BR112019011107B1 - BATTERY BASED ON ORGANO SULFUR, ELECTROLYTE AND ANODE - Google Patents

BATTERY BASED ON ORGANO SULFUR, ELECTROLYTE AND ANODE Download PDF

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Lijuan Wang
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Abstract

Baterias de enxofre-metal, tais como baterias de lítio-enxofre, são preparadas usando uma ou mais espécie de organoenxofre, tais como polissulfetos orgânicos e politiolatos orgânicos, como parte da solução de eletrólito líquida ou gel, como parte do catodo, como parte do anodo (ou usado para tratar o anodo), e/ou com parte de um polímero poroso funcionalizado que provê um elemento separador intermediário.Sulfur-metal batteries, such as lithium-sulfur batteries, are prepared using one or more organosulfur species, such as organic polysulfides and organic polythiolates, as part of the liquid or gel electrolyte solution, as part of the cathode, as part of the anode (or used to treat the anode), and/or with part of a functionalized porous polymer that provides an intermediate separating element.

Description

Campo da InvençãoField of Invention

[0001] A invenção se refere a baterias com um anodo a base de sódio, lítio, potássio, magnésio, ou uma mistura dos mesmos, ou liga ou compósito de sódio, lítio, potássio e/ou magnésio com um ou mais outros metais, e um catodo a base de enxofre elementar, selênio, ou mistura de calcogênios elementares, o anodo e o catodo sendo separados por um elemento separador com uma solução de eletrólito líquida ou gel de um sal condutor em um solvente ou polímero aprótico polar não aquoso em contato com os eletrodos.[0001] The invention relates to batteries with an anode based on sodium, lithium, potassium, magnesium, or a mixture thereof, or alloy or composite of sodium, lithium, potassium and/or magnesium with one or more other metals, and a cathode based on elemental sulfur, selenium, or a mixture of elemental chalcogens, the anode and cathode being separated by a separating element with a liquid electrolyte or gel solution of a conductive salt in a non-aqueous polar aprotic solvent or polymer in contact with the electrodes.

Fundamentos da InvençãoFundamentals of the Invention

[0002] Baterias eletroquímicas são um meio principal para armazenar e entregar energia elétrica. Por causa das demandas cada vez maiores de energia para aplicações eletrônicas, transporte e rede de armazenamento, a necessidade de baterias com capacidade de armazenar e entregar cada vez mais energia continuará ainda por muito tempo.[0002] Electrochemical batteries are a primary means of storing and delivering electrical energy. Because of the ever-increasing demands on energy for electronic applications, transportation, and the storage network, the need for batteries capable of storing and delivering more and more energy will continue for a long time to come.

[0003] Em virtude de seu baixo peso e alta capacidade de armazenamento de energia comparada a outros tipos de baterias, baterias de íons de lítio foram amplamente usadas desde o início da década de noventa para aplicações eletrônicas portáteis. Entretanto, a tecnologia de bateria de íons de Li atual não atende as necessidades de alta potência e energia para grandes aplicações, tais como armazenamento de rede ou veículos elétricos com autonomia de direção que são competitivas com veículos acionados por motores de combustão interna. Assim, esforços extensivos nas comunidades científicas e técnicas continuam para identificar baterias com maior densidade e capacidade de energia.[0003] Due to their low weight and high energy storage capacity compared to other types of batteries, lithium-ion batteries have been widely used since the early 1990s for portable electronic applications. However, current Li-ion battery technology does not meet the high power and energy needs for large applications such as grid storage or self-driving electric vehicles that are competitive with vehicles powered by internal combustion engines. Thus, extensive efforts in the scientific and technical communities continue to identify batteries with higher energy density and capacity.

[0004] Células eletroquímicas de sódio-enxofre e lítio-enxofre oferecem capacidade de energia teórica ainda maior do que células de íons de Li e assim têm continuado a elicitar interesse como sistemas de bateria “de nova geração”. Conversão eletroquímica de enxofre elementar ao sulfeto monomérico (S2-) oferece uma capacidade teórica de 1.675 mAh/g, comparado a menos que 300 mAh/g para células de íons de Li.[0004] Sodium-sulfur and lithium-sulfur electrochemical cells offer even greater theoretical energy capacity than Li-ion cells and thus have continued to elicit interest as “next generation” battery systems. Electrochemical conversion of elemental sulfur to monomeric sulfide (S2-) gives a theoretical capacity of 1675 mAh/g, compared to less than 300 mAh/g for Li-ion cells.

[0005] Baterias de sódio-enxofre foram desenvolvidas e lançadas como sistemas comerciais. Infelizmente, a célula de sódio-enxofre tipicamente exige altas temperaturas (acima de 300°C) para que seja funcional, e assim é adequada apenas para grandes aplicações estacionárias.[0005] Sodium-sulfur batteries were developed and released as commercial systems. Unfortunately, the sodium-sulfur cell typically requires high temperatures (over 300°C) to be functional, and thus is only suitable for large stationary applications.

[0006] Células eletroquímicas de lítio-enxofre, inicialmente propostas no final dos anos cinquenta e sessenta, estão sendo apenas agora desenvolvidas como sistemas de bateria comerciais. Essas células oferecem densidades de energia específica teóricas acima de 2.500 Wh/kg (2.800 Wh/L) vs. 624 Wh/g para íons de lítio. As densidades de energia específica demonstradas para células Li-S são na faixa de 250350 Wh/kg, comparadas a 100 Wh/g para células de íons de Li, os valores menores sendo o resultado de recursos específicos dos processos eletroquímicos para esses sistemas durante carga e descarga. Dado que as energias específicas práticas de baterias de lítio são tipicamente 25-35% do valor teórico, a energia específica prática ideal para um sistema Li-S poderia ser em torno de 780 Wh/g (30% teórica). [V.S. Kolosnitsyn, E. Karaseva, Pedido de Patente US 2008/0100624 A1].[0006] Lithium-sulfur electrochemical cells, initially proposed in the late 1950s and 1960s, are just now being developed as commercial battery systems. These cells offer theoretical specific energy densities above 2500 Wh/kg (2800 Wh/L) vs. 624 Wh/g for lithium ions. The specific energy densities demonstrated for Li-S cells are in the range of 250350 Wh/kg, compared to 100 Wh/g for Li-ion cells, the lower values being the result of specific features of the electrochemical processes for these systems during charging. and unloading. Given that the practical specific energies of lithium batteries are typically 25-35% of the theoretical value, the ideal practical specific energy for a Li-S system could be around 780 Wh/g (30% theoretical). [V.S. Kolosnitsyn, E. Karaseva, US Patent Application 2008/0100624 A1].

[0007] A química de lítio-enxofre oferece inúmeros desafios técnicos que prejudicaram o desenvolvimento dessas células eletroquímicas, particularmente a baixa capacidade de ciclo de descarga-carga. No entanto, em virtude do baixo peso, baixo custo, alta capacidade de potência inerentes da célula de lítio-enxofre, existe grande interesse na melhoria do desempenho do sistema de lítio-enxofre e trabalho extensivo foi realizado nos últimos 20 anos por muitos pesquisadores em todo o mundo para abordar esses problemas. [C. Liang, et al. em Handbook of Bateria Materials 2nd Ed., Chapter 14, pp. 811-840 (2011); V.S. Kolosnitsyn, et al., J. Power Sources 2011, 196, 1478-82; e referências nisto][0007] Lithium-sulfur chemistry offers numerous technical challenges that hampered the development of these electrochemical cells, particularly the low charge-discharge cycle capability. However, because of the low weight, low cost, high power capacity inherent in the lithium-sulfur cell, there is great interest in improving the performance of the lithium-sulfur system and extensive work has been carried out in the last 20 years by many researchers in around the world to address these problems. [Ç. Liang, et al. in Handbook of Battery Materials 2nd Ed., Chapter 14, pp. 811-840 (2011); V.S. Kolosnitsyn, et al., J. Power Sources 2011, 196, 1478-82; and references in it]

