plane for improved electron conduction; (2) the d-spacing of the carbon framework can dwindle, which can result in improved electron conduction between the carbon planes; (3) Chalcogen in the immobilized chalcogen has a higher activation energy, suggesting that there are strong chemical interactions between the chalcogen and the carbon skeleton, so that chalcogen is strongly anchored by donating a lone pair of electrons to the carbon skeleton, the lone pair of electrons of the chalcogen can be part of the π-bonding system, which is responsible for electron conduction, which is why electron flows between chalcogen and carbon are largely improved, which fundamentally removes the limitation of chalcogen in its electrical conductivity, especially for a light chalcogen such as oxygen, sulfur and selenium ; (4) Chalcogen immobilization can prevent a polychalcogenide ion from forming, which has an electrochemical process in one step during the battery charge-discharge process, no shuttling of a chalcogenide ion between anode and cathode, which eliminates the dangers of cathode material, such as carbon, is oxidized by a polychalcogenide ion; (5) immobilized chalcogen can have a higher collision frequency, which can improve the electron flows between chalcogen and carbon; and (6) immobilized chalcogen can provide better environmental oxidation resistance for improved lifetime and better electrochemical RedOx Have resistance to higher cycling performances of a rechargeable chalcogen battery comprising immobilized chalcogen.
Ein Carbongerüst kann eine Ebene eines Extremely-Massive-Aromatic-Conjugated(EMAC)-π-Bondingsystems, wie in einem vereinfachten Modell in
Ein mobiles Carbo-Kation-Zentrum auf dem EMAC-π-Bondingsystem wird durch die Anwesenheit einer chemischen Deaktivierungsfunktionsgruppe auf dem EMAC-π-Bondingsystem des Carbongerüsts, wie in den
Es wird angenommen, dass das mobile Carbo-Kation-Zentrum des EMAC-π-Bondingsystems eines Carbongerüsts eine Säure sein kann, und zwar aufgrund ihrer Fähigkeit, eine freies Elektronenpaar von dem Chalkogen zu akzeptieren. Das mobile Carbo-Kation-Zentrum kann aufgrund seiner hohen Mobilität in dem EMAC-π-Bondingsystem auch eine weiche Säure sein. Die Beständigkeit der gebildeten Koordinationsbindung oder die Beständigkeit der freien Elektronen-Donor-Akzeptorbindung von Chalkogen als Ligand und Carbo-Kation des EMAC-π-Bondingsystems als eine weiche Säure folgt der Ordnung O « S ≤ Se ≈ Te. Das freie Elektronenpaar kann an das Carbo-Kation-Zentrum des EMAC-π-Bondingsystems über Schulter-an-Schulter-Bindung oder Kopf-an-Kopf-Bindung, wie in
Eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe auf dem EMAC-π-Bondingsystem des Carbongerüsts selbst kann eine Mitte aufweisen, die elektronarm ist, wie in den
Bei Anwesenheit einer chemischen Deaktivierungsfunktionsgruppe auf dem EMAC-π-Bondingsystem, kann das Carbongerüst selbst ein Elektrophil sein, das im Wesentlichen gegenüber dem elektrophilen Angriff harmlos ist; folglich kann ein elektrophiles Carbongerüst chemisch gegenüber einem Elektrophil beständiger sein.In the presence of a chemical deactivation group on the EMAC π bonding system, the carbon backbone itself can be an electrophile that is essentially harmless to electrophilic attack; consequently, an electrophilic carbon backbone can be more chemically resistant to an electrophile.
Es kann wünschenswert sein, über ein immobilisiertes Chalkogen zu verfügen, das ein Carbongerüst umfasst, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe auf dem EMAC-π-Bondingsystem umfasst oder beinhaltet, was in der Anwesenheit eines mobilen Carbo-Kation-Zentrums entlang des EMAC-π-Bondingsystems resultiert, was für das Bereitstellen einer Stelle eines freien Elektronenpaars, das die Elektronen von einem Donator akzeptiert, zum Beispiel von einem Chalkogen, wie Sauerstoff, Schwefel, Selen oder Tellur, höchst wünschenswert ist.It may be desirable to have an immobilized chalcogen that includes a carbon backbone that includes or includes a chemical deactivation functional group on the EMAC π bonding system, which is in the presence of a mobile carbo cation center along the EMAC π bonding system which is most desirable for providing a lone pair site that accepts the electrons from a donor, for example a chalcogen such as oxygen, sulfur, selenium or tellurium.
Bei einem Beispiel kann die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe eine stickstoffhaltige Gruppe sein. Immobilisiertes Chalkogen kann ein Carbongerüst umfassen, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Stickstoff, zum Beispiel ≥ 0,1 mmol N/g, ≥ 0,5 mmol N/g, ≥ 1,0 mmol N/g, ≥ 1,5 mmol N/g, ≥ 2,0 mmol N/g, ≥ 2,5 mmol N/g oder ≥ 3,0 mmol N/g umfasst. Eine stickstoffhaltige Gruppe kann eine Nitrogruppe, -NO2 oder eine Nitroso-Gruppe, -NO sein. Eine stickstoffhaltige Gruppe kann eine Ammoniumgruppe, -N+R3 sein, wobei R eine Alkylgruppe, eine Arylgruppe oder ein H sein kann. Eine stickstoffhaltige Gruppe kann eine Cyangruppe (-CN), eine Thiocyangruppe (-SCN) oder eine Isothiocyangruppe (-NCS) sein.In one example, the chemical deactivating functional group can be a nitrogen-containing group. Immobilized chalcogen can comprise a carbon backbone that comprises a chemical deactivation functional group that contains nitrogen, for example ≥ 0.1 mmol N / g, ≥ 0.5 mmol N / g, ≥ 1.0 mmol N / g, ≥ 1.5 mmol N / g, ≥ 2.0 mmol N / g, ≥ 2.5 mmol N / g or ≥ 3.0 mmol N / g. A nitrogen-containing group can be a Nitro group, -NO 2 or a nitroso group, -NO. A nitrogen-containing group can be an ammonium group, -N + R 3 , where R can be an alkyl group, an aryl group or an H. A nitrogen-containing group can be a cyano group (-CN), a thiocyanate group (-SCN) or an isothiocyanate group (-NCS).
Bei einem Beispiel kann die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe eine schwefelhaltige Gruppe sein. Immobilisiertes Chalkogen kann ein Carbongerüst umfassen, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Schwefel umfasst, zum Beispiel ≥ 0,1 mmol S/g, ≥ 0,5 mmol S/g, ≥ 1,0 mmol S/g, ≥ 1,5 mmol S/g, ≥ 2,0 mmol S/g, ≥ 2,5 mmol S/g oder ≥ 3,0 mmol S/g. Die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe, die Schwefel umfasst, kann -SO3H (eine Sulfonsäure) -Gruppe oder ihr Salz (-SO3 -), -SCN (eine Thiocyangruppe), -SO2R (eine Sulfonylester) -Gruppe, wobei R eine Alkylgruppe, Arylgruppe oder Halogen sein kann, -SO2CF3 (eine Trifluormethyl-Sulfonylestergruppe), -SO2-O-R oder eine Sulfoniumgruppe (-S+R2) sein, wobei R eine Alkylgruppe, Arylgruppe oder andere organische Funktionsgruppe sein kann und R eventuell nicht gleich ist. Bei einem Beispiel kann die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe eine Trihalomethylgruppe, -CX3 sein, wobei X F, Cl, Br und I sein kann. Die chemische Funktionsgruppe von -CF3 kann günstiger sein als Funktionsgruppen von -CCl3, -CBr3 oder -CI3. Eine stark halogenierte Alkylgruppe mit mehr als einem Carbon kann auch eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe sein, die dem EMAC-π-Bondingsystem eines Carbongerüsts ein Elektron entzieht. Immobilisiertes Chalkogen kann ein Carbongerüst umfassen, das eine Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Halogen (X) umfasst, zum Beispiel ≥ 0,1 mmol X/g, ≥ 0,5 mmol X/g, ≥ 1,0 mmol X/g, ≥ 1,5 mmol X/g, ≥ 2,0 mmol X/g, ≥ 2,5 mmol X/g oder ≥ 3,0 mmol X/g.In one example, the chemical deactivating functional group can be a sulfur-containing group. Immobilized chalcogen can comprise a carbon backbone that comprises a chemical deactivation functional group that comprises sulfur, for example ≥ 0.1 mmol S / g, ≥ 0.5 mmol S / g, ≥ 1.0 mmol S / g, ≥ 1.5 mmol S / g, ≥ 2.0 mmol S / g, ≥ 2.5 mmol S / g or ≥ 3.0 mmol S / g. The chemical deactivating functional group comprising sulfur may be -SO 3 H (a sulfonic acid) group or its salt (-SO 3 - ), -SCN (a thiocyanate group), -SO 2 R (a sulfonyl ester) group, where R is a Alkyl group, aryl group or halogen, -SO 2 CF 3 (a trifluoromethyl sulfonyl ester group), -SO 2 -OR or a sulfonium group (-S + R 2 ), where R can be an alkyl group, aryl group or other organic functional group and R may not be the same. In one example, the chemical deactivating functional group can be a trihalomethyl group, -CX 3 , where X can be F, Cl, Br, and I. The chemical functional group of -CF 3 can be more favorable than functional groups of -CCl 3 , -CBr 3 or -Cl 3 . A highly halogenated alkyl group with more than one carbon can also be a chemical deactivation function group that withdraws an electron from the EMAC π bonding system of a carbon backbone. Immobilized chalcogen can comprise a carbon skeleton which comprises a deactivation functional group which comprises halogen (X), for example ≥ 0.1 mmol X / g, ≥ 0.5 mmol X / g, ≥ 1.0 mmol X / g, ≥ 1 , 5 mmol X / g, ≥ 2.0 mmol X / g, ≥ 2.5 mmol X / g or ≥ 3.0 mmol X / g.
Bei einem Beispiel kann die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe eine phosphorhaltige Gruppe sein. Die phosphorhaltige Gruppe kann eine Phosphonsäuregruppe (-PO3H2) oder ihr Salz (-PO3H-, -PO3 2-), eine Phosphonat- (-PO3R2, -PO3HR oder -PO3R-) oder eine Phosphonylgruppe (-POR2) sein, wobei R eine Arkyl-, Aryl-, eine beliebige organische Funktionsgruppe ist. Die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe kann eine Phosphoniumgruppe (-P+R3) sein. Immobilisiertes Chalkogen umfasst ein Carbongerüst, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Phosphor umfasst, zum Beispiel ≥ 0,1 mmol P/g, ≥ 0,5 mmol P/g, ≥ 1,0 mmol P/g, ≥ 1,5 mmol P/g, ≥ 2,0 mmol P/g, ≥ 2,5 mmol P/g oder ≥ 3,0 mmol P/g.In one example, the chemical deactivating functional group can be a phosphorus-containing group. The phosphorus-containing group can be a phosphonic acid group (-PO 3 H 2 ) or its salt (-PO 3 H - , -PO 3 2- ), a phosphonate (-PO 3 R 2 , -PO 3 HR or -PO 3 R - ) or a phosphonyl group (-POR2), where R is an arkyl, aryl or any organic functional group. The chemical deactivation functional group can be a phosphonium group (-P + R 3 ). Immobilized chalcogen comprises a carbon backbone that comprises a chemical deactivation functional group that comprises phosphorus, for example ≥ 0.1 mmol P / g, ≥ 0.5 mmol P / g, ≥ 1.0 mmol P / g, ≥ 1.5 mmol P / g, ≥ 2.0 mmol P / g, ≥ 2.5 mmol P / g or ≥ 3.0 mmol P / g.
Bei einem Beispiel kann die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe eine sauerstoffhaltige Funktionsgruppe sein. Die sauerstoffhaltige Gruppe kann eine carbonylhaltige Gruppe sein, wie -CHO (Formylgruppe oder Aldehydgruppe), -COR (Acylgruppe oder Ketongruppe), -COOH (Carboxylgruppe oder Carboxylsäuregruppe) oder ihr Salz, -COOR (eine Carboxylatgruppe oder Estergruppe) usw. Die chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe kann sich auch innerhalb des EMAC-π-Bondingsystems befinden, wie in
Bei einem Beispiel kann die Menge an chemischer Deaktivierungsfunktionsgruppe, zum Beispiel eine sauerstoffhaltige Gruppe, oder Gruppen, in dem EMAC-π-Bondingsystem eines Carbongerüsts durch die Menge an Sauerstoffgehalt charakterisiert sein. Die sauerstoffhaltige chemische Deaktivierungsgruppe kann fähig sein, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser bei hohen Temperaturen in einem Inertgasstrom, wie Argon-, Helium- oder Stickstoffstrom, abzugeben. Wenn die Temperatur etwa 400 °C erreicht, wird der Großteil des Wassers freigesetzt; und wenn die Temperatur etwa 600 °C erreicht, wird der Großteil des Kohlendioxids freigesetzt, es wird jedoch angenommen, dass sogar bei einer hohen Temperatur von etwa 800 °C Kohlenmonoxid immer noch mit einer Rate ähnlich wie oder höher als die bei 600 °C freigesetzt wird. Ein immobilisiertes Chalkogen kann eine sauerstoffhaltige Funktionsgruppe umfassen, die unter hoher Temperatur unter einem Inertgasstrom als Wasser (wünschenswert ≥ 100 ppm, ≥ 200 ppm, ≥ 300 ppm, ≥ 400 ppm oder ≥ 500 ppm, in Gewicht) freisetzt, wenn es auf 400 °C erhitzt wird; als Kohlendioxid (wünschenswert ≥ 1.000 ppm, ≥ 1.200 ppm, ≥ 1.400 ppm, ≥ 1.600 ppm oder ≥ 1.800 ppm oder ≥ 2.000 ppm, in Gewicht), wenn es auf 600 °C erhitzt wird, und/oder als Kohlenmonoxid (wünschenswert ≥ 1.000 ppm, ≥ 1.200 ppm, ≥ 1.400 ppm, ≥ 1.600 ppm oder ≥ 1.800 ppm oder ≥ 2.000 ppm, in Gewicht), wenn es auf 800 °C erhitzt wird. Das vollständige oder teilweise Beseitigen der Deaktivierungsgruppe, die Sauerstoffspezies umfasst (wahrscheinlich teilweises Beseitigen), aus dem EMAC-π-Bondingsystem eines Carbongerüsts macht das EMAC-π-Bondingsystem des Carbongerüsts durch Elektronenentzug unbeständig genug für die übrigen oder verbleibenden Elektronen-Deaktivierungsgruppen. Das Carbongerüst kann daher für die Umgebung sehr reaktiv werden. Bei einem Beispiel wurde ein Carbongerüst einer chemischen de-deaktivierten Funktionsgruppe für Luft ausreichend aktiv, um von selbst zu brennen zu beginnen, wenn es Raumluft bei Raumtemperatur (~13 °C bis ~26 °C) ausgesetzt wurde. Das Feuer wurde selbsterhaltend und rotglühend. Die Anwesenheit einer Elektronenentzugs-Deaktivierungsgruppe kann folglich für das Carbongerüst immobilisierten Chalkogens kritisch und höchst wünschenswert sein. Soweit man versteht, umfasst immobilisiertes Chalkogen wünschenswert ein Carbongerüst, das gegenüber Umgebungsbedingungen hoch aktiv ist, nachdem es unter einem Inertgasstrom, wie unter Argon, bei hohen Temperaturen behandelt wurde, zum Beispiel ≥ 400 °C, ≥ 500 °C, ≥ 600 °C, ≥ 700 °C oder ≥ 800 °C. Genauer genommen kann das Carbongerüst, das unter einem Inertgasstrom bei den oben erwähnten Temperaturen behandelt wird, von selbst zu brennen beginnen, während es Luft ausgesetzt wird.In one example, the amount of chemical deactivating functional group, for example an oxygen-containing group, or groups, in the EMAC π bonding system of a carbon scaffold can be characterized by the amount of oxygen content. The oxygen-containing chemical deactivating group may be capable of releasing carbon monoxide, carbon dioxide and water at high temperatures in an inert gas stream such as argon, helium or nitrogen. When the temperature reaches around 400 ° C, most of the water is released; and when the temperature reaches about 600 ° C, most of the carbon dioxide is released, but it is believed that even at a high temperature of about 800 ° C, carbon monoxide is still released at a rate similar to or higher than that at 600 ° C becomes. An immobilized chalcogen can comprise an oxygen-containing functional group that releases at high temperature under a stream of inert gas as water (desirably ≥ 100 ppm, ≥ 200 ppm, ≥ 300 ppm, ≥ 400 ppm or ≥ 500 ppm, by weight) when it reaches 400 ° C is heated; as carbon dioxide (desirable ≥ 1,000 ppm, ≥ 1,200 ppm, ≥ 1,400 ppm, ≥ 1,600 ppm or ≥ 1,800 ppm or ≥ 2,000 ppm, by weight) when heated to 600 ° C, and / or as carbon monoxide (desirable ≥ 1,000 ppm, ≥ 1,200 ppm, ≥ 1,400 ppm, ≥ 1,600 ppm or ≥ 1,800 ppm or ≥ 2,000 ppm, by weight) when heated to 800 ° C. The complete or partial elimination of the deactivating group comprising oxygen species (likely partial elimination) from the EMAC π bonding system of a carbon skeleton makes the EMAC π bonding system of the carbon skeleton by electron withdrawal volatile enough for the remaining or remaining electron deactivating groups. The carbon framework can therefore become very reactive to the environment. In one example, a carbon framework of a chemically deactivated functional group for air became sufficiently active to start burning by itself if there was room air at room temperature (~ 13 ° C to ~ 26 ° C) was exposed. The fire became self-sustaining and red-hot. The presence of an electron-withdrawing deactivating group can thus be critical and highly desirable for the carbon backbone of immobilized chalcogen. As understood, immobilized chalcogen desirably comprises a carbon backbone that is highly active towards ambient conditions after being treated under a stream of inert gas such as argon at high temperatures, e.g., ≥ 400 ° C, ≥ 500 ° C, ≥ 600 ° C , ≥ 700 ° C or ≥ 800 ° C. More specifically, the carbon skeleton, which is treated under a stream of inert gas at the temperatures mentioned above, can start to burn by itself while exposed to air.