[0008] Um projeto de célula para um sistema de lítio-enxofre tipicamente inclui: • Um anodo que consiste de lítio metálico, liga de lítio ou materiais compósitos contendo lítio. • Um separador não reativo mas poroso entre o anodo e catodo (frequentemente polipropileno ou α-alumina). A presença deste separador resulta em compartimentos de anólito e católito separados. • Um catodo portador de enxofre poroso que incorpora um aglutinante (frequentemente poli(difluoreto de vinilideno)) e um material de intensificação de condutividade (frequentemente grafite, grafite mesoporoso, nanotubos de carbono de múltiplas paredes, grafeno), • Um eletrólito que consiste de um solvente aprótico polar e um ou mais sais de Li condutores [(CF3SO2)2N“, CFβSOβ-, CHeSOs", ClO4-, PFβ”, AsF6-, halogênios, etc.]. Os solventes usados nessas células incluíram solventes polares apróticos básicos (cátion-complexação) tais como sulfolano, sulfóxido de dimetila, dimetilacetamida, tetrametil ureia, N- metil pirrolidinona, tetraetil sulfamida, tetra-hidrofurano, metil-THF, 1,3- dioxolano, diglima, e tetraglima. Solventes de menor polaridade não são adequados por causa da baixa condutividade e baixa capacidade de solvatar espécie de Li+, e solventes próticos podem reagir com Li metálico. Em versões em estado sólido da célula de lítio-enxofre, os solventes líquidos são substituídos com um material polimérico tal como óxido de polietileno. • Coletores de corrente e materiais de revestimento apropriados. Sumário da Invenção[0008] A cell design for a lithium-sulfur system typically includes: • An anode consisting of lithium metal, lithium alloy, or lithium-containing composite materials. • A non-reactive but porous separator between the anode and cathode (often polypropylene or α-alumina). The presence of this separator results in separate anolyte and catholyte compartments. • A porous sulfur-bearing cathode that incorporates a binder (often poly(vinylidene difluoride)) and a conductivity enhancing material (often graphite, mesoporous graphite, multi-walled carbon nanotubes, graphene), • An electrolyte consisting of a polar aprotic solvent and one or more conductive Li salts [(CF3SO2)2N“, CFβSOβ-, CHeSOs", ClO4-, PFβ", AsF6-, halogens, etc.]. Solvents used in these cells included basic aprotic polar solvents (cation-complexing) such as sulfolane, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, tetramethyl urea, N-methyl pyrrolidinone, tetraethyl sulfamide, tetrahydrofuran, methyl-THF, 1,3-dioxolane, diglyme, and tetraglyme. are suitable because of the low conductivity and low ability to solvate Li+ species, and protic solvents can react with metallic Li. In solid-state versions of the lithium-sulfur cell, liquid solvents are substituted with in a polymeric material such as polyethylene oxide. • Current collectors and appropriate coating materials. Summary of the Invention

[0009] Composições e aplicações de polissulfeto orgânicos, tiolatos orgânicos e politiolatos orgânicos para uso em baterias de enxofre-metal, particularmente baterias de lítio-enxofre, são providas pela presente invenção. A espécie de polissulfeto orgânico, tiolato orgânico e organopolitiolato (a seguir algumas vezes referida como “espécie de organoenxofre”) agem para melhorar o desempenho de tais células eletroquímicas durante ciclos de descarga e carga repetidos.[0009] Compositions and applications of organic polysulfide, organic thiolate and organic polythiolate for use in sulfur-metal batteries, particularly lithium-sulfur batteries, are provided by the present invention. Organic polysulfide, organic thiolate, and organopolythiolate species (hereinafter sometimes referred to as “organosulfur species”) act to improve the performance of such electrochemical cells during repeated discharge and charge cycles.

[0010] A presente invenção assim se refere a fontes químicas de energia compreendendo uma célula ou bateria com um ou mais eletrodos positivos (catodos), um ou mais eletrodos negativos (anodos) e um meio de eletrólito, em que a química operante envolve redução de enxofre ou espécie de polissulfeto, e oxidação da espécie de metal reativo. O eletrodo negativo compreende um metal reativo tais como lítio, sódio, potássio, magnésio ou ligas/compósitos desse metais com outros materiais; em certas modalidades, o eletrodo negativo compreende adicionalmente pelo menos uma espécie de organoenxofre e/ou foi tratado com pelo menos uma espécie de organoenxofre. O eletrodo positivo compreende enxofre e/ou selênio elementar e, em certas modalidades da invenção, espécie de organoenxofre tal como espécie de polissulfeto orgânico e/ou sais metálicos de polissulfeto orgânico, e matrizes contendo essa espécie. As matrizes de eletrólito, em certas modalidades, compreendem misturas de solvente ou polímeros orgânicos, espécie de polissulfeto inorgânico ou orgânico, carreadores para a forma iônica do metal ativo, e outros componentes destinados a otimizar o desempenho eletroquímico.[0010] The present invention thus relates to chemical sources of energy comprising a cell or battery with one or more positive electrodes (cathodes), one or more negative electrodes (anodes) and an electrolyte medium, wherein the operative chemistry involves reduction sulfur or polysulfide species, and oxidation of the reactive metal species. The negative electrode comprises a reactive metal such as lithium, sodium, potassium, magnesium or alloys/composites of these metals with other materials; in certain embodiments, the negative electrode additionally comprises at least one organosulfur species and/or has been treated with at least one organosulfur species. The positive electrode comprises sulfur and/or elemental selenium and, in certain embodiments of the invention, organosulfide species such as organic polysulfide species and/or organic polysulfide metal salts, and matrices containing such species. Electrolyte matrices, in certain embodiments, comprise mixtures of organic solvents or polymers, inorganic or organic polysulfide species, carriers for the ionic form of the active metal, and other components intended to optimize electrochemical performance.

[0011] Especificamente, esta invenção se refere ao uso de sulfetos e polissulfetos orgânicos, e seus análogos de organotiolato ou organopolitiolato de lítio (ou sódio, potássio, magnésio, amônio quaternário ou fosfônio quaternário), como componentes nas matrizes de catodo e eletrólito. A dita espécie de organoenxofre combina quimicamente com enxofre e a espécie de mono- ou polissulfeto aniônico para formar espécie de organopolitiolato que têm maior afinidade para os componentes de enxofre não polar da fase de catodo positivo e católito. A espécie de organoenxofre é também capaz de reagir com o metal reativo ou metais presentes no eletrodo negativo para formar sais metálicos da espécie de organoenxofre na superfície do eletrodo negativo que ajudam a intensificar o desempenho de uma célula eletroquímica contendo tais eletrodos negativos tratados com espécie de organoenxofre. Sem ficar ligado a nenhuma teoria, acredita-se que a espécie de organoenxofre combina quimicamente com o(s) metal(is) reativo(s) do anodo e impede o acúmulo de LiS2 no anodo em decorrência de uma reação entre espécie de Li2Sn dissolvida (n>1) frequentemente presentes nas soluções de eletrólito usadas em baterias de enxofre-metal. Dessa maneira, a presença de espécie de organoenxofre ou o tratamento de um anodo com espécie de organoenxofre pode ajudar a impedir o fluxo translacional de átomos ou ânions de enxofre do catodo para o anodo pela formação de uma camada protetora na superfície do anodo que é capaz de conduzir cátions metálicos. O eletrólito fica saturado em espécie de metal de polissulfeto, resultando em menos perda de enxofre o catodo, maiores capacidades de bateria, e maior tempo total de ciclo para a bateria.[0011] Specifically, this invention relates to the use of organic sulfides and polysulfides, and their lithium organothiolate or organopolythiolate analogues (or sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium or quaternary phosphonium), as components in the cathode and electrolyte matrices. Said organosulfide species chemically combines with sulfur and the anionic mono- or polysulfide species to form organopolythiolate species which have greater affinity for the non-polar sulfur components of the positive cathode and catholyte phase. The organosulfur species is also capable of reacting with the reactive metal or metals present in the negative electrode to form metallic salts of the organosulfur species on the surface of the negative electrode which help to enhance the performance of an electrochemical cell containing such negative electrodes treated with species of organosulfur. Without being bound by any theory, it is believed that the organosulfur species chemically combines with the reactive metal(s) of the anode and prevents the accumulation of LiS2 in the anode as a result of a reaction between dissolved Li2Sn species. (n>1) often present in electrolyte solutions used in sulfur-metal batteries. In this way, the presence of an organosulfur species or the treatment of an anode with an organosulfur species can help to prevent the translational flow of sulfur atoms or anions from the cathode to the anode by forming a protective layer on the anode surface that is capable of to conduct metal cations. The electrolyte becomes saturated in a polysulfide metal species, resulting in less sulfur loss from the cathode, greater battery capacities, and greater total cycle time for the battery.