Immobilisiertes Chalkogen umfasst Chalkogen, das ein freies Elektronenpaar und ein Carbongerüst aufweist, das fähig ist, freie Elektronenpaare von dem Donator freier Elektronenpaare, in diesem Fall von dem Chalkogen, zu akzeptieren. Freie Elektronenpaare von Chalkogen werden durch Resonanzen zu den Carbo-Kation-Zentren doniert, die in dem EMAC-π-Bondingsystem mobil sind. Dieses Donator-Akzeptor-Bindungssystem freier Elektronenpaare in immobilisiertem Chalkogen führt zu einer höheren Konzentration an Elektronendichte in dem EMAC-π-Bondingsystem des Carbongerüsts, was in einer stärkeren C=C-Bindung in dem EMAC-π-Bondingsystem resultiert. Das Stärken der C=C-Bindung in dem immobilisierten Chalkogen kann die Elektronenleitung in der Ebene des EMAC-π-Bondingsystems des Carbongerüsts verstärken.Immobilized chalcogen includes chalcogen which has a lone pair of electrons and a carbon backbone capable of accepting lone pairs from the lone pair donor, in this case from the chalcogen. Chalcogen lone pairs of electrons are donated by resonances to the carbo cation centers, which are mobile in the EMAC π bonding system. This donor-acceptor lone pair bond system in immobilized chalcogen leads to a higher concentration of electron density in the EMAC π bonding system of the carbon backbone, which results in a stronger C = C bond in the EMAC π bonding system. Strengthening the C = C bond in the immobilized chalcogen can increase electron conduction in the plane of the EMAC π bonding system of the carbon framework.
Immobilisiertes Chalkogen weist wünschenswert eine Steigerung des D-Band-Raman-Streuungs-Peaks um ≥ 2 cm-1, ≥ 3 cm-1, ≥ 4 cm-1, ≥ 5 cm-1 oder ≥ 6 cm-1 auf. Ein immobilisiertes Chalkogen, insbesondere für immobilisiertes Chalkogen, das Schwefel umfasst, weist wünschenswert eine Steigerung der Wellenzahl des D-Band-Raman-Streuungs-Peaks und/oder des G-Band-Raman-Streuungs-Peaks um ≥ 1 cm-1, ≥ 2 cm-1 oder ≥ 3 cm-1 auf. Hierin bezieht sich eine Steigerung der Wellenzahl bei Verwendung in Verbindung mit immobilisiertem Chalkogen auf eine entsprechende Wellenzahl (D-Band, G-Band usw. des Carbons selbst, das heißt ohne Chalkogen, das das immobilisierte Chalkogen umfasst).Immobilized chalcogen desirably has an increase in the D-band Raman scattering peak of ≥ 2 cm -1 , ≥ 3 cm -1 , ≥ 4 cm -1 , ≥ 5 cm -1 or ≥ 6 cm -1 . An immobilized chalcogen, particularly for immobilized chalcogen comprising sulfur, desirably has an increase in the wavenumber of the D-band Raman scattering peak and / or the G-band Raman scattering peak by 1 cm -1 , 2 cm -1 or ≥ 3 cm -1 . Herein, an increase in the wavenumber when used in conjunction with immobilized chalcogen relates to a corresponding wavenumber (D-band, G-band, etc. of the carbon itself, that is to say without chalcogen, which comprises the immobilized chalcogen).
Das Carbongerüst kann sowohl D-Band- als auch G-Band-Raman-Verschiebungen aufweisen; wobei das D-Band ungeordnete C=C-Bindungen betrifft, und das G-Band geordnetere graphitische C=C-Bindungen betrifft. Das Carbo-Kation-Zentrum, das auf dem D-Band-bezogenen EMAC-π-Bondingsystem anwesend ist, kann eine weichere Säure sein als das Carbo-Kation-Zentrum, das in dem G-Band-bezogenen EMAC-π-Bondingsystem eines Carbongerüsts anwesend ist. Selen ist leichter zu polarisieren und ein weicherer Ligand; Schwefel ist ein kleines Atom und schwieriger zu polarisieren, so dass es ein härterer Ligand ist. Ein weicherer Ligand kann vorzugsweise auf einer weicheren Säurestelle binden, während ein härterer Ligand vorzugsweise auf einer härteren Säurestelle binden kann. Selen scheint folglich in der C=C-Bindung in dem D-Band mehr zu stärken als Schwefel, und Schwefel scheint in der C=C-Bindung in dem G-Band mehr zu stärken. Sogar mit einem großen Anteil an Chalkogen, das Schwefel ist, kann die Anwesenheit einer kleineren Selenmenge fähig sein, die C=C-Bindung in dem D-Band signifikant zu stärken.The carbon backbone can have both D-band and G-band Raman shifts; where the D-band relates to disordered C = C bonds and the G-band relates to more ordered graphitic C = C bonds. The carbo cation center that is present on the D-band related EMAC π bonding system may be a softer acid than the carbo cation center that is present in the G band related EMAC π bonding system Carbon frame is present. Selenium is easier to polarize and a softer ligand; Sulfur is a small atom and more difficult to polarize, so it's a harder ligand. A softer ligand can preferably bind to a softer acid site, while a harder ligand can preferably bind to a harder acid site. Selenium thus appears to be more strengthening in the C = C bond in the D band than sulfur, and sulfur appears to be more strengthening in the C = C bond in the G band. Even with a large amount of chalcogen, which is sulfur, the presence of a smaller amount of selenium may be able to significantly strengthen the C = C bond in the D-band.
Mit anderen Worten wird die C=C-Bindung in dem EMAC-π-Bondingsystem des immobilisierten Chalkogen-Systems umso stärker als das Chalkogen fähig ist, freie Elektronenpaare zu donieren, was die Elektronenleitfähigkeit in der Ebene des EMAC-π-Bondingsystems eines Carbongerüsts verbessern kann. Elementarer Schwefel oder eine reduzierte Form von Schwefel, wie S2- (Sulfid), und Sn 2- (Polysulfid) usw., weisen freie Elektronenpaare auf. Schwefel weist eine Elektronenstruktur [Ne]3s23p4 auf, Selen weist eine Elektronenstruktur [Ar]3d104s24p4 auf, und Tellur weist eine Elektronenstruktur [Kr]4d105s25p4 auf. Freie Elektronenpaare in Selen und seinen reduzierten Formen, zum Beispiel Selenid (Se2-) und Polyselenid (Sen 2-), sind weiter von dem Kern (oder Kernen) des Selenatoms entfernt als die in Schwefelatomen. Die freien Elektronenpaare in Selen können fähig sein, doniert zu werden, was zu einem stärkeren Donator-Akzeptor-Bindungssystem in immobilisiertem Selen führen kann als in immobilisiertem Schwefel. Es lohnt sich darauf hinzuweisen, dass immobilisiertes (immobilisierter) Se/S zeigt, dass die Stärke der Donator-Akzeptor-Bindung eines freien Elektronenpaars bei der Anwesenheit von Selen steigt. Freie Elektronenpaare in Tellur sind weiter von dem Kern entfernt als die in Selen. Die freien Elektronenpaare in Tellur können mehr zum Donieren freier Elektronenpaare zu dem Akzeptor noch besser fähig sein, was zu einem noch stärkeren Donator-Akzeptor-Bindungssystem in immobilisiertem Tellur als in immobilisiertem Selen, immobilisiertem Schwefel oder immobilisiertem Sauerstoff führen kann.In other words, the C = C bond in the EMAC π bonding system of the immobilized chalcogen system becomes stronger as the chalcogen is able to donate free electron pairs, which improves the electronic conductivity in the plane of the EMAC π bonding system of a carbon framework can. Elemental sulfur or a reduced form of sulfur such as S 2- (sulfide), and S n 2- (polysulfide) etc. have lone pairs of electrons. Sulfur has an electronic structure [Ne] 3s 2 3p 4 , selenium has an electronic structure [Ar] 3d 10 4s 2 4p 4 , and tellurium has an electronic structure [Kr] 4d 10 5s 2 5p 4 . Lone pairs of electrons in selenium and its reduced forms, for example selenide (Se 2- ) and polyselenide (Se n 2- ), are further away from the nucleus (or nuclei) of the selenium atom than those in sulfur atoms. The lone pairs of electrons in selenium may be capable of being donated, which may result in a stronger donor-acceptor bond system in immobilized selenium than in immobilized sulfur. It is worth pointing out that immobilized (immobilized) Se / S shows that the strength of the donor-acceptor bond of a lone pair increases in the presence of selenium. Lone pairs in tellurium are further away from the nucleus than those in selenium. The lone pairs of electrons in tellurium may be more capable of donating lone pairs of electrons to the acceptor, which can lead to an even stronger donor-acceptor bond system in immobilized tellurium than in immobilized selenium, immobilized sulfur or immobilized oxygen.
Tellur kann nukleophiler sein als Selen, das nukleophiler sein kann als Schwefel, der nukleophiler sein kann als SauerstoffTellurium can be more nucleophilic than selenium, which can be more nucleophilic than sulfur, which can be more nucleophilic than oxygen
Des Weiteren weist Sauerstoff eine Elektronenstruktur [He]2s22p4 auf. Freie Elektronenpaare in Sauerstoff und seinen reduzierten Formen (O2-), Peroxid (O2 2-) und Superoxid (O2 -) sind näher von seinem Kern (oder Kernen) des Sauerstoffatoms als die in Schwefel. Es ist bekannt, dass Peroxid oder Superoxid hoch aktiv ist; es ist ein starkes Oxidationsmittel, das Carbon oxidieren kann. Bei einer Lithium-Sauerstoff- oder Lithium-Luft-Batterie des Stands der Technik kann das Erzielen chemischer Beständigkeit des Kathodenmaterials, das Carbon involviert, schwierig sein, da sich Lithiumperoxid oder Lithiumsuperoxid als eine chemische Zwischenspezies während des elektrochemischen Zyklisierungsprozesses einer wiederaufladbaren Lithium-Sauerstoff- und Lithium-Luftbatterie bilden kann. Es ist bekannt, dass Peroxid oder Superoxid hoch aktiv ist und eine starke Oxidationskraft aufweist, insbesondere für Carbon oder andere Kathodenmaterialien.Furthermore, oxygen has an electronic structure [He] 2s 2 2p 4 . Lone pairs of electrons in oxygen and its reduced forms (O 2- ), peroxide (O 2 2- ), and superoxide (O 2 - ) are closer to its core (or nuclei) of the oxygen atom than those in sulfur. It is known that peroxide or superoxide is highly active is; it is a strong oxidizer that can oxidize carbon. In a prior art lithium-oxygen or lithium-air battery, achieving chemical resistance to the cathode material involving carbon can be difficult because lithium peroxide or lithium superoxide proves to be an intermediate chemical species during the electrochemical cycling process of a rechargeable lithium-oxygen battery. and lithium air battery can form. It is known that peroxide or superoxide is highly active and has a strong oxidizing power, especially for carbon or other cathode materials.
Aus derselben Perspektive kann sich auch ein Polychalkogenid-Anion, das Chalkogen umfasst, einem Peroxid-Ion oder einem Superoxid-Ion beim Oxidieren des Kathodenmaterials, wie Carbon, ähnlich verhalten. Es kann folglich wünschenswert sein, während des elektrochemischen Prozesses einer wiederaufladbaren Batterie, die Chalkogen umfasst, Polychalkogenidbildung zu vermeiden oder zu verhindern.From the same perspective, a polychalcogenide anion comprising chalcogen, a peroxide ion or a superoxide ion can also behave similarly when the cathode material is oxidized, such as carbon. Accordingly, it may be desirable to avoid or prevent polychalcogenide formation during the electrochemical process of a rechargeable battery that includes chalcogen.
Das Entladen ist einer der elektrochemischen Prozesse einer Batterie, während dem Chalkogen an der Kathode Elektronen gewinnt. Es ist wünschenswert, dass das Chalkogen Elektronen gewinnt und Chalkogenid in einem Schritt bildet:
Es ist jedoch nicht wünschenswert, dass Chalkogen Elektronen gewinnt und Polychalkogenid bildet
In immobilisiertem Chalkogen treten freie Elektronenpaare des Chalkogens mit dem entsprechenden Akzeptor, eines Carbo-Kation-Zentrums des EMAC-π-Bondingsystems des Carbongerüsts oder eines kationischen Zentrums, das sich in der Deaktivierungsfunktionsgruppe befindet, in Wechselwirkung, indem eine chemische Koordinationsbindung gebildet wird. Das Donator-Akzeptor-Bindesystem beeinflusst eventuell die RedOx-Fähigkeit des Chalkogens nicht, gestattet es dem Chalkogenelement, Elektronen zu gewinnen, reduziert zu werden und Chalkogenid zu bilden, und gestattet es dem Chalkogenid, Elektronen zu verlieren, oxidiert zu werden und elementares Chalkogen zu bilden, einen elektrochemischen RedOx-Zyklus abzuschließen, was es für eine Anwendung einer wiederaufladbaren Batterie möglich macht. Polychalkogenid einer wiederaufladbaren Batterie-Anwendung gestattet, ein Zwischenprodukt zwischen elementarem Chalkogen und dem Chalkogenid zu sein. Sowohl Chalkogenid als auch Polychalkogenid weisen ein freies Elektronenpaar auf und können auch in dem immobilisierten Chalkogen, gleich wie Chalkogen in seiner elementaren Form, immobilisiert werden.In immobilized chalcogen, free electron pairs of the chalcogen interact with the corresponding acceptor, a carbo-cation center of the EMAC-π-bonding system of the carbon skeleton or a cationic center that is located in the deactivation function group by forming a chemical coordination bond. The donor-acceptor binding system may not affect the RedOx ability of the chalcogen, allows the chalcogen element to acquire electrons, be reduced and form chalcogenide, and allows the chalcogenide to lose electrons, be oxidized and add elemental chalcogen form to complete an electrochemical RedOx cycle, making it possible for a rechargeable battery application. Polychalcogenide allows a rechargeable battery application to be an intermediate between elemental chalcogen and the chalcogenide. Both chalcogenide and polychalcogenide have a free electron pair and can also be immobilized in the immobilized chalcogen, just like chalcogen in its elemental form.
Die Immobilisation von Chalkogen kann die Chalkogen-Kristallstruktur in Unordnung bringen oder zerstören. Ein kristallines Chalkogen, wie Selen, Schwefel, Tellur oder eine Kombination davon kann ungeordnet werden, seine Kristallinität einbüßen, was in Röntgen-Beugungsstudien veranschaulicht ist. Immobilisiertes Chalkogen wechselt die Kristallstruktur des Chalkogens.Immobilization of chalcogen can disorder or destroy the chalcogen crystal structure. A crystalline chalcogen, such as selenium, sulfur, tellurium, or a combination thereof, can become disordered, lose its crystallinity, which is illustrated in X-ray diffraction studies. Immobilized chalcogen changes the crystal structure of the chalcogen.
Die Immobilisation von Chalkogen kann die chemische Bindung zwischen Chalkogenatomen zerstören. Eine elementare Schwefel-Schwefel-Bindung weist starke Raman-Verschiebungen bei 154 cm-1, 217 cm-1, 221 cm-1, 473 cm-1 auf. In einem System oder einer Masse aus immobilisiertem Schwefel kann sich die Schwefel-Schwefel-Bindung irgendwie ändern und in dem Raman-Spektrum nicht gezeigt werden. In dem immobilisierten Se/S wird in Raman-Spektren für einen Schwefelgehalt zwischen 8,5 Gew.-% und 100 Gew.-% S und S-S keine S-Se Bindung gezeigt.The immobilization of chalcogen can destroy the chemical bond between chalcogen atoms. An elementary sulfur-sulfur bond shows strong Raman shifts at 154 cm -1 , 217 cm -1 , 221 cm -1 , 473 cm -1 . In a system or mass of immobilized sulfur, the sulfur-sulfur bond may change somehow and not be shown in the Raman spectrum. In the immobilized Se / S, no S-Se bond is shown in Raman spectra for a sulfur content between 8.5% by weight and 100% by weight of S and SS.
Die Schwefelmoleküle, hauptsächlich S8, mit über 30 Allotropen, wie zyklischer S6, S7, S12 oder sogar S18, können in kristallinen Formen vorliegen. Mit Quenching kann Schwefel amorph sein. Aber die amorphe Form von Schwefel wandelt sich typischerweise in eine kristalline Schwefelform um. Bei dem immobilisierten Chalkogen, das Schwefel umfasst, entweder allein oder als ein Gemisch (immobilisiertes Se/S), ist Schwefel nicht mehr in einer kristallinen Form angeordnet. Auch Selen ist in immobilisiertem Selen nicht mehr in einer kristallinen Form angeordnet.The sulfur molecules, mainly S 8 , with over 30 allotropes, such as cyclic S 6 , S 7 , S 12 or even S 18 , can exist in crystalline forms. With quenching, sulfur can be amorphous. But the amorphous form of sulfur typically converts to a crystalline form of sulfur. In the immobilized chalcogen comprising sulfur, either alone or as a mixture (immobilized Se / S), sulfur is no longer arranged in a crystalline form. Selenium is also no longer arranged in a crystalline form in immobilized selenium.
Durch Donieren des freien Elektronenpaars von Chalkogen zu einem elektronenarmen Carbo-Kation-Zentrum in dem EMAC-π-Bondingsystem eines Carbongerüsts, das eine Deaktivierungsgruppe umfasst, die Elektronen entzieht, kann das freie Elektronenpaar des Chalkogenatoms Teil eines EMAC-π-Bondingsystems werden. Die Anzahl delokalisierter Elektronen in dem EMAC-π-Bondingsystem ist groß; die große Anzahl delokalisierter Elektronen in dem EMAC-π-Bondingsystem in dem immobilisierten Chalkogen schirmt folglich die Wechselwirkungen zwischen Chalkogenkern und den Valenzelektronen in dem Chalkogen ab. Die Chalkogen-Chalkogen-Bindung wird auf ein Niveau derart geschwächt, dass sich Chalkogen wie ein Atom, nicht wie ein Molekül, in einem Reduktions-Oxidationsprozess (RedOx-Prozess) verhält, indem es zwei Elektronen gewinnt, um ein Chalkogenid-Anion (2-) direkt zu bilden, das dann wiederum zwei Elektronen verliert und elementares Chalkogen direkt bildet, ohne eine Zwischenspezies, wie ein Polychalkogenid-Anion, zu bilden. Immobilisiertes Chalkogen kann nur einen Schritt des elektrochemischen Verhaltens während seiner Verwendung als eine Kathode in einer wiederaufladbaren Batterie zeigen. Zu bemerken ist, dass mehr als ein Lade- oder Entladeverhalten in einer Chalkogen-Batterie bestehen kann, wenn sich Chalkogen an einem Zwischenelement, insbesondere einem Polychalkogenid, wie Polysulfid (Sn 2-), Polyselenid (Sen 2-) usw., bildet. Das immobilisierte Chalkogen, das hierin beschrieben ist, kann das Problem mit wiederaufladbaren Chalkogenid-Batterien, wie Li-S- und Li-Se-Batterien überwinden, insbesondere beim Pendeleffekt eines Polychalkogenid-Ions zwischen der Kathode und der Anode während des Entlade-Ladeprozesses der Batterie. Die günstigste Lösung für den Pendeleffekt des Polychalkogenid-Anions besteht darin, es daran zu hindern, sich zu bilden oder es zu verankern, falls es durch Chalkogen-Immobilisation in einem immobilisierten Chalkogen, das Chalkogen und ein Carbongerüst, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, gebildet wird. Soweit man versteht, erscheint immobilisiertes Chalkogen während Entladung zwischen 3 V und 1 V nur einen elektrochemischen Prozess aufzuweisen.By donating the chalcogen lone pair of electrons to an electron-deficient carbo-cation center in the EMAC π bonding system of a carbon framework that includes a deactivating group that withdraws electrons, the chalcogen atom lone pair of electrons can become part of an EMAC π bonding system. The number of delocalized electrons in the EMAC π bonding system is large; the large number of delocalized electrons in the EMAC π-bonding system in the immobilized chalcogen thus shields the interactions between the chalcogen nucleus and the valence electrons in the chalcogen. The chalcogen-chalcogen bond is weakened to such a level that chalcogen behaves like an atom, not a molecule, in a reduction-oxidation process (RedOx process) by gaining two electrons to generate a chalcogenide anion (2nd - ) directly, which in turn loses two electrons and forms elemental chalcogen directly without forming an intermediate species such as a polychalcogenide anion. Immobilized chalcogen can exhibit only one step of electrochemical behavior during its use as a cathode in a rechargeable battery. It should be noted that there can be more than one charging or discharging behavior in a chalcogen battery if chalcogen is attached to an intermediate element, in particular a polychalcogenide, such as polysulfide (S n 2- ), polyselenide (Se n 2- ) etc., forms. The immobilized chalcogen described herein can overcome the problem with rechargeable chalcogenide batteries such as Li-S and Li-Se batteries, especially the pendulum effect of a polychalcogenide ion between the cathode and the anode during the discharge-charge process Battery. The most beneficial solution for the pendulum effect of the polychalcogenide anion is to prevent it from forming or to anchor it if it is formed by chalcogen immobilization in an immobilized chalcogen, the chalcogen and a carbon backbone that includes a chemical deactivating functional group becomes. As far as one understands, immobilized chalcogen appears to show only an electrochemical process during discharge between 3 V and 1 V.
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass Chalkogen, wie Schwefel und Selen, Polychalkogenid bildet, wie Polysulfid (Sn 2-) und Polyselenid (Sen 2-), die in einem Carbonatelektrolyt in einer wiederaufladbaren Li-S- oder Li-Se-Batterie, die einen Carbonatelektrolyt verwendet, löslich sind. Bei einem Beispiel kann zum Minimieren des Pendeleffekts ein auf Ether basierender Elektrolyt verwendet werden. Polychalkogenid-Ionen weisen eine relativ niedrige Löslichkeit in einem auf Ether basierenden Elektrolyt im Vergleich zu in einem auf Carbonat basierenden Elektrolyt auf. Man möge beachten, dass auf Carbonat basierender Elektrolyt der aktuelle Standard bei Lithium-Ion-Batterien ist, der im Handel verfügbar und kostengünstiger ist als ein auf Ether basierender Elektrolyt. Der Ansatz des Minimierens der Löslichkeit von Polychalkogenid in einem Etherelektrolyt ist eventuell keine optimale Lösung, weshalb eine Chalkogenid-Batterie für ihre Kommerzialisierung immer noch vor Herausforderungen beim Überwinden des Pendeleffekts gestellt wird.It is known in the art that chalcogen, such as sulfur and selenium, forms polychalcogenide, such as polysulfide (S n 2- ) and polyselenide (Se n 2- ), which in a carbonate electrolyte in a rechargeable Li-S or Li Se battery that uses a carbonate electrolyte are soluble. In one example, an ether based electrolyte can be used to minimize the pendulum effect. Polychalcogenide ions have a relatively low solubility in an ether-based electrolyte compared to a carbonate-based electrolyte. It should be noted that carbonate-based electrolyte is the current standard in lithium-ion batteries, which is commercially available and less expensive than an ether-based electrolyte. The approach of minimizing the solubility of polychalcogenide in an ether electrolyte may not be an optimal solution and therefore a chalcogenide battery for its commercialization still faces challenges in overcoming the pendulum effect.
Falls jedoch eine chemische Aktivierungsfunktionsgruppe auf einem EMAC-π-Bondingsystem anwesend wäre, würde die chemische Aktivierungsfunktionsgruppe (ein) Elektron(en) an das EMAC-π-Bondingsystem abgeben, was in einer Steigerung der Elektronendichte für ein Carbon resultiert, das sich an einer Para- oder Orthoposition in einem aromatischen Ring befindet, der eine Carb-Anion-Mitte bildet, die (ein) Extraelektron(en) aufweist. Eine solche Carb-Anion-Mitte ist auch entlang des EMAC-π-Bondingsystems durch Resonanzen beweglich, was eines oder mehrere der folgenden Resultate, die unerwünscht sein können, haben kann: (1) die Mitte eines elektronenreichen Carb-Anions neigt zu elektrophilem Angriff, was in einem Carbongerüst resultiert, das im Vergleich zu der Beständigkeit des Carbons, das keine chemische Aktivierungsfunktionsgruppe aufweist oder ein Carbo-Kation in einem EMAC-π-Bondingsystem eines Carbongerüsts aufweist, chemisch unbeständiger ist; und/oder (2) die Anwesenheit eines Carb-Anions stellt eine Mitte für Elektronentransfer zu adsorbierten Spezies, wie O2, S8, Se8 usw. bereit, indem O2 2-, Sn 2-, Sen 2- usw., gebildet wird, das eine starke katalytische Oxidationsaktivität zusätzlich zu seiner hohen Löslichkeit in einer Elektrolytlösung, insbesondere in einer herkömmlichen Carbonatelektrolytlösung, aufweist. Aus dieser Perspektive kann ein Chalkogenmolekül in einer adsorbierten Form im Hinblick auf seine leichte Umwandlung in ein Polychalkogenid-Ion unerwünscht sein; eine adsorbierte Form eines Chalkogenmoleküls kann sich bilden, falls die Wechselwirkungen von Chalkogen und Carbon stärker sind als physische Wechselwirkungen, wobei ein Chemisorptionsniveau (das unten als Aktivierungsenergie kleiner als 95 kJ/mol, aber höher als 40 kJ/mol aufweisend definiert ist), aber kein chemisches Bindungsniveau (das unten als eine Aktivierungsenergie von ≥ 96 kJ/mol aufweisend definiert ist) erreicht wird.However, if a chemical activation function group were present on an EMAC π bonding system, the chemical activation function group would donate electron (s) to the EMAC π bonding system, resulting in an increase in electron density for a carbon attached to a Para or ortho position is in an aromatic ring that forms a carb anion center that has (an) extra electron (s). Such a carb anion center is also movable along the EMAC π bonding system by resonance, which may have one or more of the following results, which may be undesirable: (1) The center of an electron-rich carb anion is prone to electrophilic attack what in one The result is a carbon skeleton, which is chemically less stable compared to the resistance of the carbon which does not have a chemical activation functional group or has a carbon cation in an EMAC-π bonding system of a carbon skeleton; and / or (2) the presence of a carb anion provides a center for electron transfer to adsorbed species such as O 2 , S 8 , Se 8 , etc. by adding O 2 2- , S n 2- , Se n 2-, etc. ., which has a strong catalytic oxidation activity in addition to its high solubility in an electrolyte solution, particularly in a conventional carbonate electrolyte solution. From this perspective, a chalcogen molecule in an adsorbed form may be undesirable in view of its facile conversion to a polychalcogenide ion; an adsorbed form of a chalcogen molecule can form if the interactions of chalcogen and carbon are stronger than physical interactions, with a chemisorption level (defined below as having activation energy less than 95 kJ / mol but higher than 40 kJ / mol), however no chemical bond level (which is defined below as having an activation energy of ≥ 96 kJ / mol) is achieved.
Bei einem Beispiel kann immobilisiertes Chalkogen in einer Umgebung beständig sein, zum Beispiel eine Lebensdauer (bei Raumtemperatur) von ≥ 3 Monaten, ≥ 6 Monaten, ≥ 9 Monaten, ≥ 12 Monaten, ≥ 15 Monaten, ≥ 18 Monaten, ≥ 21 Monaten oder ≥ 24 Monaten aufweisen, während welcher der exotherme Gewichtsverlust zwischen 200 und 250 °C ≤ 2,0 Gew.-%, ≤ 1,8 Gew.-%, ≤ 1,6 Gew.-%, ≤ 1,4 Gew.-%, ≤ 1,2 Gew.-% oder 1,0 Gew.-% betragen kann, wie durch TGA-Analyse unter einem Inertgasstrom, wie zum Beispiel Argon, bestimmt wird.In one example, immobilized chalcogen may be persistent in an environment, e.g., a lifetime (at room temperature) of ≥ 3 months, ≥ 6 months, ≥ 9 months, ≥ 12 months, ≥ 15 months, ≥ 18 months, ≥ 21 months, or ≥ 24 months during which the exothermic weight loss between 200 and 250 ° C ≤ 2.0% by weight, ≤ 1.8% by weight, ≤ 1.6% by weight, ≤ 1.4% by weight , 1.2 wt% or 1.0 wt%, as determined by TGA analysis under a stream of inert gas such as argon.
Die Anwesenheit einer Deaktivierungsgruppe in dem EMAC-π-Bondingsystem ist für immobilisiertes Chalkogen, das Chalkogen und ein Carbongerüst umfasst, wünschenswert. Als ein Vergleichsbeispiel weist Elite C, ein aktiviertes Carbon, das bei Calgon Carbon in Pittsburgh, Pennsylvania, erhältlich ist, einen Sauerstoffgehalt von etwa 1,3 Gew.-% auf. Dieses handelsübliche Carbon wurde verwendet, um Selen bei einer Schmelzdifferenzmenge von Selen (diverse Mengen an Se, 50 Gew.-%, 55 Gew.-%, 60 Gew.-%, 65 Gew.-% und 70 Gew.-% Se) in den Poren des aktivierten Carbons Elite C zu hosten. Etwa 28 Monate später wurde entdeckt, dass sich die Elite-C-Se-Verbundmaterialien verschlechterten. Es wird angenommen, dass diese Verschlechterung auf den chemischen Angriff durch die Umgebungsluft bei Raumtemperatur, wie durch TGA-DSC-Analyse aufgedeckt, zurückzuführen ist. Die verschlechterten Elite-C-Se-Verbundmaterialien mit 50 Gew.-%, 55 Gew.-%, 60 Gew.-%, 65 Gew.-% und 70 Gew.-% Selen zeigten alle starken Gewichtsverlust zwischen 200 und 250 °C bei TGA-Analyse in einem Inertgasstrom (Argon) mit einem exothermen Peak (gemessen durch DSC-Analyse bei denselben TGA-DSC-Durchgängen). Eine Analyse des Sauerstoffgehalts wurde für einige dieser verschlechterten Elite-C-Se-Proben ausgeführt, und die Resultate zeigten, dass die verschlechterten Elite-C-Se-Verbundmaterialien zu 50 Gew.-% und 65 Gew.-% einen Sauerstoffgehalt um 24,0 % für beide Proben bei in etwa demselben Zeitrahmen der TGA-DSC-Analyse aufwiesen. Die verschlechterte Elite-C-Se-Probe zu 50 Gew.-% Se wies einen Gewichtsverlust von etwa, 32,0 Gew.-% zwischen 200 und 250 °C auf; die Elite-C-Se-Probe mit 55 Gew.-% Se wies einen Gewichtsverlust von 27,5 % auf; die Elite-C-Se-Probe mit 60 Gew.-% Se wies einen Gewichtsverlust von etwa 24,4 % auf und die Elite-C-Se-Probe mit 70 Gew.-% Se wies einen Gewichtsverlust von 17,7 Gew.-% auf. Es wird angenommen, dass der Gewichtsverlust zwischen 200 und 250 °C für die verschlechterten C-Se-Verbundmaterialien, die mit Elite-C hergestellt wurden, mit dem Carbongehalt zusammenhängt. Je höher der Carbongehalt (oder je geringer der Se-Gehalt) ist, desto größer ist der Gewichtsverlust zwischen 200 und 250 °C. Das legt nahe, dass das Carbon in den Elite-C-Se-Verbundmaterialien von dem umgebenden Sauerstoff bei Raumtemperaturen oxidiert wurde, was unerwünscht ist.The presence of a deactivating group in the EMAC π bonding system is desirable for immobilized chalcogen, which comprises chalcogen and a carbon backbone. As a comparative example, Elite C, an activated carbon available from Calgon Carbon of Pittsburgh, Pennsylvania, has an oxygen content of about 1.3% by weight. This commercially available carbon was used to produce selenium at a melting difference amount of selenium (various amounts of Se, 50 wt.%, 55 wt.%, 60 wt.%, 65 wt.% And 70 wt.% Se) to host in the pores of the activated carbon Elite C. About 28 months later it was discovered that the Elite C-Se composites were deteriorating. It is believed that this degradation is due to chemical attack by ambient air at room temperature as revealed by TGA-DSC analysis. The degraded Elite C-Se composites with 50 wt%, 55 wt%, 60 wt%, 65 wt% and 70 wt% selenium all showed severe weight loss between 200 and 250 ° C for TGA analysis in a stream of inert gas (argon) with an exothermic peak (measured by DSC analysis on the same TGA-DSC runs). An analysis of the oxygen content was carried out for some of these degraded Elite-C-Se samples, and the results showed that the degraded Elite-C-Se composites at 50% and 65% by weight had an oxygen content of around 24, 0% for both samples at approximately the same time frame on TGA-DSC analysis. The 50 wt% Se degraded Elite C-Se sample had a weight loss of about .32.0 wt% between 200 and 250 ° C; the Elite C-Se sample with 55 wt% Se had a weight loss of 27.5%; the Elite C-Se sample with 60 wt% Se had a weight loss of about 24.4% and the Elite C-Se sample with 70 wt% Se had a weight loss of 17.7 wt. -% on. It is believed that the weight loss between 200 and 250 ° C for the degraded C-Se composites made with Elite-C is related to carbon content. The higher the carbon content (or the lower the Se content), the greater the weight loss between 200 and 250 ° C. This suggests that the carbon in the Elite-C-Se composites was oxidized by the surrounding oxygen at room temperatures, which is undesirable.
Es wurde auch bemerkt, dass die frisch hergestellten C-Se-Verbundmaterialien mit Elite-C keinen merklichen Gewichtsverlust zwischen 200 und 250 °C zeigten (sicher keine beobachtbaren exothermen Verhaltensweisen), wenn sie frisch hergestellt durch TGA-DSC in einem Argonstrom analysiert wurden.It was also noted that the freshly made C-Se composites with Elite-C showed no noticeable weight loss between 200 and 250 ° C (certainly no observable exothermic behaviors) when analyzed freshly by TGA-DSC in an argon stream.