[0012] Um aspecto da invenção provê uma bateria, a bateria compreendendo: a) um anodo compreendendo um material ativo de anodo compreendendo sódio, lítio, potássio, magnésio ou uma liga ou compósito de pelo menos um de sódio, lítio, potássio ou magnésio com pelo menos um outro metal para prover íons; b) Um catodo compreendendo um material ativo de catodo compreendendo enxofre elementar, selênio elementar ou uma mistura de calcogênios elementares; e c) um elemento separador intermediário posicionado entre o anodo e catodo agindo para separar soluções de eletrólito líquidas ou géis em contato com o anodo e catodo, através do qual íons metálicos e seus contraíons se movem entre o anodo e catodo durante ciclos de carga e descarga da bateria;[0012] One aspect of the invention provides a battery, the battery comprising: a) an anode comprising an active anode material comprising sodium, lithium, potassium, magnesium or an alloy or composite of at least one of sodium, lithium, potassium or magnesium with at least one other metal to provide ions; b) A cathode comprising a cathode active material comprising elemental sulfur, elemental selenium or a mixture of elemental chalcogens; and c) an intermediate separator element positioned between the anode and cathode acting to separate liquid electrolyte solutions or gels in contact with the anode and cathode, through which metal ions and their counterions move between the anode and cathode during charge and discharge cycles. of the battery;

[0013] em que as soluções de eletrólito líquidas ou géis compreendem um solvente ou polímero aprótico polar não aquoso e um sal condutor e pelo menos uma das condições (i), (ii), (iii) ou (iv) é satisfeita: (i) pelo menos uma das soluções de eletrólito líquidas ou géis compreende adicionalmente pelo menos uma espécie de organoenxofre; (ii) o catodo é adicionalmente compreendido de pelo menos uma espécie de organoenxofre; (iii) o elemento separador intermediário compreende um polímero poroso funcionalizado contendo pelo menos uma espécie de organoenxofre; (iv) o anodo é adicionalmente compreendido de, ou foi tratado com, pelo menos uma espécie de organoenxofre;[0013] wherein the liquid electrolyte solutions or gels comprise a non-aqueous polar aprotic solvent or polymer and a conductive salt and at least one of conditions (i), (ii), (iii) or (iv) is satisfied: ( i) at least one of the liquid electrolyte solutions or gels additionally comprises at least one organosulfur species; (ii) the cathode is further comprised of at least one organosulfur species; (iii) the intermediate separating element comprises a functionalized porous polymer containing at least one organosulfur species; (iv) the anode is further comprised of, or has been treated with, at least one organosulfur species;

[0014] em que a espécie de organoenxofre compreende pelo menos uma fração orgânica e pelo menos uma ligação de -S-Sn-, com n sendo 0 ou um número inteiro de 1 ou mais.[0014] wherein the organosulfur species comprises at least one organic moiety and at least one -S-Sn- bond, with n being 0 or an integer of 1 or more.

[0015] Em uma modalidade, apenas uma das condições (i), (ii), (iii) ou (iv) é satisfeita. Em uma outra modalidade, todas as quatro condições são satisfeitas. Ainda em uma outra modalidade, apenas duas ou três das condições são satisfeitas, por exemplo, (i) e (ii), (i) e (iii), (ii) e (iii), (i), (ii) e (iii), (ii), (iii) e (iv), (i), (iii) e (iv), ou (i), (ii) e (iv).[0015] In one modality, only one of the conditions (i), (ii), (iii) or (iv) is satisfied. In another embodiment, all four conditions are satisfied. In yet another embodiment, only two or three of the conditions are satisfied, for example, (i) and (ii), (i) and (iii), (ii) and (iii), (i), (ii) and (iii), (ii), (iii) and (iv), (i), (iii) and (iv), or (i), (ii) and (iv).

[0016] Em um outro aspecto, a invenção provê um eletrólito compreendendo pelo menos um solvente ou polímero aprótico polar não aquoso, pelo menos um sal condutor, e pelo menos uma espécie de organoenxofre compreendida de pelo menos uma fração orgânica e pelo menos uma ligação de -S-Sn- em que n é um número inteiro de 1 ou mais.[0016] In another aspect, the invention provides an electrolyte comprising at least one non-aqueous polar aprotic solvent or polymer, at least one conductive salt, and at least one organosulfur species comprised of at least one organic moiety and at least one bond. of -S-Sn- where n is an integer of 1 or more.

[0017] Um outro aspecto da invenção provê um catodo compreendendo um) enxofre elementar, selênio elementar ou uma mistura de calcogênios elementares, b) pelo menos um aditivo eletricamente condutor, c) e pelo menos uma espécie de organoenxofre compreendendo pelo menos uma fração orgânica e pelo menos uma ligação de -S-Sn-, n sendo 0 ou um número inteiro de 1 ou mais.[0017] Another aspect of the invention provides a cathode comprising a) elemental sulfur, elemental selenium or a mixture of elemental chalcogens, b) at least one electrically conductive additive, c) and at least one organosulfur species comprising at least one organic fraction and at least one bond of -S-Sn-, n being 0 or an integer of 1 or more.

[0018] Um aspecto adicional da invenção provê um anodo compreendendo um material ativo de anodo compreendendo sódio, lítio, potássio, magnésio ou uma liga ou compósito de pelo menos um de sódio, lítio, potássio ou magnésio com pelo menos um outro metal para prover íons, em que o anodo compreende adicionalmente ou foi tratado com pelo menos uma espécie de organoenxofre compreendendo pelo menos uma fração orgânica e pelo menos uma ligação de -S-Sn-, n sendo 0 ou um número inteiro de 1 ou mais. Tal tratamento resulta em maior vida da bateria e menor capacidade de enfraquecimento nos ciclos subsequentes.[0018] A further aspect of the invention provides an anode comprising an anode active material comprising sodium, lithium, potassium, magnesium or an alloy or composite of at least one of sodium, lithium, potassium or magnesium with at least one other metal to provide ions, wherein the anode further comprises or has been treated with at least one organosulfur species comprising at least one organic moiety and at least one -S-Sn- bond, n being 0 or an integer of 1 or more. Such treatment results in longer battery life and less ability to weaken in subsequent cycles.

[0019] A espécie de organoenxofre, por exemplo, pode ser selecionada do grupo que consiste de polissulfetos orgânicos, tiolatos orgânicos (onde n = 0,correspondendo, por exemplo, à fórmula geral R-S-M, onde R é uma fração orgânica e M é um cátion tais como Li, Na, K, Mg, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário) e/ou politiolatos orgânicos metálicos. Em certas modalidades da invenção, a espécie de organoenxofre contém um ou mais grupos funcionais contendo enxofre selecionados do grupo que consiste de ditioacetal, ditiocetal, tritio-ortocarbonato, tiossulfonato [-S(O)2-S-], tiossulfinato [-S(O)-S-], tiocarboxilato [-C(O)-S-],ditiocarboxilato [-C(S)-S-], tiofosfato, tiofosfonato, monotiocarbonato, ditiocarbonato, e tritiocarbonato. Em outras modalidades, a espécie de organoenxofre pode ser selecionada do grupo que consiste de polissulfetos aromáticos, polissulfeto e poliéteres, polissulfeto sais ácidos e misturas dos mesmos.[0019] The species of organosulfur, for example, can be selected from the group consisting of organic polysulfides, organic thiolates (where n = 0, corresponding, for example, to the general formula R-S-M, where R is an organic fraction and M is a cation such as Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium) and/or metallic organic polythiolates. In certain embodiments of the invention, the organosulfur species contains one or more sulfur-containing functional groups selected from the group consisting of dithioacetal, dithioketal, trithio-orthocarbonate, thiosulfonate [-S(O)2-S-], thiosulfinate [-S( O)-S-], thiocarboxylate [-C(O)-S-], dithiocarboxylate [-C(S)-S-], thiophosphate, thiophosphonate, monothiocarbonate, dithiocarbonate, and trithiocarbonate. In other embodiments, the organosulfur species may be selected from the group consisting of aromatic polysulfides, polysulfides and polyethers, polysulfide acid salts and mixtures thereof.

Breve Descrição dos DesenhosBrief Description of Drawings

[0020] A Figura 1 mostra perfis de descarga de bateria de lítio-enxofre com n- C12H25SLi adicionado ao catodo para ciclos de carga/descarga repetidos 3 a 63.[0020] Figure 1 shows lithium-sulfur battery discharge profiles with n-C12H25SLi added to the cathode for repeated charge/discharge cycles 3 to 63.

[0021] A Figura 2 mostra comparação de desempenho de ciclagem de uma célula preparada com e sem o anodo sendo tratado com sal de di-lítio de 3,6-dioxaoctano- 1,8-ditiol (LiS-C2H4-O-C2H4-O-C2H4-SLi).[0021] Figure 2 shows comparison of cycling performance of a cell prepared with and without the anode being treated with 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol di-lithium salt (LiS-C2H4-O-C2H4- O-C2H4-SLi).