Als ein anderes Vergleichsbeispiel weist Maxsorb MSP20X, ein aktiviertes Carbon, das bei Kansai Coke Chemicals Co., LTD, Japan (unten „Kansai“) erhältlich ist, auch einen Sauerstoffgehalt von etwa 1,5 Gew.-% auf und wurde verwendet, um ein C-Se-Verbundmaterial mit einem Selengehalt von 65 Gew.-% vorzubereiten. Etwa 18 Monate später zeigte dieses C-Se-Verbundmaterial auch einen exothermen Gewichtsverlust von etwa 2,4 % bei Temperaturen zwischen 200 und 250 °C, in derselben Umgebung wie die oben beschriebenen Elite-C-Se-Verbundmaterialien. Dieses durch seine Umgebung verschlechterte Maxsorb C-Se-Verbundmaterial zeigte auch einen Sauerstoffgehalt von etwa 14 Gew.-%.As another comparative example, Maxsorb MSP20X, an activated carbon available from Kansai Coke Chemicals Co., LTD, Japan (hereinafter “Kansai”) also has an oxygen content of about 1.5% by weight and was used to to prepare a C-Se composite material with a selenium content of 65% by weight. About 18 months later, this C-Se composite also showed an exothermic weight loss of about 2.4% at temperatures between 200 and 250 ° C, in the same environment as the Elite C-Se composites described above. This environmental degraded Maxsorb C-Se composite also showed an oxygen content of about 14% by weight.
Die Entdeckungen in den obenstehenden Vergleichsbeispielen zeigen, dass ein C-SE-Verbundmaterial, das mit Carbon hergestellt wird, das einen Sauerstoffgehalt kleiner als 2 % umfasst, unerwünscht ist und zu exothermem Gewichtsverlust aufgrund von Umgebungsbedingungen neigt, wie, ohne Einschränkung, Umgebungssauerstoff oder Umgebungsfeuchtigkeit bei Raumtemperaturen. Soweit man versteht, kann der exotherme Gewichtsverlust bei Temperaturen zwischen 200 °C und 250 °C mit dem Prozentsatz an Carbon in dem C-Se-Verbundmaterial zusammenhängen, was nahelegt, dass Carbon in den C-Se-Verbundmaterialien von dem Umgebungssauerstoff oder der Umgebungsfeuchtigkeit angegriffen wurde, was auch von der erheblichen Erhöhung des Sauerstoffgehalts in den verschlechterten C-Se-Proben bewiesen wird. Es wurde beobachtet, dass das Sauerstoffniveau frisch hergestellter C-Se-Verbundmaterialien typischerweise einer Zahl nahe ist, die gleich der Multiplikation des Sauerstoffgehalts des Carbon-Ausgangsmaterials mit dem Prozentsatz des Carbons in dem C-Se-Verbundmaterial ist. Es wurde auch beobachtet, dass die aktivierten Elite-C-Carbons und Maxsorb 20X bei Umgebungsbedingungen beständig sind. Das Selen, das zum Herstellen der C-Se-Verbundmaterialien verwendet wird, ist chemisch rein, typischerweise zu mehr als 99,5 Gew.-%. Der niedrige Sauerstoffgehalt von Elite-C- oder Maxsorb-MSP-20X-Carbon kann direkt mit dem Mangel der chemischen Deaktivierungsfunktionsgruppe zusammenhängen, die Sauerstoff in dem EMAC-π-Bondingsystem eines Carbongerüsts umfasst.The discoveries in the comparative examples above show that a C-SE composite made with carbon containing less than 2% oxygen is undesirable and is prone to exothermic weight loss due to environmental conditions such as, without limitation, Ambient oxygen or humidity at room temperatures. As far as one understands, the exothermic weight loss at temperatures between 200 ° C and 250 ° C may be related to the percentage of carbon in the C-Se composite, suggesting that carbon in the C-Se composites depends on the ambient oxygen or moisture was attacked, which is also evidenced by the significant increase in oxygen content in the deteriorated C-Se samples. It has been observed that the oxygen level of freshly made C-Se composites is typically close to a number equal to multiplying the oxygen content of the carbon starting material by the percentage of carbon in the C-Se composite. The activated Elite-C carbons and Maxsorb 20X have also been observed to withstand ambient conditions. The selenium used to make the C-Se composites is chemically pure, typically greater than 99.5% by weight. The low oxygen content of Elite-C or Maxsorb-MSP-20X-Carbon may be directly related to the lack of the chemical deactivation functional group, which includes oxygen in the EMAC-π-bonding system of a carbon scaffold.
Bei einem anderen Beispiel wurde eine immobilisierte Selenprobe, die Selen und ein Carbongerüst umfasst, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, mit einem Carbongerüst, das einen Sauerstoffgehalt von etwa 9 % aufweist, vorbereitet. Es wurde beobachtet, dass sich die immobilisierte Selen-Probe bei der TGA-DSC-Analyse in einem Argonstrom noch gleich verhielt; nach etwa 26 Monaten bestand ein merklicher Gewichtsverlust zwischen 200 und 250 °C, und es gab kein beobachtbares exothermes Verhalten in diesem Temperaturbereich. Die Anwesenheit der chemischen Deaktivierungsfunktionsgruppe bei diesem Beispiel, das Sauerstoff in einem Carbongerüst umfasst, kann für die erfolgreiche Immobilisation des Chalkogens kritisch sein.In another example, an immobilized selenium sample comprising selenium and a carbon backbone comprising a chemical deactivation functional group was prepared with a carbon backbone comprising an oxygen content of about 9%. It was observed that the immobilized selenium sample still behaved the same in the TGA-DSC analysis in an argon stream; after about 26 months there was a noticeable weight loss between 200 and 250 ° C, and there was no observable exothermic behavior in this temperature range. The presence of the chemical deactivating functional group in this example, which comprises oxygen in a carbon backbone, can be critical to the successful immobilization of the chalcogen.
In einem immobilisierten Chalkogen ist das Chalkogen chemisch immobilisiert. Das freie Elektronenpaar-Donator-Akzeptor-Bindungssystem in dem immobilisierten Chalkogen verankert sich als ein Element, Chalkogenid oder Polychalkogenid, was eine viel höhere Energie benötigt, damit Chalkogen die starke Aktivierungsenergiebarriere überwindet und entweicht.In an immobilized chalcogen, the chalcogen is chemically immobilized. The lone pair donor-acceptor bonding system in the immobilized chalcogen anchors itself as an element, chalcogenide or polychalcogenide, which requires a much higher energy for chalcogen to overcome the strong activation energy barrier and escape.
Die Van-der-Waals-Kräfte und Kapillarkraft sind typischerweise in einem S-C-Verbundmaterial, einem C-Se-Verbundmaterial oder einem T-Se-Verbundmaterial vorhanden, bei dem ein Chalkogen als ein Gastmolekül in poriges Carbon gegossen ist, das als ein Hostmaterial arbeitet. Van-der-Waals-Kräfte betragen typischerweise etwa 4 kJ/mol, und die stärksten Van-der-Waals-Kräfte können 40 kJ/mol erreichen. Wechselwirkungen zwischen Van-Dder-Waals-Kräften und Kapillarkraft sind typischerweise physisch, nicht chemisch. Physische Wechselwirkungen involvieren keine Änderungen des Elektronenzustands der Gast- und der Hostmoleküle, das heißt kein chemisches Binden. Für ein physisch eingeschlossenes C-Chalkogen-Verbundmaterial ist das Chalkogen durch physische Wechselwirkungen, wie Van-der-Waals-Wechselwirkungen und Kapillarkraft oder Oberflächenspannungen aufgrund von Krümmungen der Poren der Carbons eingeschlossen.The van der Waals forces and capillary force are typically present in an SC composite material, a C-Se composite material, or a T-Se composite material in which a chalcogen as a guest molecule is cast into porous carbon that acts as a host material is working. Van der Waals forces are typically around 4 kJ / mol, and the strongest van der Waals forces can reach 40 kJ / mol. Interactions between Van Dder Waals forces and capillary force are typically physical, not chemical. Physical interactions do not involve any changes in the electronic state of the guest and host molecules, i.e. no chemical bonding. For a physically entrapped C-chalcogen composite material, the chalcogen is entrapped by physical interactions such as van der Waals interactions and capillary force or surface tension due to curvatures of the pores of the carbons.
Wenn die Kräfte, die die Wechselwirkungen involvieren, unter den Gastmolekülen und dem Host ein Niveau erreichen, das eine Aktivierungsenergie von 96 kJ/mol oder höher (oder 1 eV) erreicht, um zu überwinden und zu entweichen, sind die Wechselwirkungen zwischen den Gast- und Hostmolekülen definiert und erreichen ein Niveau chemischer Wechselwirkungen. Chemische Wechselwirkungen involvieren typischerweise Änderungen des Elektronenzustands der Moleküle oder Atome. Solche Änderungen können das Brechen einer existierenden chemischen Bindung, das Bilden einer neuen chemischen Bindung oder das Verstärken einer existierenden chemischen Bindung oder das Schwächen einer existierenden chemischen Bindung involvieren. Die Kräfte, die die Gastmoleküle und den Host an einem Niveau zwischen 40 und 95 kJ/mol involvieren sind vorübergehend, eine mögliche Kombination physischer Wechselwirkungen und chemischer Adsorption. In einem Zustand chemischer Absorption existiert Chalkogen immer noch als ein Chalkogenmolekül, zum Beispiel als eine adsorbierte Form von O2, S8 oder Se8, das dann wiederum Elektronen während eines Batterie-Entladeprozesses akzeptieren kann, die ein Polychalkogenid-Ion, wie O2 2-, Sn 2- oder Sen 2-, die unerwünscht sind, bilden.When the forces involved in the interactions among the guest molecules and the host reach levels that reach an activation energy of 96 kJ / mol or higher (or 1 eV) to overcome and escape, the interactions between the guest molecules are and host molecules define and reach a level of chemical interactions. Chemical interactions typically involve changes in the electronic state of the molecules or atoms. Such changes can involve breaking an existing chemical bond, forming a new chemical bond, or strengthening an existing chemical bond, or weakening an existing chemical bond. The forces that involve the guest and host at levels between 40 and 95 kJ / mol are transient, a possible combination of physical interactions and chemical adsorption. In a state of chemical absorption, chalcogen still exists as a chalcogen molecule, for example as an adsorbed form of O 2 , S 8 or Se 8 , which in turn can accept electrons during a battery discharge process that a polychalcogenide ion, such as O 2 2- , S n 2- or Se n 2- , which are undesirable.
Eine Aktivierungsenergie (bei 15 Gew.-% Verlust), die erforderlich ist, um ein immobilisiertes Chalkogen-System, das aus Chalkogen und einem Carbongerüst besteht, zu überwinden, was das Brechen einer Donator-Akzeptor-Bindung des freien Elektronenpaars zwischen Chalkogen und dem Carbongerüst involvieren kann, kann ≥ 96 kJ/mol, ≥ 99 kJ/mol, ≥ 102 kJ/mol, ≥ 105 kJ/mol, ≥ 108 kJ/mol oder ≥ 111 kJ/mol betragen. Eine höhere Aktivierungsenergie für das immobilisierte Chalkogen kann sicherstellen, dass Chalkogen sachgemäß durch starke chemische Wechselwirkungen verankert wird und nur schwer das immobilisierte Chalkogensystem verlassen kann, was für eine beständige Zyklisierungsperformanz für eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, wünschenswert ist. Eine höhere Aktivierungsenergie kann auch die Anwesenheit starker chemischer Wechselwirkungen zwischen Chalkogen und Carbongerüst nahelegen, was ein Mindestniveau an Bildung eines Polychalkogenids sicherstellt.An activation energy (at 15 wt.% Loss) that is required to overcome an immobilized chalcogen system consisting of chalcogen and a carbon skeleton, which results in the breaking of a donor-acceptor bond of the lone pair between chalcogen and the Carbon skeleton can be ≥ 96 kJ / mol, ≥ 99 kJ / mol, ≥ 102 kJ / mol, ≥ 105 kJ / mol, ≥ 108 kJ / mol or ≥ 111 kJ / mol. A higher activation energy for the immobilized chalcogen can ensure that chalcogen is properly anchored by strong chemical interactions and is difficult to leave the immobilized chalcogen system, which is desirable for consistent cycling performance for a rechargeable battery comprising immobilized chalcogen. A higher activation energy can also suggest the presence of strong chemical interactions between chalcogen and carbon skeleton, which ensures a minimum level of polychalcogenide formation.
Die Log_Pre-Exponential-Konstante (Stoßfrequenz) für ein immobilisiertes Chalkogen beträgt wünschenswert ≥ 7,0, ≥ 7,2, ≥ 7,4, ≥ 7,6 oder ≥ 7,8. Immobilisiertes Chalkogen kann eine hohe Stoßfrequenz aufweisen; das Chalkogen kann folglich mehr Wechselwirkungen mit dem Carbongerüst für verbesserte elektrische Leitung während elektrochemischer Prozesse aufweisen.The Log_Pre exponential constant (shock frequency) for an immobilized chalcogen is desirably ≥ 7.0, ≥ 7.2, ≥ 7.4, ≥ 7.6 or ≥ 7.8. Immobilized chalcogen can have a high impact frequency; the chalcogen can thus have more interactions with the carbon backbone for improved electrical conduction during electrochemical processes.
Um einem immobilisierten Chalkogensystem zu entkommen, erfordert das Chalkogen in dem immobilisierten System ausreichende kinetische Energie. Bei einem Beispiel kann die kinetische Mittelpunkt-Gewichtsverlustenergie -1.840,3x2 + 90,075x + D betragen, wobei x der Schwefel-Gewichtsprozentsatz des gesamten Selens und Schwefels in dem immobilisierten Chalkogensystem ist; D kann ≥ 9.500 J/mol ≥ 9.700 J/mol, ≥ 9.900 J/mol, ≥ 10.000 J/mol, 10.200 J/mol, 10.400 J/mol oder ≥ 10.600 J/mol betragen; die Mittelpunkt-Gewichtsverlusttemperatur beträgt -147,57 x2 + 7,2227 x + C, wobei C ≥ 510 °C, ≥ 520 °C, ≥ 530 °C, ≥ 540 °C, ≥ 550 °C, 560 °C oder ≥ 570 °C betragen kann.In order to escape an immobilized chalcogen system, the chalcogen in the immobilized system requires sufficient kinetic energy. In one example, the midpoint kinetic weight loss energy may be -1,840.3x 2 + 90.075x + D, where x is the sulfur weight percentage of the total selenium and sulfur in the immobilized chalcogen system; D can be ≥ 9,500 J / mol, ≥ 9,700 J / mol, ≥ 9,900 J / mol, ≥ 10,000 J / mol, 10,200 J / mol, 10,400 J / mol or ≥ 10,600 J / mol; the midpoint weight loss temperature is -147.57 x 2 + 7.2227 x + C, where C ≥ 510 ° C, ≥ 520 ° C, ≥ 530 ° C, ≥ 540 ° C, ≥ 550 ° C, 560 ° C or ≥ 570 ° C.
Es wird angenommen, dass das d-Spacing des Carbongerüsts in dem immobilisierten Chalkogen schwindet, wie in
Immobilisiertes Chalkogen kann in einer Batterie, einem Kondensator oder einer Energiespeichervorrichtung verwendet werden. Eine Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, kann eine Primärbatterie oder eine Sekundär- (oder wiederaufladbare) Batterie sein. Eine Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, kann eine Kathode, eine Anode, einen Separator und einen Elektrolyt umfassen. Immobilisiertes Chalkogen kann auch als ein Kathodenmaterial in einer Batterie verwendet werden. Die Anode kann ein metallisches Material sein, zum Beispiel ein Metall der Gruppe IA (ein Alkalimetall wie Li, Na, K usw.), ein Metall der Gruppe IIA (Erdalkali wie Mg, Ca, Ba usw.), ein Metall der Gruppe IIA (wie Al, Ga oder In), ein Metall der Gruppe IVA (wie Sn oder Pb), ein Metall der Gruppe V (wie Sb oder Bi), ein Halbleitermetall (wie Si, Ge oder As), ein Übergangsmetall oder ein Seltenerdenmetall, wie in der Tabelle des periodischen Systems gezeigt. Graphit kann auch als ein Anodenmaterial verwendet werden. Eine organische Polymerfolie oder eine anorganische Folie kann als ein Separator verwendet werden. Die Oberfläche einer anorganischen Polymerfolie kann für wünschenswerte Eigenschaften einer Batterie modifiziert werden. Ein organischer Elektrolyt oder ein wässriger Elektrolyt kann in einer Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, verwendet werden. Ein Beispiel eines organischen Elektrolyts kann ein auf Carbonat basierender Elektrolyt, ein auf Ether basierender Elektrolyt oder ein spezieller organischer Elektrolyt sein. Zu bemerken ist, dass ein auf Carbonat basierender Elektrolyt ein herkömmlicher Elektrolyt ist, der in aktuellen wiederaufladbaren Lithium-Ion-Batterien verwendet wird. Ein Beispiel eines anorganischen Elektrolyts kann ein Festelektrolyt sein. Eine Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, kann einen Hybrid-Elektrolyt aufweisen, in dem ein Festelektrolyt mit einer doppelten Funktion verwendet wird, eine, die es Ionen gestattet, durch die Festelektrolytmembran zu leiten, und die andere, die den Transport bestimmter unerwünschter Ionen verhindert, wodurch Dendritenbildung vermieden oder verhindert wird.Immobilized chalcogen can be used in a battery, capacitor, or energy storage device. A battery that includes immobilized chalcogen can be a primary battery or a secondary (or rechargeable) battery. A battery that includes immobilized chalcogen can include a cathode, an anode, a separator, and an electrolyte. Immobilized chalcogen can also be used as a cathode material in a battery. The anode can be a metallic material, for example a Group IA metal (an alkali metal such as Li, Na, K, etc.), a Group IIA metal (alkaline earth such as Mg, Ca, Ba, etc.), a Group IIA metal (such as Al, Ga or In), a group IVA metal (such as Sn or Pb), a group V metal (such as Sb or Bi), a semiconductor metal (such as Si, Ge or As), a transition metal or a rare earth metal, as shown in the table of the periodic table. Graphite can also be used as an anode material. An organic polymer film or an inorganic film can be used as a separator. The surface of an inorganic polymer film can be modified for desirable properties in a battery. An organic electrolyte or an aqueous electrolyte can be used in a battery comprising immobilized chalcogen. An example of an organic electrolyte can be a carbonate-based electrolyte, an ether-based electrolyte, or a special organic electrolyte. It should be noted that a carbonate-based electrolyte is a common electrolyte used in current lithium-ion rechargeable batteries. An example of an inorganic electrolyte can be a solid electrolyte. A battery comprising immobilized chalcogen may have a hybrid electrolyte in which a solid electrolyte is used with a dual function, one that allows ions to pass through the solid electrolyte membrane and the other that prevents the transport of certain undesirable ions , whereby dendrite formation is avoided or prevented.
Bei einem Beispiel kann immobilisiertes Chalkogen auf einen Ladungskollektor, wie auf eine Aluminiumfolie, aufgetragen oder aufgeschichtet werden, gefolgt von dem Zusammenfügen einer Batterie mit Lithium-Metallanode, einem auf Carbonat basierenden Elektrolyt und einem Polymerseparator, was in einer Batterie resultiert, die immobilisiertes Chalkogen umfasst. Eine Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, kann fähig sein, zu einer Spannung zu entladen, die so niedrig wie praktisch wünschenswert ist. Diese Batterie kann eine einzige Stufe eines spannungsspezifischen Entladungskapazitätsprofils unter einem konstanten Strom mit einer C-Rate von 0,001 bis 100C-Rate oder darüber aufweisen, was nahelegt, dass Chalkogen direkt zwei Elektronen gewinnt und Chalkogenid bildet, und eine coulombsche Effizienz beim Zyklisieren von ≥ 90 %, ≥ 95 %, ≥ 97 %, ≥ 98 % oder ≥ 99 % aufweist. Diese Batterie kann ein mehrstufiges spannungsspezifisches Entladungskapazitätsprofil aufweisen, was eventuell unerwünscht ist, aber solange die coulombsche Zyklisierungseffizienz ≥ 90 %, ≥ 95 %, ≥ 97 %, ≥ 98 % oder ≥ 99 % beträgt, da das Polychalkogenid-Ion in dem immobilisierten Chalkogensystem verankert ist, so fällt es ihm schwer, der Masse oder dem System aus immobilisiertem Chalkogen zu entkommen und zu der Anode zu pendeln.In one example, immobilized chalcogen can be applied or laminated to a charge collector, such as aluminum foil, followed by assembling a battery with a lithium metal anode, a carbonate-based electrolyte, and a polymer separator, resulting in a battery comprising immobilized chalcogen . A battery comprising immobilized chalcogen may be able to discharge to a voltage as low as is practically desirable. This battery may have a single level of voltage-specific discharge capacity profile under a constant current with a C-rate of 0.001 to 100C-rate or above, suggesting that chalcogen directly gains two electrons to form chalcogenide, and a Coulomb efficiency in cycling of ≥ 90 %, ≥ 95%, ≥ 97%, ≥ 98% or ≥ 99%. This battery can have a multi-level voltage-specific discharge capacity profile, which may be undesirable, but as long as the Coulomb cycling efficiency is ≥ 90%, ≥ 95%, ≥ 97%, ≥ 98% or ≥ 99% because the polychalcogenide ion in the immobilized chalcogen system is anchored, it is difficult for him to escape the mass or the system of immobilized chalcogen and to commute to the anode.
Bei einer C-Rate von 1 kann eine Batterie, die Chalkogen umfasst, eine spezifische Kapazität von ≥ 50 %, ≥ 55 %, ≥ 60 %, ≥ 65 % oder ≥ 70 % ihrer theoretischen spezifischen Kapazität bei ihrem zehnten Zyklus aufweisen und kann fähig sein, 70 % ihrer Kapazität nach ≥ 50 Zyklen, ≥ 100 Zyklen, ≥ 150, ≥ 200 Zyklen oder ≥ 250 Zyklen zu behalten.At a C-rate of 1, a battery that includes chalcogen can have a specific capacity of ≥ 50%, ≥ 55%, ≥ 60%, ≥ 65% or ≥ 70% of its theoretical specific capacity at its tenth cycle and can be capable of be able to retain 70% of their capacity after ≥ 50 cycles, ≥ 100 cycles, ≥ 150, ≥ 200 cycles or ≥ 250 cycles.
Bei einer C-Rate von 1 kann eine Batterie, die Chalkogen umfasst, eine Mittelpunkt-Entladespannung von ≥1,2 V, ≥1,3 V, ≥ 1,4 V, ≥ 1,5 V oder ≥ 1,5 V aufweisen.With a C-rate of 1, a battery comprising chalcogen may have a midpoint discharge voltage of ≥1.2V, ≥1.3V, ≥1.4V, ≥1.5V, or ≥1.5V .
Eine Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, kann fähig sein, mit einer C-Rate von ≥ 0,1, ≥ 0,3, ≥ 0,5, ≥ 1,0, ≥ 2,0 oder ≥ 5,0 zu entladen.A battery comprising immobilized chalcogen may be able to discharge at a C-rate of ≥ 0.1, ≥ 0.3, ≥ 0.5, ≥ 1.0, ≥ 2.0, or ≥ 5.0.
Eine Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, kann eine 50 %-ige spezifische Kapazität der theoretischen spezifischen Kapazität des Chalkogens in der Batterie für ≥ 50 Zyklen, ≥ 100 Zyklen, ≥ 150 Zyklen, ≥ 200 Zyklen oder ≥ 250 Zyklen behalten.A battery that includes immobilized chalcogen can maintain a 50% specific capacity of the theoretical specific capacity of the chalcogen in the battery for ≥ 50 cycles, ≥ 100 cycles, ≥ 150 cycles, ≥ 200 cycles, or ≥ 250 cycles.
Beispiele:Examples:
Das DSC/TGA-System, erhältlich bei TA Instruments, New Castle, Delaware, TGA-DSC wurde zum Charakterisieren thermischer Verhaltensweisen von Proben verwendet. Für die Temperatur wurde es mit Zn kalibriert. Ein modulierter Modus wurde verwendet, um die Aktivierungsenergie und den Pre-Exponential-Faktor von Carbon-Selen, Carbon-Schwefel, Carbon-Selen/Schwefel und anderen Proben in Argonflüssen mit einer Heizrate von 3,5 °C/Min. mit Graphitschmelztiegeln (ohne Deckel) zu bestimmen. Die TGA-Analyse erfolgte in Argonflüssen mit einer Heizrate von 10 °C/Min. mit Aluminiumoxid-Schmelztiegeln mit Deckel (Aluminiumoxid) darauf. Raman-Spektren wurden über ein konfokales Raman-Mikroskop mit Argonlaser zu 488 nm, erhältlich bei Renishaw - PLC mit einem Büro in West Perdue, Illinois, gesammelt. Röntgen-Beugungsresultate wurden auf dem Philips-System PD5000 mit einem Kupferziel gesammelt. Die BET-Oberflächen- und Porengrößenverteilungen des Carbons wurden auf einem BET-Analysegerät der Marke Micromeritics mit Stickstoff und CO2 als Untersuchungsmoleküle separat gesammelt, und die Resultate wurden kombiniert.The DSC / TGA system, available from TA Instruments, New Castle, Delaware, TGA-DSC was used to characterize thermal behaviors of samples. For the temperature it was calibrated with Zn. A modulated mode was used to calculate the activation energy and pre-exponential factor of carbon-selenium, carbon-sulfur, carbon-selenium / sulfur and other samples in argon flows at a heating rate of 3.5 ° C / min. to be determined with graphite crucibles (without lid). The TGA analysis was carried out in argon flows at a heating rate of 10 ° C./min. with alumina crucibles with lids (alumina) on top. Raman spectra were collected on a confocal Raman microscope with argon laser at 488 nm, available from Renishaw-PLC with an office in West Perdue, Illinois. X-ray diffraction results were collected on the Philips PD5000 system with a copper target. The BET surface area and pore size distributions of the carbon were collected separately on a Micromeritics brand BET analyzer with nitrogen and CO 2 as test molecules, and the results were combined.
Beispiele für Vorbereitungen eines Carbongerüsts, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe, die Sauerstoff umfasst, umfasst.Examples of preparations of a carbon skeleton including a chemical deactivating functional group including oxygen.
Beispiel 14: Carbongerüst, das eine Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Sauerstoff umfasst (9 bis 10 Gew.-%) - Großer Schmelztiegel unter statischen BedingungenExample 14: Carbon Scaffold Comprising a Deactivating Functional Group Comprising Oxygen (9-10 wt%) - Large Crucible under Static Conditions
Kaliumcitrat (1 kg) wurde in einen Schmelztiegel aus rostfreiem Stahl (Bootform, 4,5 Zoll Durchmesser und 24 Zoll Länge) platziert. Der Schmelztiegel wurde dann in einen Rohrreaktor aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 6 Zoll platziert. In Anwesenheit eines Argonflusses wurde der Reaktor mit einer Heizrate von 5 °C/Min. auf 600 °C erhitzt, durchgewärmt oder gehalten bei 600 °C während einer Stunde (für Carbonisation) und rampenartig bei 3 °C/Min. bis 800 °C weiter erhitzt und durchgewärmt oder gehalten bei 800 °C während zwei Stunden (zur Aktivierung). Der Reaktor wurde dann auf 180 °C abgekühlt, und der Argonfluss wurde zu einem Stickstofffluss gewechselt, der durch einen Wasserrührer geperlt wurde, um Wassermoleküle aufzunehmen. Der Stickstofffluss trug die Wassermoleküle in den Reaktor, um mit metallischem Kalium zu reagieren, das sich während des Carbonherstellungsprozesses bildete, um zu vermeiden, dass das metallische Kalium entflammt, wenn es mit Umgebungsbedingungen exponiert wird.Potassium citrate (1 kg) was placed in a stainless steel crucible (boat shape, 4.5 "diameter and 24" length). The crucible was then placed in a stainless
Das resultierende Gemisch des Carbongerüsts mit zersetzten Salzen (hauptsächlich Kaliumcarbonat) wurde optional gemeinsam mit einer Lauge (Kaliumhydroxid) in Wasser aufgeschlämmt (vermischt). Salzsäure wurde verwendet, um den Slurry mit einem Überschuss zu neutralisieren, um einen pH um 1 zu erreichen. Der Carbon-Slurry wurde mit einer Filterpresse gefiltert und mit Wasser bis zu einer Leitfähigkeit von 10 µS/cm oder niedriger gewaschen.The resulting mixture of the carbon skeleton with decomposed salts (mainly potassium carbonate) was optionally slurried (mixed) in water together with an alkali (potassium hydroxide). Hydrochloric acid was used to neutralize the slurry with excess to achieve a pH around 1. The carbon slurry was filtered with a filter press and washed with water up to a conductivity of 10 µS / cm or lower.
Das gewaschene Carbon wurde dann aus der Filterpresse geladen und in einem Ofen bei einer Temperatur von ~120 °C getrocknet, was in einem Carbongerüst resultierte, das eine Deaktivierungsgruppe umfasst, die Sauerstoffgehalte an einem Niveau von etwa 9 bis 10 Gew.-% aufwies, was überraschend hoch war.The washed carbon was then loaded from the filter press and dried in an oven at a temperature of ~ 120 ° C, resulting in a carbon backbone comprising a deactivating group that had oxygen levels at a level of about 9-10% by weight, which was surprisingly high.
Zu bemerken ist, dass beobachtet wurde, dass der Sauerstoffgehalt in dem Carbongerüst anscheinend von einer Chargengröße des Kaliumcitrats abhängt. Eine kleine Kaliumcitratcharge kann zu einem Carbongerüst führen, das daraus gebildet ist, das einen Sauerstoffgehalt an einem Niveau von etwa 5 Gew.-% aufweist.Note that it was observed that the oxygen content in the carbon skeleton apparently depends on a batch size of the potassium citrate. A small batch of potassium citrate can result in a carbon backbone formed therefrom, which has an oxygen content at a level of about 5% by weight.
Beispiel 15: Carbongerüst, das eine Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Sauerstoff umfasst (~12 bis 14 Gew.-%) - Kontinuierlich in einem Drehrohrofen.Example 15: Carbon Scaffold Comprising a Deactivating Functional Group Comprising Oxygen (~ 12 to 14 wt%) - Continuously in a rotary kiln.
Kaliumcitrat wurde aus einem Bunker mit einer Rate von etwa 9 Pfund pro Stunde mit einem Schneckenaufgeber in einen Drehrohrofen mit einem Durchmesser von 6 Zoll mit einer Stange aus rostfreiem Stahl darin zum Zweck des Mischens und Abkratzens eingespeist. Der Ofen enthielt vier Heizzonen und wurde mit den folgenden Temperatureinstellungen aufgeheizt: die letzte Temperaturzone (Zone 4) wurde auf 600 °C gesteuert; die Temperatur für Zone 3 wurde auf 400 °C eingestellt; und die Temperatur für die zwei ersten Zonen (Zone 2 und Zone 1) wurde auf 150 °C eingestellt. Beim Erreichen des Dauerzustands sind die Temperaturen in den Zonen 3, 2 und 1 typischerweise höher als die Sollwerte, zum Beispiel zwischen 400 und 500 °C für Zone 3 und zwischen 300 und 400 °C für Zone 1 und Zone 2, und zwar aufgrund der Hitze, die von der Zone 4 zu Zone 3 und weiter zu Zone 2 und weiter zu Zone 1 geleitet wird. Zone 4 kann die einzige sein, die aktiv erhitzt wurde. Der Ofen wird um einen Winkel von etwa 1° mit einer Drehzahl von etwa 6 Umdrehungen pro Minute gedreht. Ein Argonfluss wurde gegen die Flussrichtung des Kaliumcitrats entwässert, während das Kaliumcitrat carbonisiert wurde. Das Kaliumcitrat wurde aus dem Bunker in Zone 1 eingespeist, und über die Drehung des Drehrohrofens wurde das Kaliumcitrat allmählich durch die Zonen 2 bis 4 des Drehrohrofens zum Ausladen des carbonisierten Kaliumcitrats und der zersetzten Salze aus Zone 4 in einen Metallbehälter bewegt. Nach etwa 4 Stunden nach dem Entladen in den Metallbehälter erreichten die Reaktionen einen Beharrungszustand, und das erzeugte Gemisch enthielt das carbonisierte Carbongemisch für den nächsten Schritt des Prozesses, nämlich die Aktivierung.Potassium citrate was fed from a bunker at the rate of about 9 pounds per hour with an auger feeder into a 6 inch diameter rotary kiln with a stainless steel rod therein for mixing and scraping. The oven contained four heating zones and was heated with the following temperature settings: the last temperature zone (zone 4) was controlled to 600 ° C; the temperature for
Dann wurde das erzeugte carbonisierte Carbongemisch im Beharrungszustand von der Karbonisation mit einer ähnlichen Rate in den Drehrohrofen von Zone 1 bis Zone 4 ein zweites Mal für die Aktivierung bei hohen Temperaturen gespeist, alle Zonen wurden auf 800 °C mit einer Drehzahl von 4 Umdrehungen pro Minute gesteuert, um 1° gekippt, mit einem Argonfluss gegen die Flussrichtung des carbonisierten Carbongemischs. Das gesammelte Gemisch aus dem Aktivierungsprozess enthielt das Carbongerüst für weitere Verarbeitung.Then the carbonized carbon mixture produced was fed in the steady state from the carbonization at a similar rate into the rotary kiln from
Dann wurde das Gemisch, das aus dem Aktivierungsprozess gesammelt wurde, aufgeschlämmt (gemischt), gefolgt von Mischen mit Salzsäure, Filtern und Waschen in einer Filterpresse sowie Trocknen in einem Ofen bei -120 °C. Das derart erzeugte Carbon ist ein Carbongerüst, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die als einen Sauerstoffgehalt von 12 Gew.-% aufweisend analysiert wurde, was höher ist als die Carbongerüstmaterialien, die aus dem großen Schmelztiegel unter statischen Bedingungen erzeugt wurden.Then, the mixture collected from the activation process was slurried (mixed), followed by mixing with hydrochloric acid, filtering and washing in a filter press, and drying in an oven at -120 ° C. The carbon thus produced is a carbon skeleton comprising a chemical deactivating function group which was analyzed to have an oxygen content of 12 wt%, which is higher than the carbon skeleton materials produced from the large crucible under static conditions.
Beispiele für die Immobilisation von ChalkogenExamples of the immobilization of chalcogen
Beispiel 16: Immobilisation von Selen mit einem Carbongerüst, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Sauerstoff umfasst (Sauerstoffgehalt etwa 9 bis 10 %).Example 16: Immobilization of selenium with a carbon skeleton comprising a chemical deactivation function group comprising oxygen (oxygen content about 9 to 10%).