Descrição Detalhada da InvençãoDetailed Description of the Invention

[0022] Um material eletroativo que foi fabricado em uma estrutura para uso em uma bateria é referido como um eletrodo. De um par de eletrodos usado em uma bateria, que serve como uma fonte química de energia elétrica, o eletrodo do lado com um maior potencial eletroquímico é referido como o eletrodo positivo, ou o catodo, enquanto o eletrodo do lado com um menor potencial eletroquímico é referido como o eletrodo negativo, ou o anodo. Como usado aqui, a nomenclatura convencional para baterias é empregada em que as expressões “catodo” ou “eletrodo positivo” e “anodo” ou “eletrodo negativo” se referem às funções eletroquímicas dos eletrodos durante descarga da célula para prover energia elétrica. Durante a porção de carga do ciclo, as funções reais eletroquímicas de um eletrodo são revertidas em relação às que ocorrem durante descarga, mas a designação dos respectivos eletrodos permanece a mesma para descarga.[0022] An electroactive material that has been fabricated into a structure for use in a battery is referred to as an electrode. Of a pair of electrodes used in a battery, which serves as a chemical source of electrical energy, the electrode on the side with a higher electrochemical potential is referred to as the positive electrode, or the cathode, while the electrode on the side with a lower electrochemical potential is referred to as the negative electrode, or the anode. As used herein, conventional nomenclature for batteries is employed where the expressions "cathode" or "positive electrode" and "anode" or "negative electrode" refer to the electrochemical functions of the electrodes during cell discharge to provide electrical energy. During the charging portion of the cycle, the actual electrochemical functions of an electrode are reversed from those that occur during discharge, but the designation of the respective electrodes remains the same for discharge.

[0023] Células eletroquímicas são comumente combinadas em série, o agregado de tais células sendo referido como uma bateria. Baseado na química operante das células, baterias primárias são projetadas para uma única descarga para prover energia para um dispositivo externo. Baterias secundárias são recarregáveis, usando energia elétrica de uma fonte externa, e assim oferecem uso prolongado por múltiplos ciclos de descarga e carga.[0023] Electrochemical cells are commonly combined in series, the aggregate of such cells being referred to as a battery. Based on the operating chemistry of cells, primary batteries are designed for a single discharge to provide energy to an external device. Secondary batteries are rechargeable, using electrical energy from an external source, and thus provide extended use through multiple discharge and charge cycles.

[0024] Um material eletroquimicamente ativo usado no catodo ou eletrodo positivo é referido a seguir como um material ativo de catodo. Um material eletroquimicamente ativo usado no anodo ou eletrodo negativo é a seguir referido como um material ativo de anodo. Composições de multicomponentes possuindo atividade eletroquímica e compreendendo um material eletroquimicamente ativo e aditivo eletricamente condutor opcional e aglutinante, bem como outros aditivos opcionais, são referidos a seguir como composições de eletrodo. Uma bateria compreendendo um catodo com o material ativo de catodo em um estado oxidado e um anodo com o material ativo de anodo em um estado reduzido é referido como sendo em um estado carregado. Dessa maneira, bateria compreendendo um catodo com o material ativo de catodo em um estado reduzido, e um anodo com o material ativo de anodo em um estado oxidado, é referido como sendo em um estado descarregado.[0024] An electrochemically active material used in the cathode or positive electrode is referred to below as an active cathode material. An electrochemically active material used in the anode or negative electrode is hereinafter referred to as an active anode material. Multi-component compositions having electrochemical activity and comprising an electrochemically active material and optional electrically conductive additive and binder, as well as other optional additives, are hereinafter referred to as electrode compositions. A battery comprising a cathode with the active cathode material in an oxidized state and an anode with the active anode material in a reduced state is referred to as being in a charged state. Thus, a battery comprising a cathode with the active cathode material in a reduced state, and an anode with the active anode material in an oxidized state, is referred to as being in a discharged state.

[0025] Sem querer ficar ligado a nenhuma teoria, a seguir são certas vantagens ou recursos possíveis da presente invenção. A espécie de organoenxofre pode particionar na fase de católito rica em enxofre. As reações de troca química entre sulfetos ou polissulfetos dianiônicos (por exemplo, LÍ2Sx, x = 1, 2, 3...) e os organopolissulfetos, organotiolatos ou organopolitiolatos (por exemplo, R-Sx-R’ ou R- Sx-Li, R e R’ = frações orgânicas, x = 0 ou um número inteiro de 1 ou mais), junto com químicas de extrusão/reinserção de enxofre comuns a polissulfetos e politiolatos, favorecem minimização da quantidade dos polissulfetos dianiônicos no católito e favorecem redeposição de enxofre e espécie contendo enxofre no catodo. A remoção líquida dos polissulfetos dianiônicos poderia reduzir a viscosidade do eletrólito e assim minimizar os efeitos deletérios de alta viscosidade na condutividade de eletrólito. A espécie de organoenxofre pode também aumentar a dissolução, e assim a remoção, de espécie de sulfeto de lítio de baixa classificação insolúvel (particularmente Li2S e Li2S e Li2S2) tanto nas fases de católito quanto anólito, assim minimizando perda de espécie de lítio reativo mediante ciclos de carga/descarga repetidos. O desempenho da espécie de organoenxofre pode ser “sintonizado” por seleção da funcionalidade orgânica. Por exemplo, alquila ou grupos alquila de cadeia curta com mais funcionalidade polar, particionariam mais na fase de anólito, enquanto o ou análogos menos polares de cadeia longa particionariam mais na fase de católito. Ajuste das razões relativas da espécie orgânica de cadeia longa/não polar e curta/polar poderia prover um meio de controlar a partição de espécie contendo enxofre no catodo/católito. Além disso, uma vez que a presença de alguma quantidade de polissulfeto ou politiolato no anólito é vantajosa como um meio de controlar o crescimento dendrítico de lítio no anodo durante o carregamento, seleção de frações orgânicas apropriadas e suas razões relativas poderia prover maior controle de crescimento dendrítico.[0025] Without wishing to be bound by any theory, the following are certain possible advantages or features of the present invention. The organosulfur species can partition into the sulfur-rich catholyte phase. Chemical exchange reactions between dianion sulfides or polysulfides (e.g. LÍ2Sx, x = 1, 2, 3...) and organopolysulfides, organothiolates or organopolythiolates (e.g. R-Sx-R' or R-Sx-Li , R and R' = organic fractions, x = 0 or an integer of 1 or more), together with extrusion/reinsertion chemistries of sulfur common to polysulfides and polythiolates, favor minimization of the amount of dianionic polysulfides in the catholyte and favor redeposition of sulfur and sulfur-containing species on the cathode. The net removal of dianionic polysulfides could reduce the viscosity of the electrolyte and thus minimize the deleterious effects of high viscosity on electrolyte conductivity. The organosulfur species can also enhance the dissolution, and thus the removal, of low grade insoluble lithium sulfide species (particularly Li2S and Li2S and Li2S2) in both the catholyte and anolyte phases, thus minimizing loss of reactive lithium species upon repeated charge/discharge cycles. The performance of the organosulfur species can be “tuned” by selection of organic functionality. For example, short-chain alkyl or alkyl groups with more polar functionality would partition more in the anolyte phase, while the less polar long-chain analogues or analogues would partition more in the catholyte phase. Adjustment of the relative ratios of long-chain/non-polar and short-chain/polar organic species could provide a means of controlling the partition of sulfur-containing species at the cathode/catholyte. Furthermore, since the presence of some amount of polysulfide or polythiolate in the anolyte is advantageous as a means of controlling lithium dendritic growth on the anode during charging, selection of appropriate organic fractions and their relative ratios could provide greater growth control. dendritic.

[0026] Espécie de organoenxofre úteis na presente invenção compreendem pelo menos uma fração orgânica e pelo menos uma ligação de -S-Sn-, em que n é 0 ou um número inteiro de pelo menos 1. Em uma modalidade, a espécie de organoenxofre compreende duas frações orgânicas por molécula (que podem ser as mesmas ou diferentes umas das outras) que são ligadas por uma ligação de -S-Sn - (polissulfeto) (em que n é um número inteiro de 1 ou mais). A ligação de -S-Sn- pode formar parte de um maior grupo de ligação tais como uma ligação de -Y1-C(Y2Y3)-S-Sn- ou uma ligação de -Y1-C(=Y4)-S-Sn-, em que Y1 é O ou S, Y2 e Y3 são independentemente uma fração orgânica ou -S-So-Z, onde o é 1 ou mais e Z é uma fração orgânica ou uma espécie selecionada de Li, Na, K, Mg, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário, e Y4 é O ou S. Em uma outra modalidade, a espécie de organoenxofre contém uma fração orgânica monovalente e uma espécie selecionada de Na, Li, K, Mg, amônio quaternário e fosfônio quaternário que são ligadas por uma ligação de - S-Sn- (incluindo, por exemplo, uma ligação de -Y1-C(Y2Y3)-S-Sn- ou ligação de -Y1- C(=Y4)-S-Sn-, onde n = 0 ou um número inteiro de 1 ou mais). Ainda em uma outra modalidade, uma ligação de -S-Sn- pode aparecer em qualquer lado de uma fração orgânica. Por exemplo, a fração orgânica pode ser uma fração aromática opcionalmente substituída divalente C(R3)2 (com cada R3 sendo independentemente H ou uma fração orgânica tais como uma fração orgânica C1-C20), carbonila (C=O) ou tiocarbonila (C=S).[0026] Organosulfur species useful in the present invention comprise at least one organic moiety and at least one -S-Sn- bond, where n is 0 or an integer of at least 1. In one embodiment, the organosulfur species comprises two organic moieties per molecule (which may be the same or different from each other) which are linked by an -S-Sn - (polysulfide) bond (where n is an integer of 1 or more). The -S-Sn- bond may form part of a larger linking group such as a -Y1-C(Y2Y3)-S-Sn- bond or a -Y1-C(=Y4)-S-Sn- bond -, where Y1 is O or S, Y2 and Y3 are independently an organic fraction or -S-So-Z, where o is 1 or more and Z is an organic fraction or a selected species of Li, Na, K, Mg , quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and Y4 is O or S. In another embodiment, the organosulfur species contains a monovalent organic fraction and a selected species of Na, Li, K, Mg, quaternary ammonium, and quaternary phosphonium that are bonded by a -S-Sn- bond (including, for example, a -Y1-C(Y2Y3)-S-Sn- bond or -Y1-C(=Y4)-S-Sn- bond, where n = 0 or an integer of 1 or more). In yet another embodiment, a -S-Sn- bond may appear on either side of an organic moiety. For example, the organic fraction may be an optionally substituted C(R3)2 divalent aromatic moiety (with each R3 independently being H or an organic moiety such as a C1-C20 organic moiety), carbonyl (C=O) or thiocarbonyl (C =S).