Selenpulver (2,4 g) und ein Carbongerüst mit einem Sauerstoffgehalt von 9,29 g, 2 g (60 Gew.-% Se und 40 Gew.-% Carbongerüst) wurden in ein Kugelmühlengefäß gewogen. Das Gefäß wurde dann verschlossen und in einer Doppelplanetenmühle während 40 Minuten gemahlen. Das gemahlene Gemisch wurde dann unter Vakuum bei 80 °C über Nacht getrocknet, und dann in einen Autoklav in einer Argon-Glove-Box mit einem dichten Deckel transferiert. Der Autoklav wurde dann in einen Heizofen zum Erhitzen auf eine Temperatur, die auf 230 °C eingestellt war, während 24 Stunden transferiert. Die resultierende Probe ist das immobilisierte Chalkogen, im vorliegenden Fall immobilisiertes Selen. Die Analyse ergab einen Sauerstoffgehalt von 2,6 Gew.-% der Probe.Selenium powder (2.4 g) and a carbon skeleton with an oxygen content of 9.29 g, 2 g (60 wt.% Se and 40 wt.% Carbon skeleton) were weighed into a ball mill jar. The jar was then capped and ground in a double planetary mill for 40 minutes. The ground mixture was then dried under vacuum at 80 ° C. overnight, and then transferred to an autoclave in an argon glove box with a tight lid. The autoclave was then transferred to a heating furnace to be heated at a temperature set at 230 ° C for 24 hours. The resulting sample is the immobilized chalcogen, in the present case immobilized selenium. The analysis showed an oxygen content of 2.6% by weight of the sample.
Beispiel 17: Immobilisation von Selen mit einem Carbongerüst, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Sauerstoff umfasst (Sauerstoffgehalt etwa 12 Gew.-%).Example 17: Immobilization of selenium with a carbon backbone comprising a chemical deactivation functional group comprising oxygen (oxygen content about 12% by weight).
Unter Einhaltung einer ähnlichen Vorgehensweise wie die, die in Beispiel 16 beschrieben ist, wurde immobilisiertes Chalkogen, in diesem Fall immobilisiertes Selen, mit einem Carbongerüst (50 Gew.-% Se-Pulver (2 g) und 50 Gew.-% Carbongerüst), das kontinuierlich in einem Drehrohrofen erzeugt wird, der in Beispiel 15 beschrieben ist, mit 2 Gramm eines Carbongerüsts, das einen Sauerstoffgehalt von 12 % aufweist, vorbereitet. Drei Monate nach seiner Vorbereitung ergab eine Analyse, dass das immobilisierte Selen einen Sauerstoffgehalt von 4,8 Gew.-% aufweist.Using a procedure similar to that described in Example 16, immobilized chalcogen, in this case immobilized selenium, was made with a carbon structure (50% by weight Se powder (2 g) and 50% by weight carbon structure), which is produced continuously in a rotary kiln, which is described in Example 15, with 2 grams of a carbon structure that has an oxygen content of 12%, prepared. Three months after its preparation, an analysis revealed that the immobilized selenium had an oxygen content of 4.8% by weight.
Die Beispiele 16 und 17 weisen auf, dass das immobilisierte Chalkogen, im vorliegenden Fall immobilisiertes Selen, Chalkogen, Carbon und Sauerstoff umfasst.Examples 16 and 17 show that the immobilized chalcogen, in the present case immobilized selenium, comprises chalcogen, carbon and oxygen.
Beispiel 18: Beständigkeit des immobilisierten Chalkogens, im vorliegenden Fall des immobilisierten Selens, unter Umgebungsluft.Example 18: Stability of the immobilized chalcogen, in the present case the immobilized selenium, under ambient air.
Unter Befolgen einer ähnlichen Vorgehensweise wie in den Beispielen 16 und 17 beschrieben, wurden zwei immobilisierte Selenproben separat in Abständen von etwa zwei Jahren vorbereitet, das heißt, dass die zweite immobilisierte Selenprobe (gestrichelte Linie) etwa zwei Jahre nach der ersten (durchgehende Linie) vorbereitet wurde. Diese immobilisierten Selenproben wurden anhand von TGA-DSC analysiert, wie in
Vergleichsbeispiel 3: Vorbereitung von Carbon-Se-Verbundmaterialien mit Selen und handelsüblichen Carbons mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 2 % (zum Beispiel Elite-C und Maxsorb MSP20X)Comparative example 3: Preparation of carbon-Se composite materials with selenium and commercially available carbons with an oxygen content of less than 2% (for example Elite-C and Maxsorb MSP20X)
Unter Befolgen einer ähnlichen Vorgehensweise wie in den Beispielen 16 und 17 beschrieben, unter Verwenden des handelsüblichen Carbon Elite C, das einen Sauerstoffgehalt von 1,19 Gew.-% aufweist, wurden C-Se-Verbundmaterialien mit einem Se-Gehalt von 50 Gew.-%, 55 Gew.-%, 60 Gew.-%, 65 Gew.-% und 70 Gew.-% vorbereitet und in einer Umgebung, zum Beispiel Umgebungsluft bei Raumtemperatur, -druck und -feuchtigkeit, gelagert. Etwa 26 bis 27 Monate später wurden diese C-Se-Verbundmaterialproben auf ihre TGA-DSC-Verhaltensweisen in einem Argonstrom analysiert. Die TGA-DSC-Resultate für 50 Gew.-% Se, 60 Gew.-%Se 70 Gew.-% Se sind in
Etwa 26 Monate nach seiner Vorbereitung wurde das Elite-C-Se-Verbundmaterial mit 65 Gew.-% Se als einen Sauerstoffgehalt von etwa 24 Gew.-% aufweisend analysiert. Das legt nahe, dass Elite-C-Se-Verbundmaterialien unter Umgebungsbedingungen nicht beständig sind, irgendwie greift Sauerstoff oder Feuchtigkeit in der Umgebung das Carbon bei der Anwesenheit von Selen in den Elite-C-Se-Verbundmaterialien an. Das aktivierte Carbon des Elite-C weist einen niedrigen Sauerstoffgehalt auf, der ausschlaggebend sein kann, da es (aufgrund seines niedrigen Sauerstoffgehalts) nicht durch die Anwesenheit einer chemischen Deaktivierungsfunktionsgruppe, die Sauerstoff umfasst, stabilisiert wird.About 26 months after its preparation, the Elite C-Se composite was analyzed to have 65 wt% Se as having an oxygen content of about 24 wt%. This suggests that Elite-C-Se composites are not stable under ambient conditions, somehow oxygen or moisture in the environment will attack the carbon in the presence of selenium in the Elite-C-Se composites. The activated carbon in the Elite-C has a low oxygen content, which can be a determining factor as (due to its low oxygen content) it is not stabilized by the presence of a chemical deactivation group that includes oxygen.
Bei einem anderen Beispiel wurde ein anderes handelsübliches aktiviertes Carbon, Maxsorb MSP20X, dessen Analyse einen Sauerstoffgehalt von 1,33 Gew.-% ergab, verwendet, um das erste und das zweite C-Se-Verbundmaterial vorzubereiten, wobei das erste C-Se-Verbundmaterial einen Se- Gehalt von 65 Gew.-% Se aufwies und das zweite C-Se-Verbundmaterial einen Se-Gehalt von 60 Gew.-% Se. Das zweite C-Se-Verbundmaterial wurde etwa 17 Monate nach dem ersten C-Se-Verbundmaterial vorbereitet. Beide Proben wurden in TGA-DSC zu der Zeit, zu der das zweite C-Se-Verbundmaterial vorbereitet wurde, zum Zweck der Untersuchung von Umgebungsalterungsbeständigkeit dieser Verbundmaterialien, die mit handelsüblichen Carbonmaterialen hergestellt wurden, analysiert. Es wurde entdeckt, dass das erste C-Se-Verbundmaterial einen exothermen Gewichtsverlust bei Temperaturen zwischen 200 bis 250° aufwies, mit einem exothermen Gewichtsverlust (etwa 5 % Gewichtsverlust), der dem der thermischen Verhaltensweisen der oben beschriebenen Elite-C-Se-Verbundmaterialien sehr ähnlich ist. Es wurde auch entdeckt, dass das erste C-Se-Verbundmaterial, das mit Maxsorb MSP20X hergestellt wurde, einen Sauerstoffgehalt nach etwa 17 bis 18 Monaten Alterung unter Umgebungsbedingungen bis zu 14 Gew.-% aufwies. Das erste C-Se-Verbundmaterial war auch durch den Umgebungssauerstoff oxidiert, was die Entdeckungen, die mit den C-Se-Verbundmaterial, das aus aktiviertem Elite-C-Carbon, das oben beschrieben ist, hergestellt wurde, bestätigt.In another example, another commercially available activated carbon, Maxsorb MSP20X, which analysis showed an oxygen content of 1.33% by weight, was used to prepare the first and second C-Se composites, the first being C-Se The composite material had an Se content of 65% by weight Se and the second C-Se composite material had an Se content of 60% by weight Se. The second C-Se composite was prepared about 17 months after the first C-Se composite. Both samples were analyzed in TGA-DSC at the time the second C-Se composite was prepared for the purpose of studying the environmental aging resistance of these composites made with commercially available carbon materials. It was discovered that the first C-Se composite exhibited an exothermic weight loss at temperatures between 200-250 ° C, with an exothermic weight loss (approximately 5% weight loss) similar to that of the thermal behaviors of the Elite C-Se composites described above is very similar. It was also discovered that the first C-Se composite made with Maxsorb MSP20X had an oxygen content of up to 14% by weight after about 17 to 18 months of aging under ambient conditions. The first C-Se composite was also oxidized by the ambient oxygen, which confirms the discoveries made with the C-Se composites made from activated elite C-carbon described above.
Aus den Beispielen von Elite-C-Se-Verbundmaterialien und Maxsorb-Se-Verbundmaterialien nimmt man an, dass beide dieser Carbons niedrigen Sauerstoffgehalt aufweisen, während die Carbongerüstmaterialien der oben beschriebenen Beispiele signifikant höheren Sauerstoffgehalt aufweisen. Soweit man versteht, kann die Beständigkeit der Immobilisation von Chalkogen stark durch die Anwesenheit einer chemischen Deaktivierungsgruppe, die Sauerstoff umfasst, beeinflusst werden.From the examples of Elite-C-Se composites and Maxsorb-Se composites, it is believed that both of these carbons have low oxygen content, while the carbon skeleton materials of the examples described above have significantly higher oxygen content. As far as one can understand, the resistance to immobilization of chalcogen can be greatly affected by the presence of a chemical deactivating group, which includes oxygen.
Vergleichsbeispiel 4: Vorbereitungen von Carbon-SeS2-Verbundmaterialien mit SeS2 (Selendisulfid) und mehrwandigen Carbon-Nanoröhrenmaterialien, wie in Ali Abouimrane et al., J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4505-4508, beschrieben.Comparative Example 4: Preparations of carbon-SeS 2 composite materials with SeS 2 (selenium disulfide) and multi-walled carbon nanotube materials, as described in Ali Abouimrane et al., J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4505-4508.
In ihrer Arbeit bereiteten Abouimrane et al. C-SeS2-Verbundmaterialien durch Verwenden mehrwandiger Nanoröhrenmaterialien (MWCNT) und SeS2 bei 160 °C während 12 Stunden in Luft mit 70 Gew.-% SeS2-Charge (30 Gew.-% MWCNT) vor. Es gibt zwei MWCNT-Materialien, nämlich MWCNT-1 und MWCNT-5.In their work, Abouimrane et al. C-SeS 2 composite materials by using multi-walled nanotube materials (MWCNT) and SeS 2 at 160 ° C for 12 hours in air with 70 wt .-% SeS 2 charge (30 wt .-% MWCNT). There are two MWCNT materials, namely MWCNT-1 and MWCNT-5.
Unter Einhaltung einer ähnlichen Vorgehensweise wie in dem Vergleichsbeispiel 3 beschrieben, wurden Beispiele von MWCNT-1- und MWCNT-5-Materialien eingewogen, 1,2 g und in separate Mahlgefäße platziert, gefolgt von Hinzufügen von 2,8 g SeS2 separat zu jedem Gefäß, mit SeS2-Laden abzielend auf 70 Gew.-% (30 Gew.-% MWCNT). Die Gemische wurden während 15 Minuten in der Kugelmühle gemahlen und von den Mahlgefäßen getrennt. Die Proben wurden dann in zwei separate Schmelztiegel gegeben, in einen herkömmlichen Ofen bei 160 °C während 12 Stunden in Luft gestellt, was in MWCNT-1_SeS2 (70 Gew.-%) und MWCNT-5-SeS2 (70 Gew.-%) resultierte.Using a procedure similar to that described in Comparative Example 3, examples of MWCNT-1 and MWCNT-5 materials were weighed, 1.2 g and placed in separate milling jars, followed by adding 2.8 g of SeS 2 separately to each Vessel with SeS 2 drawer aiming at 70 wt% (30 wt% MWCNT). The mixtures were ball milled for 15 minutes and separated from the milling vessels. The samples were then placed in two separate crucibles, placed in a conventional oven at 160 ° C for 12 hours in air, resulting in MWCNT-1_SeS 2 (70 wt%) and MWCNT-5-SeS 2 (70 wt%). %) resulted.
Das MWCNT-5-Material wurde auch verwendet, um ein C-SeS2-Verbundmaterial mit einem Ladeziel von 38 Gew.-% SeS2 (62 Gew.-% MWCNT-5) herzustellen, gleich wie immobilisierte Chalkogenmaterialien in Übereinstimmung mit Beispiel 19 (unten beschrieben) vorbereitet wurden. Bei diesem Beispiel wurden 2,48 Gramm MWCNT-5 in ein Mahlgefäß gemeinsam mit 1,52 g SeS2-Pulvern gewogen, gefolgt von Kugelmühlenmahlen während 40 Minuten. Das gemahlene Gemisch wurde dann getrennt, pelletiert und in einen Glasrohrreaktor mit einem Durchmesser von ~1 Zoll platziert. Das Gemisch wurde dann an Ort und Stelle mit einem Argonfluss von etwa 600 ml/Min. während 3 Stunden getrocknet. Anschließend wurde der Reaktor bei fließendem Argon mit einer Rate von 10 °C/Min. auf eine Temperatur von 130° erhitzt, und die Temperatur wurde daran während 1,5 Stunden gehalten. Die vorbereitete C-SeS2-Verbundmaterialprobe wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt und als MWCNT-5-_SeS2, ein C-SeS2-Verbundmaterial, das mit MWCNT-5 hergestellt ist, identifiziert.The MWCNT-5 material was also used to make a C-SeS 2 composite material with a loading target of 38 wt% SeS 2 (62 wt% MWCNT-5), same as immobilized chalcogen materials in accordance with Example 19 (described below) have been prepared. In this example, 2.48 grams of MWCNT-5 was weighed into a grinding jar along with 1.52 grams of SeS 2 powders, followed by ball milling for 40 minutes. The milled mixture was then separated, pelleted, and placed in a glass tube reactor ~ 1 inch in diameter. The mixture was then poured in place with an argon flow of about 600 ml / min. dried for 3 hours. The reactor was then with flowing argon at a rate of 10 ° C / min. heated to a temperature of 130 ° and the temperature was held there for 1.5 hours. The prepared C-SeS 2 composite sample was then cooled to room temperature and identified as MWCNT-5-_SeS 2 , a C-SeS 2 composite made with MWCNT-5.
Vergleichsbeispiel 5: Autoklavbehandlung von Rohmaterial-Selen Pulvern, Rohmaterial-Schwefelpulvern und durch Kugelmühlen erzeugte Gemische aus Selen und Schwefel gemäß der folgenden Tabelle 5, ohne Anwesenheit eines Carbongerüsts, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe, die Sauerstoff umfasst, umfasst.
Tabelle 5
Tabelle 5 zeigt eine Anzahl immobilisierter Chalkogene (jeweils 10 g), die nach Proben-ID aufgelistet sind, die mit den aufgelisteten Mengen an Se, S, SeS2 und Carbongerüst mit einer relativ konstanten spezifischen Kapazität (418-423 mAh/g) bei einer Temperatur von 230 °C für 100 % Se-Probe und 130 °C für den Rest der Proben vorbereitet sind.Table 5 shows a number of immobilized chalcogens (10 g each), which are listed according to sample ID, with the listed amounts of Se, S, SeS 2 and carbon skeleton with a relatively constant specific capacity (418-423 mAh / g) a temperature of 230 ° C for 100% Se sample and 130 ° C for the rest of the samples.
Um die Immobilisation von Chalkogen besser zu veranschaulichen, wurden die gleichen Gemische wie bei dem Vergleichsbeispiel 4 ohne das Carbongerüst als Kontrollbeispiele gemäß Tabelle 5 ohne die Gegenwart eines Carbongerüsts vorbereitet. Die entsprechenden Selen- und Schwefelmengen wurden in ein Mahlgefäß gewogen, gefolgt von 40 Minuten Kugelmahlen in einer Doppelplanetenkugelmühle. Jedes gemahlene Gemisch wurde von den Mahlkugeln getrennt und in einen separaten Keramikschmelztiegel transferiert. Eine Gruppe dieser Selen-/Schwefelgemische und der Ausgangsrohmaterialien (Selenpulver und Schwefelpulver) wurden in ihren entsprechenden Schmelztiegeln dann in einen Autoklav in einer Argon-Glove-Box platziert. Der Autoklav wurde dann in einen Heizofen transferiert, und der Ofen wurde auf 130° erhitzt und während 24 Stunden auf 130° gehalten. Die entsprechenden Proben wurden in Umgebungsluft bei Raumtemperatur ausgeladen und in Probengefäße mit entsprechenden Etiketten platziert.In order to better illustrate the immobilization of chalcogen, the same mixtures as in Comparative Example 4 without the carbon skeleton were prepared as control examples according to Table 5 without the presence of a carbon skeleton. The appropriate amounts of selenium and sulfur were weighed into a grinding jar, followed by 40 minutes of ball milling in a double planetary ball mill. Each milled mixture was separated from the milling balls and transferred to a separate ceramic crucible. A group of these selenium / sulfur mixtures and the starting raw materials (selenium powder and sulfur powder) were then placed in their respective crucibles in an autoclave in an argon glove box. The autoclave was then transferred to a heating furnace and the furnace was heated to 130 ° and held at 130 ° for 24 hours. The corresponding samples were unloaded in ambient air at room temperature and placed in sample containers with corresponding labels.
Bei diesen eingeschlossenen Beispielen wurde beobachtet, dass die Korngröße der Selenpulver zu wachsen schien, was verständlich ist, da der Schmelzpunkt von Selen 220 °C beträgt. Selenpulver sollten folglich nicht schmelzen, aber Kornwachstum während des Erhitzens erfahren (Oswalt-Reifungserscheinung). Es wurde auch festgestellt, dass sowohl das Gemisch zu 8,5 Gew.-% Schwefel und 91,5 Gew.-% Selen, als auch das zu 17 Gew.-% Schwefel und 83 Gew.-% bei 130 °C nicht schmolzen, sondern bei dieser Temperatur etwas Kornwachstum zeigten. Die Gemische aus S-Se mit Schwefelgehalten von 34 Gew.-%, 51 Gew.-%, 68 Gew.-% und 85 Gew.-% und mit dem Restselen schmolzen alle bei 130 °C. Natürlich schmolzen auch Schwefelpulver bei 130 °C.In these included examples, it was observed that the grain size of the selenium powders appeared to grow, which is understandable since the melting point of selenium is 220 ° C. Selenium powder should therefore not melt, but should experience grain growth during heating (Oswalt ripening phenomenon). It was also found that both the mixture of 8.5% by weight sulfur and 91.5% by weight selenium and that of 17% by weight sulfur and 83% by weight did not melt at 130.degree , but showed some grain growth at this temperature. The mixtures of S-Se with sulfur contents of 34% by weight, 51% by weight, 68% by weight and 85% by weight and with the residual selenium all melted at 130.degree. Of course, sulfur powder also melted at 130 ° C.
Die
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Beispiel 19: Immobilisation von Chalkogen, das Selen, Selen und Schwefel, SeS2 oder Schwefel mit einem Carbongerüst umfasst, das eine Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Sauerstoff umfasst (Sauerstoffgehalt zwischen 12 und 14 %).Example 19: Immobilization of chalcogen comprising selenium, selenium and sulfur, SeS 2 or sulfur with a carbon skeleton comprising a deactivating function group comprising oxygen (oxygen content between 12 and 14%).
Eine Anzahl von Proben des immobilisierten Selens, immobilisierten Schwefels, immobilisierten SeS2 und immobilisierten Gemischs aus Se und Schwefel wurde gemäß den folgenden Vorgehensweisen und Formulierungen, die in Tabelle 5 aufgelistet sind, mit dem Ziel einer fast konstanten spezifischen Kapazität vorbereitet, das in einer wiederaufladbaren Batterie verwendet wird, nämlich einer spezifischen Kapazität zwischen 418 mAh/g für immobilisiertes Chalkogen, das auf reinem Selen basiert, und 423 mAh/g für immobilisiertes Chalkogen, das auf reinem Schwefel basiert. Das Carbongerüst für dieses Beispiel wurde in einem kontinuierlichen Prozess in einem Drehrohrofen, der in Beispiel 15 beschrieben ist, zum Vorbereiten des immobilisierten Chalkogens erzeugt. Zu bemerken ist, dass dieses Carbongerüst höhere Mengen an einer chemischen Deaktivierungsfunktionsgruppe, die Sauerstoff (12 bis 14 %) umfasst, enthielt.A number of samples of the immobilized selenium, immobilized sulfur, immobilized SeS 2 and immobilized mixture of Se and sulfur were prepared according to the following procedures and formulations listed in Table 5 with the aim of an almost constant specific capacity, which in a rechargeable Battery is used, namely a specific capacity between 418 mAh / g for immobilized chalcogen, which is based on pure selenium, and 423 mAh / g for immobilized chalcogen, which is based on pure sulfur. The carbon framework for this example was produced in a continuous process in a rotary kiln, which is described in example 15, to prepare the immobilized chalcogen. It should be noted that this carbon backbone contained higher amounts of a chemical deactivating function group comprising oxygen (12-14%).
Die Mengen von Carbon plus Selen, SeS2 und/oder Schwefel wurden separat gewogen und in ihr eigenes Kugelmühlengefäß, in dem sich die Mahlkugeln befanden, gegeben. Dann wurde jede Probe aus Carbon plus Selen, SeS2 und/oder Schwefel in einer Doppelplanetenmühle während 40 Minuten gemahlen. Jedes gemahlene Gemisch wurde dann von den Mahlkugeln getrennt und in Pellets gepresst (was optional ist; Pellets brechen oft). Dann wurde das Gemisch in denselben Glasreaktor, der in dem zweiten Teil des Vergleichsbeispiels 4 beschrieben wurde, transferiert. Dann floss während 3 Stunden ein Argongasstrom (-600 ml/Min.) durch das Gemisch in dem Glasreaktor, um jegliches physisch absorbierte Wasser zu entfernen. Der Glasreaktor wurde dann mit einer Heizrate von 10 °C/Min. auf 130 °C erhitzt, und die Temperatur wurde während 1,5 Stunden bei 130 °C gehalten, während das Argongas ohne Unterbrechung floss. Nach dem Abkühlen ist das reagierte Gemisch das immobilisierte Chalkogen. Die ausführlichen Zusammensetzungen dieser immobilisierten Chalkogene sind in Tabelle 5 oben identifiziert. In Tabelle 5 ist das Beispiel 248-70-2 immobilisiertes SeS2, das 45 % Schwefel beinhaltet, das direkt mit den C-SeS2-Verbundmaterialien verglichen werden kann, die mit mehrwandigen Carbonnanoröhren, wie in dem Vergleichsbeispiel 4 beschrieben, vorbereitet wurden. Man möge zur Kenntnis nehmen, dass die Vorbereitungstemperatur für das reine Selen 258-50-1, 230 °C betrug.The amounts of carbon plus selenium, SeS 2 and / or sulfur were weighed separately and placed in their own ball mill jar, in which the grinding balls were located. Then each sample of carbon plus selenium, SeS 2 and / or sulfur was ground in a double planetary mill for 40 minutes. Each milled mixture was then separated from the milling balls and pressed into pellets (which is optional; pellets often break). The mixture was then transferred to the same glass reactor that was described in the second part of Comparative Example 4. A stream of argon gas (-600 ml / min.) Then flowed through the mixture in the glass reactor for 3 hours to remove any physically absorbed water. The glass reactor was then at a heating rate of 10 ° C / min. heated to 130 ° C, and the temperature was maintained at 130 ° C for 1.5 hours while the argon gas flowed continuously. After cooling, the reacted mixture is the immobilized chalcogen. The detailed compositions of these immobilized chalcogens are identified in Table 5 above. In Table 5, Example 248-70-2 is immobilized SeS 2 containing 45% sulfur, which can be directly compared to the C-SeS 2 composites prepared with multi-walled carbon nanotubes as described in Comparative Example 4. It should be noted that the preparation temperature for the pure selenium was 258-50-1.230 ° C.
Tabelle 6 zeigt Raman-Streuungsstellen des D-Bands und G-Bands, ihre Verschiebungen, Aktivierungsenergie, LogA und d-Spacing für immobilisiertes Chalkogen und Kontroll-C-Chalkogen-Verbundmaterialien, die mit MWCNT-Materialien vorbereitet werden.Table 6 shows D-band and G-band Raman scattering locations, their displacements, activation energy, LogA and d-spacing for immobilized chalcogen and control C-chalcogen composite materials prepared with MWCNT materials.
Selen in dem immobilisierten Chalkogen scheint mehr erhebliche Wellenzahlsteigerung in dem D-Band, von 8,1 cm-1 bis 12,8 cm-1, aufzuweisen als für reinen Schwefel (4,7 cm-1), wie oben in Tabelle 6 gezeigt. Bei einem Beispiel scheint Schwefel in immobilisiertem Chalkogen mehr Auswirkung auf die G-Band-Verschiebung zu einer höheren Wellenzahl aufzuweisen, obwohl der Grad an G-Band-Verschiebung geringer sein kann als der Grad an D-Band-Verschiebung, wie in Tabelle 6 gezeigt. Kombiniert mit der d-Spacing-Schwindung, der D-Band-Raman-Verschiebung zu einer höheren Wellenzahl, und/oder der G-Band-Verschiebung zu einer höheren Wellenzahl scheint es, dass das Chalkogen in einem immobilisierten Chalkogen-System oder einer immobilisierten Chalkogen-Masse seine Elektronen an die EMAC eines Carbongerüsts doniert, was die C=C-Bindung verstärkt und die Ebenen des EMAC-π-Bondingsystems des Carbongerüsts zusammenzieht. Dieser Typ von Donator-Akzeptor-Bindungssystem in immobilisiertem Chalkogen ist wünschenswert.Selenium in the immobilized chalcogen appears to have more significant wavenumber increase in the D-band, from 8.1 cm -1 to 12.8 cm -1 , than for pure sulfur (4.7 cm -1 ), as shown in Table 6 above . In one example, sulfur in immobilized chalcogen appears to have more of an effect on the G-band shift to a higher wavenumber, although the degree of G-band shift may be less than the degree of D-band shift, as shown in Table 6 . Combined with the d-spacing shrinkage, the D-band Raman shift to a higher wavenumber, and / or the G-band shift to a higher wavenumber, it appears that the chalcogen is in an immobilized chalcogen system or an immobilized Chalcogen mass donates its electrons to the EMAC of a carbon framework, which strengthens the C = C bond and contracts the planes of the EMAC-π bonding system of the carbon framework. This type of donor-acceptor binding system in immobilized chalcogen is desirable.
Die Elektronen des Chalkogens nehmen direkt an dem EMAC-π-Bondingsystem des Carbongerüsts teil, wobei die delokalisierten π-Elektronen für die Elektronenleitung zuständig sind. Das legt nahe, dass das freie Elektronenpaar von Chalkogen direkt an der Elektronenleitung während eines elektrochemischen Prozesses teilnimmt, wie eines Entladungsprozesses oder eines Ladeprozesses einer Batterie, der die Einschränkung des Chalkogens in seinen elektrischen Isolationseigenschaften überkommt, insbesondere für ein leichtes Chalkogen wie Sauerstoff und Schwefel.The electrons of the chalcogen take part directly in the EMAC π bonding system of the carbon framework, with the delocalized π electrons being responsible for the electron conduction. This suggests that the chalcogen lone pair of electrons participates directly in electron conduction during an electrochemical process, such as a discharging process or a battery charging process that causes the Limitation of the chalcogen in its electrical insulation properties overcomes, especially for a light chalcogen such as oxygen and sulfur.
Es war erstaunlich festzustellen, dass eine Batterie, die immobilisierten Schwefel umfasst, fähig ist, mit einer hohen C-Rate zu laden und zu entladen, wie unten in Verbindung mit immobilisiertem Chalkogen, das als eine Kathode einer wiederaufladbaren Batterie verwendet wird, besprochen wird. Es ist auch vorteilhaft, dass das freie Elektronenpaar jedes Chalkogens an Elektronenleitung während eines elektrochemischen Batterieprozesses teilnimmt, was durch den Valenzstatus des Chalkogens weder in seinem elementaren Zustand noch in einem reduzierten Zustand (-2) beeinflusst wird. Zusätzlich ist d-Spacing-Schwindung des Carbongerüsts in einem immobilisierten Chalkogen auch höchst wünschenswert, denn sie gestattet es dem Elektronenfluss, freier unter den Ebenen des EMAC-π-Bondingsystems eines Carbongerüsts zu fließen.It was amazing to find that a battery comprising immobilized sulfur is capable of charging and discharging at a high C-rate as discussed below in connection with immobilized chalcogen used as a cathode of a rechargeable battery. It is also advantageous that the lone pair of electrons of each chalcogen participates in electron conduction during an electrochemical battery process, which is not influenced by the valence state of the chalcogen in its elemental state or in a reduced state (-2). In addition, d-spacing shrinkage of the carbon backbone in an immobilized chalcogen is also highly desirable because it allows electron flow to flow more freely under the planes of the EMAC π bonding system of a carbon backbone.
Es wurde beobachtet, dass immobilisiertes Chalkogen starke chemische Wechselwirkungen von Chalkogen und einem Carbongerüst aufweisen kann, was für seine Anwendung in einer wiederaufladbaren Batterie höchst wünschenswert ist. Immobilisiertes Chalkogen bedeutet, dass Chalkogen während eines elektrochemischen Batterieprozesses, wie eines Entladeprozesses und eines Ladeprozesses immobilisiert wird, was die Herausforderungen überwinden kann, mit welchen eine wiederaufladbare Chalkogen-Batterie konfrontiert ist, nämlich (1) Bilden eines Polychalkogenid-Ions, das, insbesondere für ein schwereres Element wie Schwefel, Selen oder Tellur, in einem Elektrolyt löslich ist und während des Batterieentladeprozesses zu der Anode pendelt, mit der Anode reagiert, bei einem Aspekt, elektrische Energie verbraucht und chemische Energie in Hitze verwandelt, die beseitigt oder gemanagt werden muss; gefolgt von einem Ladeprozess, bei dem sich wieder Polychalkogenid an der Anode bilden kann, das dann in dem Elektrolyt aufgelöst wird und zu der Kathode zurück pendelt, was das elementare Chalkogen weiter oxidiert; die elektrochemische coulombsche Zyklisierungseffizienz wird während des Pendelprozesses reduziert, was unerwünscht ist; und (2) das Bilden von Polychalkogenid, das für die chemische Beständigkeit der Kathodenmaterialien, wie Carbon, schädlich sein kann, Polychalkogenid, wie On 2-, Sn 2-, Sen 2-, Ten 2-, oder ihre gemischte Form stark oxidieren, insbesondere für ein leichteres Element, was ein Grund dafür sein kann, dass eine Chalkogenid-Batterie des Stands der Technik nicht fähig ist, als eine Batterie, insbesondere für Sauerstoff und Schwefel, gut zu zyklisieren.It has been observed that immobilized chalcogen can have strong chemical interactions between chalcogen and a carbon backbone, which is highly desirable for its application in a rechargeable battery. Immobilized chalcogen means that chalcogen is immobilized during an electrochemical battery process, such as a discharging process and a charging process, which can overcome the challenges faced by a rechargeable chalcogen battery, namely (1) forming a polychalcogenide ion, which, especially for a heavier element, such as sulfur, selenium, or tellurium, is soluble in an electrolyte and shuttles to the anode during the battery discharge process, reacting with the anode, in one aspect consuming electrical energy and converting chemical energy into heat that needs to be disposed of or managed; followed by a loading process in which can again form polychalcogenide at the anode, which is then dissolved in the electrolyte and shuttles back to the cathode, which further oxidizes the elemental chalcogen; the electrochemical Coulomb cycling efficiency is reduced during the shuttle process, which is undesirable; and (2) the formation of polychalcogenide, which can be detrimental to the chemical resistance of cathode materials, such as carbon, polychalcogenide, such as O n 2, S n 2 , Se n 2 , Te n 2 , or mixed thereof Heavily oxidize mold, especially for a lighter element, which may be one reason a prior art chalcogenide battery is unable to cycle well as a battery, especially for oxygen and sulfur.
Die Immobilisation von Chalkogen erzielt man, indem stärkere chemische Wechselwirkungen oder Bindung oder Elektronen-Donator-Akzeptor-Bindung oder Koordinationsbindung zwischen Chalkogen und einem Carbongerüst vorliegt. Das Niveau einer solchen chemischen Bindung oder von Wechselwirkungen kann durch die kinetische Energie charakterisiert werden, die Chalkogen benötigt, um einem immobilisierten Chalkogensystem zu entweichen. Kinetische Energie für eine chemische Spezies wird durch Temperatur charakterisiert:
In immobilisiertem Chalkogen wird Chalkogen an ein Carbongerüst gebunden, zum Beispiel über eine Koordinationsbindung oder eine Elektronen-Donator-Akzeptor-Bindung. Chalkogen muss daher ausreichend kinetische Energie gewinnen, um diese chemische Bindung zu brechen oder die chemischen Wechselwirkungen zu überwinden, zusätzlich zu physischen Wechselwirkungen zwischen Chalkogen und dem Carbongerüst, um aus dem immobilisierten Chalkogensystem zu entweichen oder ultimativ aus dem Carbongerüst. Das kann durch eine TGA-Analyse bestimmt werden. Für jede TGA-Analyse wurde eine Probe zu etwa 15 mg immobilisierten Chalkogens in einen Aluminiumoxid-Schmelztiegel mit einem Deckel platziert und in die TGA-Analysator-Ofenkammer gestellt. Die Ofenkammer wurde mit zwei separaten Argongasflüssen geschlossen, einer zu 100 ml/Min. und der andere zu 50 ml/Min. Die Probe wurde während 10 Minuten in den Argongasflüssen entwässert, gefolgt von Hochfahren von Raumtemperatur bis 1000 °C mit einer Heizrate von 10 °C/Min., während TGA-Daten erfasst wurden.In immobilized chalcogen, chalcogen is bound to a carbon framework, for example via a coordination bond or an electron donor acceptor bond. Chalcogen must therefore gain sufficient kinetic energy to break this chemical bond or overcome the chemical interactions, in addition to physical interactions between the chalcogen and the carbon framework, in order to escape from the immobilized chalcogen system or ultimately from the carbon framework. This can be determined by a TGA analysis. For each TGA analysis, a sample of approximately 15 mg immobilized chalcogen was placed in an alumina crucible with a lid and placed in the TGA analyzer oven chamber. The furnace chamber was closed with two separate argon gas flows, one at 100 ml / min. and the other at 50 ml / min. The sample was dewatered in the argon gas flows for 10 minutes, followed by ramping up from room temperature to 1000 ° C at a heating rate of 10 ° C / min. While TGA data was acquired.