[0027] A espécie de organoenxofre pode, por exemplo, ser selecionada do grupo que consiste de polissulfetos orgânicos, tiolatos orgânicos, politiolatos orgânicos, incluindo aqueles com grupos funcionais contendo enxofre tais como ditioacetal, ditiocetal, tritio-ortocarbonato, polissulfeto aromático, polissulfeto e poliéter, polissulfeto sal ácido, tiossulfonato [-S(O) 2-S-], tiossulfinato [-S(O)-S-], tiocarboxilato [-C(O)-S-], ditiocarboxilato [-RC(S)-S-], funcionalidade de tiofosfato ou tiofosfonato, ou funcionalidade de mono-, di- ou tritiocarbonato; polissulfetos organometálicos contendo essas funcionalidades, ou funcionalidades similares; e misturas dos mesmos.[0027] The organosulfide species can, for example, be selected from the group consisting of organic polysulfides, organic thiolates, organic polythiolates, including those with sulfur-containing functional groups such as dithioacetal, dithioketal, trithio-orthocarbonate, aromatic polysulfide, polysulfide and polyether, polysulfide acid salt, thiosulfonate [-S(O) 2-S-], thiosulfinate [-S(O)-S-], thiocarboxylate [-C(O)-S-], dithiocarboxylate [-RC(S) -S-], thiophosphate or thiophosphonate functionality, or mono-, di- or trithiocarbonate functionality; organometallic polysulfides containing these or similar functionalities; and mixtures thereof.

[0028] Frações orgânicas adequadas incluem, por exemplo, frações orgânicas mono-, di- e polivalentes que podem compreender grupos hidrocarbila ramificados, lineares e/ou cíclicos. Como usada aqui, a expressão “fração orgânica” inclui uma fração que pode, além de carbono e hidrogênio, compreender um ou mais heteroátomos tais como oxigênio, nitrogênio, enxofre, halogênio, fósforo, selênio, silício, um metal tais como estanho e similares. O(s) heteroátomo(s) pode(m) estar presente(s) na fração orgânica na forma de um grupo funcional. Assim, hidrocarbila bem como grupos hidrocarbila funcionalizados são considerados no contexto da presente invenção ser frações orgânicas. Em uma modalidade, a fração orgânica é uma fração orgânica C1-C20.. Em uma outra modalidade, a fração orgânica contém dois ou mais átomos de carbono. A fração orgânica assim pode ser uma fração orgânica C2-C20.[0028] Suitable organic moieties include, for example, mono-, di- and polyvalent organic moieties which may comprise branched, linear and/or cyclic hydrocarbyl groups. As used herein, the term "organic fraction" includes a fraction which may, in addition to carbon and hydrogen, comprise one or more heteroatoms such as oxygen, nitrogen, sulfur, halogen, phosphorus, selenium, silicon, a metal such as tin and the like. . The heteroatom(s) may be present in the organic fraction in the form of a functional group. Thus, hydrocarbyl as well as functionalized hydrocarbyl groups are considered in the context of the present invention to be organic moieties. In one embodiment, the organic fraction is a C1-C20 organic fraction. In another embodiment, the organic fraction contains two or more carbon atoms. The organic fraction thus may be a C2-C20 organic fraction.

[0029] A espécie de organoenxofre podem ser monoméricas, oligoméricas ou poliméricas em caráter. Por exemplo, a funcionalidade de -S-Sn- pode ser pendente na espinha dorsal de uma espécie oligomérica ou polimérica contendo duas ou mais unidades de repetição de monômero em sua espinha dorsal. A funcionalidade de -S- Sn- pode ser incorporada na espinha dorsal de um oligômero ou polímero como esse, de maneira tal que a espinha dorsal do oligômero ou polímero contém uma pluralidade de ligações de -S-Sn-.[0029] The species of organosulfur can be monomeric, oligomeric or polymeric in character. For example, -S-Sn- functionality may be pendant on the backbone of an oligomeric or polymeric species containing two or more monomer repeat units in its backbone. The -S-Sn- functionality may be incorporated into the backbone of such an oligomer or polymer such that the oligomer or polymer backbone contains a plurality of -S-Sn- bonds.

[0030] A espécie de organoenxofre pode, por exemplo, ser um polissulfeto orgânico ou mistura de polissulfetos orgânicos da fórmula R1-S-Sn-R2, em que R1 e R2 independentemente representam uma fração orgânica C1-C20. e n é um número inteiro de 1 ou mais. A fração orgânica C1-C20. pode ser um grupo hidrocarbila monovalente ramificado, linear ou cíclico. R1 e R2 pode cada qual independentemente ser um grupo hidrocarbila C9-C14, com n = 1 (provendo um dissulfeto, tal como dissulfeto de dodecila terciário). Em uma outra modalidade, R1 e R2 são cada qual independentemente um grupo hidrocarbila C9-C14, com n = 2-5 (provendo um polissulfeto). Exemplos de tais compostos incluem TPS-32 e TPS-20, comercializados por Arkema. Em uma outra modalidade, R1 e R2 são independentemente grupos hidrocarbila C7-C11, com n = 2-5. TPS-37LS, comercializado por Arkema, é um exemplo de um polissulfeto adequado de esse tipo. Um outro tipo de polissulfeto adequado poderia ser um polissulfeto ou mistura de polissulfetos em que R1 e R2 são tanto terc-butila quanto n = 2-5. Exemplos de tais compostos de organoenxofre incluem TPS-44 e TPS-54, comercializados por Arkema.[0030] The organosulfur species may, for example, be an organic polysulfide or mixture of organic polysulfides of the formula R1-S-Sn-R2, wherein R1 and R2 independently represent a C1-C20 organic fraction. and n is an integer of 1 or more. The organic fraction C1-C20. it may be a branched, linear or cyclic monovalent hydrocarbyl group. R1 and R2 may each independently be a C9-C14 hydrocarbyl group, with n = 1 (providing a disulfide, such as tertiary dodecyl disulfide). In another embodiment, R1 and R2 are each independently a C9-C14 hydrocarbyl group, with n = 2-5 (providing a polysulfide). Examples of such compounds include TPS-32 and TPS-20, available from Arkema. In another embodiment, R1 and R2 are independently C7-C11 hydrocarbyl groups, with n = 2-5. TPS-37LS, available from Arkema, is an example of such a suitable polysulfide. Another suitable type of polysulfide could be a polysulfide or mixture of polysulfides wherein R1 and R2 are either tert-butyl or n = 2-5. Examples of such organosulfur compounds include TPS-44 and TPS-54, available from Arkema.

[0031] A espécie de organoenxofre poderiam também ser um politiolato orgânico da fórmula R1-S-Sn-M, em que R1 é uma fração orgânica C1-C20, M é lítio, sódio, potássio, magnésio, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário e n é um número inteiro de 1 ou mais ou um tiolato orgânico da fórmula R2-S-M, em que R2 é uma fração orgânica C1-C20, M é lítio, sódio, potássio, magnésio, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário.[0031] The organosulfur species could also be an organic polythiolate of the formula R1-S-Sn-M, where R1 is a C1-C20 organic moiety, M is lithium, sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium and n is an integer of 1 or more or an organic thiolate of the formula R2-S-M, wherein R2 is a C1-C20 organic moiety, M is lithium, sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium.

[0032] Em uma outra modalidade, a espécie de organoenxofre podem ser um ditioacetal ou ditiocetal tais como os correspondentes às fórmulas (I) e (II), ou um tritio- ortocarboxilato da fórmula (III):

Figure img0001
[0032] In another embodiment, the organosulfur species may be a dithioacetal or dithioketal such as those corresponding to formulas (I) and (II), or a trithio-orthocarboxylate of formula (III):
Figure img0001

[0033] em que cada R3 é independentemente H ou uma fração orgânica C1-C20, o, p e q são cada qual independentemente um número inteiro de 1 ou mais, e cada Z é independentemente uma fração orgânica C1-C20, Li, Na, K, Mg, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário. Exemplos de tais espécie de organoenxofre incluem 1,2,4,5- tetratiano (fórmula I, R3 = H, o = p = 1), tetrametil-1,2,4,5-tetratiano (fórmula I, R3 = C H3, o = p =1), e oligo ou espécie poliméricas dos mesmos.[0033] wherein each R3 is independently H or a C1-C20 organic fraction, o, p and q are each independently an integer of 1 or more, and each Z is independently a C1-C20 organic fraction, Li, Na, K , Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium. Examples of such organosulfur species include 1,2,4,5-tetrathiane (formula I, R3 = H, o = p = 1), tetramethyl-1,2,4,5-tetrathian (formula I, R3 = C H3 , o=p=1), and oligo or polymeric species thereof.

[0034] Uma outra modalidade da invenção utiliza uma espécie de organoenxofre que é um polissulfeto aromático da fórmula (IV), um polissulfeto e poliéter da fórmula (V), um polissulfeto sal ácido da fórmula (VI), ou um polissulfeto sal ácido da fórmula (VII):

Figure img0002
[0034] Another embodiment of the invention utilizes an organosulfide species which is an aromatic polysulfide of formula (IV), a polysulfide and polyether of formula (V), a polysulfide acid salt of formula (VI), or a polysulfide acid salt of formula (VII):
Figure img0002

[0035] em que R4 independentemente é terc-butila ou terc-amila, R5 independentemente é OH, OLi ou ONa, e r é 0 ou mais (por exemplo, 0-10) na fórmula (IV) com os anéis aromáticos sendo opcionalmente substituídos em uma ou mais outras posições com substituintes sem ser hidrogênio, R6 é uma fração orgânica divalente na fórmula (VI), R7 é uma fração orgânica divalente na fórmula (VII), cada Z é independentemente uma fração orgânica C1-C20, Li, Na, K, Mg, amônio quaternário ou fosfônio quaternário, cada M é independentemente Li, Na, K, Mg, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário, e o e p são cada qual independentemente um número inteiro de 1 ou mais. Exemplos de tais espécie de organoenxofre incluem os polissulfetos aromáticos comercializados por Arkema com a marca registrada Vultac® (fórmula IV, R4 = terc-butila ou terc-amila, R5 = OH); e polissulfeto sais ácidos correspondendo às fórmulas VI e VII derivados de ácidos mercapto tais como ácido mercaptoacético, ácido mercaptopropiônico, ácido mercaptoeetanossulfônico, ácido mercaptopropanossulfônico, ou de ácidos contendo olefina tal como ácido vinilsulfônico ou ácido 2-acrilamido-2-metilpropanossulfônico.[0035] wherein R4 independently is tert-butyl or tert-amyl, R5 independently is OH, OLi or ONa, and r is 0 or more (e.g. 0-10) in formula (IV) with the aromatic rings being optionally substituted at one or more other positions with substituents other than hydrogen, R6 is a divalent organic moiety in formula (VI), R7 is a divalent organic moiety in formula (VII), each Z is independently a C1-C20 organic moiety, Li, Na , K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, each M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and o and p are each independently an integer of 1 or more. Examples of such organosulfur species include the aromatic polysulfides marketed by Arkema under the trade name Vultac® (formula IV, R4 = tert-butyl or tert-amyl, R5 = OH); and polysulfide acid salts corresponding to formulas VI and VII derived from mercapto acids such as mercaptoacetic acid, mercaptopropionic acid, mercaptoethanesulfonic acid, mercaptopropanesulfonic acid, or from olefin-containing acids such as vinylsulfonic acid or 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid.

[0036] Ainda em uma outra modalidade, a espécie de organoenxofre é um polissulfeto organo- ou organometálico contendo funcionalidade de tritiocarbonato da fórmula (IX), um polissulfeto organo- ou organometálico contendo funcionalidade de ditiocarbonato da fórmula (X), ou um polissulfeto organo- ou organometálico contendo funcionalidade de monotiocarbonato da fórmula (XI):

Figure img0003
[0036] In yet another embodiment, the organosulfide species is an organo- or organometallic polysulfide containing trithiocarbonate functionality of formula (IX), an organo- or organometallic polysulfide containing dithiocarbonate functionality of formula (X), or an organo polysulfide - or organometallic containing monothiocarbonate functionality of the formula (XI):
Figure img0003

[0037] em que Z é uma fração orgânica C1-C20, Na, Li, K, Mg, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário, e o e p são independentemente um número inteiro de 1 ou mais.[0037] where Z is a C1-C20 organic moiety, Na, Li, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and o and p are independently an integer of 1 or more.

[0038] A solução de eletrólito líquida ou gel pode ser adicionalmente compreendida de uma espécie de politiolato de dimetal da fórmula M-S-Sn-M, em que cada M é independentemente Li, Na, K, Mg, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário e n é um número inteiro de 1 ou mais. Uma espécie como essa assim não contém nenhuma fração orgânica, diferente da espécie de organoenxofre supradescritas.[0038] The liquid or gel electrolyte solution may additionally be comprised of a dimetal polythiolate species of the formula M-S-Sn-M, wherein each M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium and n is an integer of 1 or more. A species like this does not contain any organic fraction, unlike the organosulfur species described above.

[0039] O elemento separador intermediário pode funcionar como um divisor entre os compartimentos em uma célula eletroquímica. Um compartimento pode compreender um eletrólito em contato com um catodo (o eletrólito em tal compartimento pode ser referido como um católito). Um outro compartimento pode compreender um eletrólito em contato com um anodo (o eletrólito em tal compartimento pode ser referido como um anólito). O anólito e o católito podem ser os mesmos, ou diferentes um do outro. Um ou ambos do anólito e do católito podem conter uma ou mais espécie de organoenxofre de acordo com a presente invenção. O elemento separador intermediário pode ser posicionado entre tais compartimentos de uma maneira assim a permitir que íons do anólito passem através do elemento separador intermediário para o católito e vice versa, dependendo se a célula eletroquímica está sendo operada em modo carga ou de descarga.[0039] The intermediate separator element can function as a divider between compartments in an electrochemical cell. A compartment may comprise an electrolyte in contact with a cathode (the electrolyte in such a compartment may be referred to as a catholyte). Another compartment may comprise an electrolyte in contact with an anode (the electrolyte in such a compartment may be referred to as an anolyte). The anolyte and catholyte can be the same or different from each other. One or both of the anolyte and the catholyte may contain one or more organosulfur species in accordance with the present invention. The intermediate separator element can be positioned between such compartments in such a way as to allow ions from the anolyte to pass through the intermediate separator element to the catholyte and vice versa, depending on whether the electrochemical cell is being operated in charge or discharge mode.

[0040] Em uma modalidade adicional da invenção, o elemento separador intermediário é compreendido de um polímero poroso. O polímero poroso pode, por exemplo, ser compreendido de polipropileno, polietileno, ou um polímero fluorado. O polímero poroso pode ser funcionalizado com uma espécie de organoenxofre do tipo descrito aqui. A espécie de organoenxofre podem ser pendentes na espinha dorsal do polímero poroso, podem estar presentes em reticulações entre as espinhas dorsais da cadeia de polímero individual e/ou podem ser incorporadas na espinha dorsal da espinha dorsal porosa. Assim, a espinha dorsal do polímero poroso pode conter uma ou mais ligações de -S-Sn- e/ou ligações de -S-Sn- podem ser pendentes na espinha dorsal do polímero. Tais ligações de -S-Sn- podem também estar presentes em reticulações.[0040] In a further embodiment of the invention, the intermediate separating element is comprised of a porous polymer. The porous polymer may, for example, be comprised of polypropylene, polyethylene, or a fluorinated polymer. The porous polymer can be functionalized with an organosulfur species of the type described herein. The organosulfur species may be pendant on the backbone of the porous polymer, may be present in crosslinks between the backbones of the individual polymer chain, and/or may be incorporated into the backbone of the porous backbone. Thus, the porous polymer backbone may contain one or more -S-Sn- bonds and/or -S-Sn- bonds may be dangling from the polymer backbone. Such -S-Sn- bonds may also be present in crosslinks.