Die Mittelpunkt-Gewichtsverlusttemperaturen für ein anderes immobilisiertes Chalkogen mit unterschiedlichen Prozentsätzen an Selen und Schwefel sind auch in
Das Chalkogen kann eine kinetische Mittelpunkt-Gewichtsverlustenergie von - 1.840,3 x2 + 90,075 x + D J/mol benötigen, um die chemischen Wechselwirkungen zu überwinden und dem immobilisierten Chalkogen zu entweichen, wobei D 11.018 J/mol beträgt und x der Gewichtsprozentsatz an Schwefel des gesamten Schwefels und Selens in dem immobilisierten Chalkogen ist.The chalcogen may require a midpoint kinetic weight loss energy of -1840.3 x 2 + 90.075 x + DJ / mol to overcome the chemical interactions and escape from the immobilized chalcogen, where D is 11,018 J / mol and x is the weight percentage of sulfur of all of the sulfur and selenium is in the immobilized chalcogen.
Wie oben beschrieben, erzielt man die Immobilisation von Chalkogen, indem stärkere chemische Wechselwirkungen oder Bindung oder Elektronen-Donator-Akzeptor-Bindung oder Koordinationsbindung zwischen Chalkogen und einem Carbongerüst vorliegen. Das Niveau einer solchen chemischen Bindung oder solcher Wechselwirkungen kann durch die Aktivierungsenergie charakterisiert werden, eine Energiebarriere, die ein Chalkogenmolekül überwinden muss, damit es dem immobilisierten Chalkogensystem entkommt. Einzelheiten in Zusammenhang mit Aktivierungsenergie, Pre-Exponential-Faktor (ein kinetischer Parameter - Stoßfrequenz) und Arrhenius-Gesetz sind im Stand der Technik bekannt.As described above, chalcogen immobilization is achieved by having stronger chemical interactions or bonds or electron donor acceptor bonds or coordination bonds between chalcogen and a carbon skeleton. The level of such chemical bonding or interactions can be characterized by activation energy, an energy barrier that a chalcogen molecule must overcome in order to escape the immobilized chalcogen system. Details relating to activation energy, pre-exponential factor (a kinetic parameter - shock frequency) and Arrhenius law are known in the art.
Hierin wurden die Aktivierungsenergie und der Pre-Exponential-Faktor des immobilisierten Chalkogens und der Kontrollproben, wie Carbon-Chalkogen MWCNT-SeS2-Verbundmaterialien, durch ein Temperaturmodulations-TGA-Verfahren bestimmt, wobei jede Probe nach dem Platzieren in dem Ofen mit zwei separaten Strömen oder Flüssen von Argongas in dem Ofen exponiert wurde, einer für Ausgleichsspülen (100 ml/Min.), und der andere insbesondere für die Messung (50 ml/Min). Jede Probe befand sich während 30 Minuten zum Entfernen physischen Wassers, das auf der Probe absorbiert sein kann, unter dem Argonfluss. Die Temperatur des Ofens wurde eingestellt, um mit einer Amplitude von 5 °C mit einer Periode von 200 Sekunden zu modulieren, und die Temperatur der Probe wurde von Raumtemperaturen bis 150 °C erhöht und während 5 Minuten zum Ausgleichen isotherm gehalten. Dann wurde die Temperatur von 150°C auf 700 °C mit einer Heizrate von 3,5 °C/Min. rampenartig hochgefahren, während die Temperatur der Amplitude von 5 °C während einer Periode von 200 Sekunden moduliert wurde. Die modulierten TGA-Daten wurden zwischen 150 °C und 700 °C für die Aktivierungsenergie und Pre-Exponential-Faktor in dem Temperaturbereich zwischen 150 °C und 700 °C gesammelt. Der Gewichtsverlust wurde zu 100 % des Gewichtsverlusts zwischen Temperaturen von 200 °C und 700 °C nachgewiesen. Für weitere Informationen möge man (1) „Obtaining Kinetic Parameters by Modulated Thermogravimetry“,
Die
LogA (Log Pre-Exponential-Faktor, eine Messung der Stoßfrequenz) für jede Probe immobilisierten Chalkogens und für Kontroll-C-SeS2, die mit mehrwandigen Carbonnanoröhren vorbereitet wurden, sind auch jeweils in den
Zusätzliche Proben wurden auch unter Verwenden der gleichen Vorgehensweisen wie oben bei Beispiel 19 beschrieben vorbereitet. Ein Beispiel ist ein immobilisiertes Chalkogen mit 34 Gew.-% aktivem Material (Chalkogen), wobei 100 Gew.-% aus Schwefel bestehen; es weist eine theoretische spezifische Kapazität von 559 mAh/g-immobilisiertem Chalkogen auf, eine Steigerung um 32 % der spezifischen Kapazität verglichen mit der (423 mAh/g-immobilisiertes Chalkogen) für die Probe mit einem 26 Gew.-% aktivem Material (Chalkogen), bei dem 100 Gew.-% Schwefel sind; diese neue Probe wurde auch für die Aktivierungsenergie (127,5 kJ/mol) und LogA (9,29) charakterisiert. Ein anderes Beispiel ist ein immobilisiertes Chalkogen mit 42 Gew.-% aktivem Material (Chalkogen), wobei 51 Gew.-% aus Schwefel bestehen, mit einer 8 %-igen Steigerung der spezifischen Kapazität von 422 mA/g auf 490 mAh/g-immobilisiertes_Chalkogen, verglichen mit einer Probe mit 36 Gew.-% aktivem Material (Chalkogen), wobei 51 Gew.-% aus Schwefel bestehen. Die Probe mit 42 Gew.-% aktivem Material wurde für ihre Aktivierungsenergie (131,2 kJ/mol) und LogA (9,02) gemessen. Die nächste Probe ist ein immobilisiertes Chalkogen mit 55 Gew.-% aktivem Material (Chalkogen), wobei 100 Gew.-% aus Selen besteht, mit einer 12 %-igen Verringerung an spezifischer Kapazität von 418 mAh/g auf 374 mAh/g-immobiliziertem_Chalkogen, und seine Aktivierungsenergie und LogA des immobilisierten Chalkogens wurden jeweils auf 138,9 kJ/mol mit einem LogA von 7,99 gemessen. Diese zusätzlichen Beispiele mit entweder einer Steigerung an aktivem Material (oder aktiver Ladung) oder einer Verringerung an aktivem Material (oder aktiver Ladung) weisen nach, dass immobilisiertes Chalkogen starke Wechselwirkungen aufweist, die ein Niveau chemischer Wechselwirkungen (Koordinationsbindung oder Donator-Akzeptor-Bindung) erreichen, mit einer Aktivierungsenergie, die 96 kJ/mol oder mehr beträgt, und einer Stoßfrequenz (A) von 1×107 oder darüber.Additional samples were also prepared using the same procedures as described in Example 19 above. An example is an immobilized chalcogen with 34 wt .-% active material (chalcogen), 100 wt .-% consisting of sulfur; it has a theoretical specific capacity of 559 mAh / g-immobilized chalcogen, an increase of 32% in specific capacity compared to that (423 mAh / g-immobilized chalcogen) for the sample with a 26% by weight active material (chalcogen ) in which 100% by weight is sulfur; this new sample was also characterized for the activation energy (127.5 kJ / mol) and LogA (9.29). Another example is an immobilized chalcogen with 42 wt .-% active material (chalcogen), 51 wt .-% consisting of sulfur, with an 8% increase in the specific capacity from 422 mA / g to 490 mAh / g- immobilized_Chalkogen, compared to a sample with 36 wt .-% active material (chalcogen), 51 wt .-% consisting of sulfur. The sample with 42 wt% active material was measured for its activation energy (131.2 kJ / mol) and LogA (9.02). The next sample is an immobilized chalcogen with 55 wt .-% active material (chalcogen), with 100 wt .-% being selenium, with a 12% reduction in specific capacity from 418 mAh / g to 374 mAh / g- immobilized_chalkogen, and its activation energy and LogA of the immobilized chalcogen were each measured to be 138.9 kJ / mol with a LogA of 7.99. These additional examples with either an increase in active material (or active charge) or a decrease in active material (or active charge) demonstrate that immobilized chalcogen has strong interactions that exceed a level of chemical interactions (coordination bond or donor-acceptor bond) with an activation energy that is 96 kJ / mol or more and a collision frequency (A) of 1 × 10 7 or more.
Die Experimentaldaten sowohl der Aktivierungsenergie als auch LogA (was in A, Pre-Exponential-Faktor oder Stoßfrequenz übersetzt werden kann) durch 10LogA weisen nach, dass immobilisiertes Chalkogen starke Wechselwirkungen von Chalkogen und Carbon aufweist, die ein Niveau chemischer Wechselwirkungen, 96 kJ/mol, erreichen, sowie eine höhere Stoßfrequenz. Eine hohe Aktivierungsenergie und oder eine hohe Stoßfrequenz sind höchst wünschenswert; Chalkogen ist im Wesentlichen verankert und wird am Entweichen aus dem immobilisierten Chalkogensystem oder Carbongerüst gehindert; Chalkogen weist hohe Stoßfrequenz mit sich selbst und dem Carbongerüst auf; das würde das Auftreten von Pendeln des Chalkogenid-Ions verhindern, da Chalkogen verankert ist, und eine bessere Elektronenleitung zwischen Chalkogen und Carbon ergeben.The experimental data of both the activation energy and LogA (which can be translated to A, pre-exponential factor, or collision frequency) by 10 LogA demonstrate that immobilized chalcogen has strong interactions of chalcogen and carbon, resulting in a level of chemical interactions, 96 kJ / mol, as well as a higher collision frequency. A high activation energy and / or a high shock frequency are highly desirable; Chalcogen is essentially anchored and is prevented from escaping from the immobilized chalcogen system or carbon framework; Chalcogen has a high frequency of collision with itself and the carbon framework; this would prevent the chalcogenide ion pendulum from occurring, since chalcogen is anchored, and result in better electron conduction between chalcogen and carbon.
Überraschenderweise entdeckt man, dass das immobilisierte Chalkogen, das hierin beschrieben ist, eine Aktivierungsenergie um 11 bis 25 kJ/mol höher aufweist als immobilisiertes Selen, das weiter oben hierin beschrieben wurde, und auch eine Stoßfrequenz von 1 bis 3 Größenordnungen höher aufweist. Es wird angenommen, dass das darauf zurückzuführen ist, dass das Carbongerüst bei einem kontinuierlichen Prozess in einem Drehrohrofen erzeugt wird, der eine höhere Menge an chemischer Deaktivierungsfunktionsgruppe, die Sauerstoff umfasst, aufweist.Surprisingly, it is discovered that the immobilized chalcogen described herein has an activation energy 11 to 25 kJ / mol higher than immobilized selenium, which was described earlier herein, and also has an
Ein zusätzliches Experiment für Aktivierungsenergie und Log-Pre-Exponential-Faktor für die SeS2-Pulver wurde auch ausgeführt. Die Aktivierungsenergie und der Log-Pre-Exponential-Faktor zu 15 Gew.-% Verlust an reinem SeS2 wurden als 80,8 kJ/mol bzw. 6,1 bestimmt.An additional experiment for activation energy and log pre-exponential factor for the SeS 2 powder was also carried out. The activation energy and the log pre-exponential factor for 15% by weight loss of pure SeS 2 were determined to be 80.8 kJ / mol and 6.1, respectively.
Immobilisiertes Chalkogen umfasst Chalkogen und ein Carbongerüst, das eine chemische Deaktivierungsfunktionsgruppe umfasst, die Sauerstoff umfassen oder beinhalten kann. Immobilisiertes Chalkogen kann bei hohen Temperaturen Wassermoleküle, CO2-Moleküle und oder CO-Moleküle freisetzen. Eine Probe immobilisierten Chalkogens kann zum Beispiel zunächst bei Raumtemperatur in einem Inertgasfluss, wie Helium, zum Entfernen physisch absorbierten Wassers getrocknet werden. Die Probe kann dann von Raumtemperatur auf eine voreingestellte Temperatur rasch erhitzt werden, indem sie (in einem Reaktor mit einem fließenden Heliumstrom) in einen vorgeheizten Ofen platziert und während 30 Minuten an der voreingestellten Temperatur gehalten wird. Während dieser 30-minütigen Zeitspanne kann eine Stickstoff-Kältefalle angewandt werden, um Wasser, CO2 oder andere kondensierbare chemische Spezies zu fangen. Ungefangene Spezies, wie CO, gehen durch die Kältefalle hindurch und fließen mit dem Trägergas (fließendes Helium) direkt zu einem Gaschromatograph-Detektor (GC-Detektor). Die Mengen an freigesetztem Wasser, CO2, CO oder einer anderen chemischen Spezies, wie COS, können quantifiziert werden (Gewichtsppm). Die
Wie man aus den
Beispiel 20: Eine Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst - Herstellung, Testen und Performanzen.Example 20: A Battery Comprising Immobilized Chalcogen - Manufacture, Testing, and Performances.
Immobilisiertes Chalkogen kann als ein Kathodenmaterial für eine Batterie, einen Kondensator oder eine Energiespeichervorrichtung verwendet werden. Eine Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, das als ein Kathodenmaterial verwendet wird, kann mit unterschiedlichen Anodenmaterialien, zum Beispiel mit einem metallischen Material (wie einem Alkalimetall, einem Erdalkalimetall, einem Metall der Gruppe IIIA, einem Metall der Gruppe IVA und einem Metall der Gruppe VA, und einem Übergangsmetall), Graphit, Halbleitermaterial (wie Silizium, Germanium, Arsen usw.) oder einem Seltenerdenmetall in der Tabelle des periodischen Systems gepaart werden.Immobilized chalcogen can be used as a cathode material for a battery, a capacitor, or an energy storage device. A battery comprising immobilized chalcogen used as a cathode material can be made with different anode materials, for example with a metallic material (such as an alkali metal, an alkaline earth metal, a group IIIA metal, a group IVA metal and a group metal VA, and a transition metal), graphite, semiconductor material (such as silicon, germanium, arsenic, etc.) or a rare earth metal in the table of the periodic table.
Eine Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, kann einen organischen Elektrolyt oder einen wässrigen Elektrolyt aufweisen. Der organische Elektrolyt kann ein auf Carbonat oder Ether basierender oder anderer organischer Elektrolyt sein. Eine Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, kann einen Separator aufweisen, der ein organisches Polymer, eine anorganische Membran oder ein Festelektrolyt sein kann, der auch als ein Separator der Batterie funktionieren kann.A battery that includes immobilized chalcogen may have an organic electrolyte or an aqueous electrolyte. The organic electrolyte can be a carbonate or ether based or other organic electrolyte. A battery comprising immobilized chalcogen can have a separator, which can be an organic polymer, an inorganic membrane, or a solid electrolyte, which can also function as a separator of the battery.
Eine Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, vs. Kontrollen in den folgenden Beispielen, verwendet Lithium-Metall als eine Anode, einen auf Carbonat basierenden Elektrolyt (einen herkömmlichen Elektrolyt in Lithium-Ion-Batterie) und einen Polymerseparator.A battery that includes immobilized chalcogen vs. Controls in the following examples, used lithium metal as an anode, a carbonate-based electrolyte (a conventional electrolyte in lithium-ion batteries), and a polymer separator.
Eine Li-Chalkogen-Batterie, die immobilisiertes Chalkogen umfasst, vs. Kontroll-C-SeS2 A Li-chalcogen battery that includes immobilized chalcogen vs. Control C-SeS 2
Chalkogen-Knopfzellenbatterien aus immobilisiertem Chalkogen und Kontroll-C-SeS2-Verbundmaterialien, die in Tabelle 6 tabellarisch dargestellt sind, wurden in Übereinstimmung mit Prozessen ähnlich denen, die oben in Beispiel 12 beschrieben sind, hergestellt und getestet. Man möge zur Kenntnis nehmen, dass eine Batterie eine schnelle Verzögerung spezifischer Kapazität in den frühen Zyklen zeigen kann.
Die Beispiele wurden unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben. Änderungen und Abänderungen können sich für andere Personen bei der Lektüre und beim Verstehen der obenstehenden Beispiele ergeben. Die obenstehenden Beispiele dürfen daher nicht als die Offenbarung einschränkend ausgelegt werden.The examples have been described with reference to the accompanying figures. Changes and modifications may arise for other people when reading and understanding the above examples. The above examples should therefore not be construed as limiting the disclosure.
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