[0041] Solventes adequados para ser usados em células eletroquímicas de acordo com a invenção incluem qualquer dos solventes polares apróticos básicos (complexante de cátion) conhecidos ou usados para baterias de lítio-enxofre geralmente tais como sulfolano, sulfóxido de dimetila, dimetilacetamida, tetrametil ureia, N-metil pirrolidinona, tetraetil sulfamida; éteres tais como tetra-hidrofurano, metil-THF, 1,3-dioxolano, 1,2-dimetoxietano (glima), diglima, e tetraglima, e misturas dos mesmos; carbonatos tais como carbonato de etileno, carbonato de propileno, dimetilcarbonato, dietilcarbonato, etilmetilcarbonato, metilpropilcarbonato, etilpropilcarbonato e similares; bem como ésteres tais como metilacetato, acetato de etila, propilacetato, e gama-butirolactona. O eletrólito pode compreender um único solvente como esse ou uma mistura de tais solventes. Quaisquer dos polímeros apróticos polares conhecidos na técnica de bateria podem também ser empregados. O eletrólito pode compreender um material polimérico e pode tomar a forma de um gel. Polímeros adequados para uso no eletrólito podem incluir, por exemplo, óxido de polietileno, uma polietersulfona, um polivinilálcool, ou uma poli-imida. O eletrólito pode ser na forma de um gel, que pode ser uma rede tridimensional compreendida de um líquido e um componente aglutinante. O líquido pode ser um solvente monomérico que é arrastado em um polímero, tal como um polímero reticulado.[0041] Suitable solvents for use in electrochemical cells according to the invention include any of the basic aprotic polar solvents (cation complexer) known or used for lithium-sulfur batteries generally such as sulfolane, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, tetramethyl urea , N-methyl pyrrolidinone, tetraethyl sulfamide; ethers such as tetrahydrofuran, methyl-THF, 1,3-dioxolane, 1,2-dimethoxyethane (glyme), diglyme, and tetraglyme, and mixtures thereof; carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethylcarbonate, diethylcarbonate, ethylmethylcarbonate, methylpropylcarbonate, ethylpropylcarbonate and the like; as well as esters such as methylacetate, ethyl acetate, propylacetate, and gamma-butyrolactone. The electrolyte may comprise such a single solvent or a mixture of such solvents. Any of the polar aprotic polymers known in the battery art may also be employed. The electrolyte may comprise a polymeric material and may take the form of a gel. Polymers suitable for use in the electrolyte may include, for example, polyethylene oxide, a polyethersulfone, a polyvinylalcohol, or a polyimide. The electrolyte may be in the form of a gel, which may be a three-dimensional network comprised of a liquid and a binder component. The liquid may be a monomeric solvent which is entrained in a polymer, such as a cross-linked polymer.

[0042] Um ou mais condutores de sal estão presentes no eletrólito em combinação com o solvente e/ou polímero aprótico polar não aquoso. Condutores de sal são bem conhecidos na técnica de bateria e incluem, por exemplo, sais de lítio de (CF3SO2)2N~ CF3SO3-, CH3SO3-, CIO4-, PF6_, AsF6-nitrato, halogênio ou similares. Sódio e outro metal alcalino sais e misturas dos mesmos podem também ser usados.[0042] One or more salt conductors are present in the electrolyte in combination with the solvent and/or non-aqueous polar aprotic polymer. Salt conductors are well known in the battery art and include, for example, lithium salts of (CF3SO2)2N- CF3SO3-, CH3SO3-, CIO4-, PF6_, AsF6-nitrate, halogen or the like. Sodium and other alkali metal salts and mixtures thereof may also be used.

[0043] O material ativo de anodo pode compreender um metal alcalino tais como lítio, sódio, potássio e/ou magnésio ou um outro material ativo ou composição. Materiais ativos de anodo particularmente preferidos incluem lítio metálico, ligas de lítio, sódio metálico, ligas de sódio, metais alcalinos ou ligas dos mesmos, pós de metal, ligas de lítio e alumínio, magnésio, silício, e/ou estanho, metal alcalino-carbono e metal alcalino-grafite intercalados, compostos capazes de oxidar reversivelmente e reduzir com um íons de metal alcalino, e misturas dos mesmos. O metal ou liga de metal (por exemplo, lítio metálico) pode ser contido como uma película em uma bateria ou como diversas películas, opcionalmente separadas por um material cerâmico. Materiais cerâmicos adequados incluem, por exemplo, materiais vítreos contendo sílica, alumina, ou lítio tais como fosfatos de lítio, lítio, aluminatos de lítio silicatos, fósforo de lítio oxinitretos, óxido de tântalo e lítio, aluminossilicatos de lítio, óxidos de lítio e titânio, silicossulfetos de lítio, germanossulfetos de lítio, aluminossulfetos de lítio, borossulfetos de lítio, fosfossulfetos de lítio e misturas dos mesmos.[0043] The anode active material may comprise an alkali metal such as lithium, sodium, potassium and/or magnesium or another active material or composition. Particularly preferred anode active materials include lithium metal, lithium alloys, sodium metal, sodium alloys, alkali metals or alloys thereof, metal powders, lithium aluminum alloys, magnesium, silicon, and/or tin, alkali metal. carbon and alkali metal-graphite intercalated, compounds capable of reversibly oxidizing and reducing with an alkali metal ion, and mixtures thereof. The metal or metal alloy (e.g. lithium metal) can be contained as a film in a battery or as several films, optionally separated by a ceramic material. Suitable ceramic materials include, for example, silica, alumina, or lithium-containing glassy materials such as lithium, lithium phosphates, lithium aluminates, silicates, lithium phosphorus oxynitrides, lithium tantalum oxide, lithium aluminosilicates, lithium oxides, and titanium , lithium siliculphides, lithium germanesulphides, lithium aluminosulphides, lithium borosulphides, lithium phosphosulphides and mixtures thereof.

[0044] O anodo pode ser em qualquer forma adequada, tais como, por exemplo, uma película, compósito ou outro tipo de coletor de corrente.[0044] The anode may be in any suitable form, such as, for example, a film, composite or other type of current collector.

[0045] Em uma modalidade da invenção, o anodo é tratado com pelo menos uma espécie de organoenxofre. Tal tratamento pode ser realizado colocando em contato uma superfície do anodo com o pelo menos uma espécie de organoenxofre. A espécie de organoenxofre pode, por exemplo, ser na forma de uma solução durante tal etapa de contato. Qualquer solvente adequado ou combinação de solventes para a espécie de organoenxofre podem ser utilizado para formar uma solução como essa. Por exemplo, o(s) solvente(s) pode(m) ser um qualquer dos solventes polares apróticos previamente descritos. Em uma modalidade, o anodo é tratado com a espécie de organoenxofre antes da montagem de uma célula eletroquímica, tal como pulverizando uma solução da espécie de organoenxofre no anodo ou mergulhando o anodo em uma solução da espécie de organoenxofre. Em uma outra modalidade, a espécie de organoenxofre é incorporada com um componente do eletrólito a ser empregado na célula eletroquímica, em que o eletrólito contendo a espécie de organoenxofre fica em contato com o anodo mediante montagem da célula eletroquímica.[0045] In one embodiment of the invention, the anode is treated with at least one species of organosulfur. Such treatment may be carried out by bringing an anode surface into contact with at least one organosulfur species. The organosulfur species may, for example, be in the form of a solution during such a contacting step. Any suitable solvent or combination of solvents for the organosulfur species can be used to form such a solution. For example, the solvent(s) may be any of the previously described polar aprotic solvents. In one embodiment, the anode is treated with the organosulfur species prior to assembly of an electrochemical cell, such as by spraying a solution of the organosulfur species on the anode or dipping the anode in a solution of the organosulfur species. In another embodiment, the organosulfur species is incorporated with an electrolyte component to be used in the electrochemical cell, in which the electrolyte containing the organosulfur species is in contact with the anode by mounting the electrochemical cell.

[0046] Em uma outra modalidade, o anodo compreende pelo menos uma espécie de organoenxofre além de pelo menos um metal reativo selecionado do grupo que consiste de lítio, sódio, potássio e magnésio. Por exemplo, pelo menos uma espécie de organoenxofre pode ser depositada na uma superfície do anodo.[0046] In another embodiment, the anode comprises at least one organosulfur species in addition to at least one reactive metal selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium and magnesium. For example, at least one species of organosulfur can be deposited on an anode surface.

[0047] O catodo compreende enxofre elementar, selênio elementar ou uma mistura de calcogênios elementares. Em uma modalidade, o catodo é adicionalmente compreendido de uma ou mais espécie de organoenxofre de acordo com aquelas previamente descritas em detalhes aqui. O catodo pode adicionalmente e/ou alternativamente ser compreendido de um aglutinante e/ou um aditivo eletricamente condutor. Aglutinantes adequados incluem polímeros tais como, por exemplo, álcool polivinílico, poliacrilonitrila, poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF), poli(fluoreto de vinila), politetrafluoretileno (PTFE), copolímeros de tetrafluoretileno e hexafluorpropileno, copolímeros de fluoreto de vinilideno e hexafluorpropileno, copolímeros de fluoreto de vinilideno e tetrafluoretileno, borracha de monômero de etileno-propileno-dieno (EPDM), e poli(cloreto de vinila) (PVC). O aditivo eletricamente condutor pode ser, por exemplo, um carbono na forma eletricamente condutora tais como grafite, grafeno, fibras de carbono, nanotubos de carbono, negro-de-fumo, ou fuligem (por exemplo, fuligem de lâmpada ou forno). O catodo pode estar presente em uma bateria ou célula eletroquímica em combinação com um coletor de corrente, tais como quaisquer dos coletores atuais conhecidos na técnica de bateria ou célula eletroquímica. Por exemplo, o catodo pode ser revestido na superfície de um coletor metálico atual.Aspectos da invenção incluem:[0047] The cathode comprises elemental sulfur, elemental selenium or a mixture of elemental chalcogens. In one embodiment, the cathode is further comprised of one or more organosulfur species in accordance with those previously described in detail herein. The cathode may additionally and/or alternatively be comprised of a binder and/or an electrically conductive additive. Suitable binders include polymers such as, for example, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, poly(vinylidene fluoride) (PVDF), poly(vinyl fluoride), polytetrafluoroethylene (PTFE), copolymers of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene, copolymers of vinylidene fluoride and hexafluorpropylene , copolymers of vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, and poly(vinyl chloride) (PVC). The electrically conductive additive can be, for example, carbon in electrically conductive form such as graphite, graphene, carbon fibers, carbon nanotubes, carbon black, or soot (e.g., lamp or oven soot). The cathode may be present in a battery or electrochemical cell in combination with a current collector, such as any of the current collectors known in the battery or electrochemical cell art. For example, the cathode can be coated onto the surface of a metallic current collector. Aspects of the invention include:

[0048] 1. Uma bateria, compreendendo:[0048] 1. A battery, comprising:

[0049] um anodo compreendendo um material ativo de anodo compreendendo sódio, lítio ou uma liga ou compósito de pelo menos um de sódio ou lítio com pelo menos um outro metal para prover íons;[0049] an anode comprising an active anode material comprising sodium, lithium or an alloy or composite of at least one of sodium or lithium with at least one other metal to provide ions;

[0050] um catodo compreendendo um material ativo de catodo compreendendo enxofre elementar, selênio elementar ou uma mistura de calcogênios elementares; e[0050] a cathode comprising a cathode active material comprising elemental sulfur, elemental selenium or a mixture of elemental chalcogens; and

[0051] um elemento separador intermediário posicionado entre o anodo e catodo agindo para separar soluções de eletrólito líquidas ou géis em contato com o anodo e catodo, através do qual íons metálicos e seus contraíons se movem entre o anodo e catodo durante ciclos de carga e descarga da bateria;[0051] An intermediate separator element positioned between the anode and cathode acting to separate liquid electrolyte solutions or gels in contact with the anode and cathode, through which metal ions and their counterions move between the anode and cathode during charge and battery discharge;

[0052] em que as soluções de eletrólito líquidas ou géis compreendem um solvente ou polímero aprótico polar não aquoso e um sal condutor e pelo menos uma das condições (i), (ii), (iii) ou (iv) é satisfeita: (i) pelo menos uma das soluções de eletrólito líquidas ou géis compreende adicionalmente pelo menos uma espécie de organoenxofre; (ii) o catodo é adicionalmente compreendido de pelo menos uma espécie de organoenxofre; (iii) o elemento separador intermediário compreende um polímero poroso funcionalizado contendo pelo menos uma espécie de organoenxofre; (iv) o anodo é adicionalmente compreendido de ou foi tratado com pelo menos uma espécie de organoenxofre;[0052] wherein the liquid electrolyte solutions or gels comprise a non-aqueous polar aprotic solvent or polymer and a conductive salt and at least one of conditions (i), (ii), (iii) or (iv) is satisfied: ( i) at least one of the liquid electrolyte solutions or gels additionally comprises at least one organosulfur species; (ii) the cathode is further comprised of at least one organosulfur species; (iii) the intermediate separating element comprises a functionalized porous polymer containing at least one organosulfur species; (iv) the anode is further comprised of or has been treated with at least one organosulfur species;

[0053] em que a espécie de organoenxofre compreende pelo menos uma fração orgânica e pelo menos uma ligação de -S-Sn-, n sendo 0 ou um número inteiro de 1 ou mais.[0053] wherein the organosulfur species comprises at least one organic moiety and at least one -S-Sn- bond, n being 0 or an integer of 1 or more.

[0054] 2. A bateria do aspecto 1, em que a espécie de organoenxofre é selecionada do grupo que consiste de polissulfetos orgânicos, tiolatos orgânicos e politiolatos orgânicos e misturas dos mesmos.[0054] 2. The battery of aspect 1, wherein the organosulfur species is selected from the group consisting of organic polysulfides, organic thiolates and organic polythiolates and mixtures thereof.

[0055] 3. A bateria de qualquer um de aspectos 1 e 2, em que a espécie de organoenxofre contém um ou mais grupos funcionais contendo enxofre selecionados do grupo que consiste de ditioacetal, ditiocetal, tritio-ortocarbonato, tiossulfonato [- S(O)2-S-], tiossulfinato [-S(O)-S-], tiocarboxilato [-C(O)-S-], ditiocarboxilato [-C(S)-S-], tiofosfato, tiofosfonato, monotiocarbonato, ditiocarbonato, e tritiocarbonato.[0055] 3. The battery of any of aspects 1 and 2, wherein the organosulfur species contains one or more sulfur-containing functional groups selected from the group consisting of dithioacetal, dithioketal, trithio-orthocarbonate, thiosulfonate [- S(O )2-S-], thiosulfinate [-S(O)-S-], thiocarboxylate [-C(O)-S-], dithiocarboxylate [-C(S)-S-], thiophosphate, thiophosphonate, monothiocarbonate, dithiocarbonate , and trithiocarbonate.

[0056] 4. A bateria de qualquer um de aspectos 1-3, em que a espécie de organoenxofre é selecionada do grupo que consiste de polissulfetos aromáticos, polissulfeto e poliéteres, polissulfeto sais ácidos e misturas dos mesmos.[0056] 4. The battery of any of aspects 1-3, wherein the organosulfur species is selected from the group consisting of aromatic polysulfides, polysulfides and polyethers, polysulfide acid salts and mixtures thereof.

[0057] 5. A bateria de qualquer um de aspectos 1-5, em que a espécie de organoenxofre é um polissulfeto orgânico da fórmula R1-S-Sn-R2, em que R1 e R2 independentemente representam uma fração orgânica C1-C20 que pode ser linear, ramificada, ou alifática cíclica ou aromática e que pode compreender opcionalmente um ou mais grupos funcionais contendo N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogênio e/ou metal, e n é um número inteiro de 1 ou mais.[0057] 5. The battery of any of aspects 1-5, wherein the organosulfur species is an organic polysulfide of the formula R1-S-Sn-R2, wherein R1 and R2 independently represent a C1-C20 organic fraction that may be linear, branched, or cyclic or aromatic aliphatic and which may optionally comprise one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal, and n is an integer of 1 or most.

[0058] 6. A bateria de qualquer um de aspectos 1-5, em que a espécie de organoenxofre é um tiolato orgânico da fórmula R1-S-M ou politiolato orgânico da fórmula R1-S-Sn-M, em que R1 é uma fração orgânica C1-C20 que pode ser linear, ramificada, ou alifática cíclica ou aromática e que pode compreender opcionalmente um ou mais grupos funcionais contendo N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogênio e/ou metal, M é lítio, sódio, potássio, magnésio, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário, e n é um número inteiro de 1 ou mais.[0058] 6. The battery of any of aspects 1-5, wherein the organosulfur species is an organic thiolate of the formula R1-S-M or an organic polythiolate of the formula R1-S-Sn-M, wherein R1 is a fraction organic C1-C20 which may be linear, branched, or cyclic or aromatic aliphatic and which may optionally comprise one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal, M is lithium , sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and n is an integer of 1 or more.

[0059] 7. A bateria de qualquer um de aspectos 1-6, em que a espécie de organoenxofre é um ditioacetal ou ditiocetal das fórmulas (I) ou (II), ou um tritio- ortocarboxilato da fórmula (III):

Figure img0004
[0059] 7. The battery of any of aspects 1-6, wherein the organosulfur species is a dithioacetal or dithioketal of formulas (I) or (II), or a trithio-orthocarboxylate of formula (III):
Figure img0004

[0060] em que cada R3 é independentemente H ou uma fração orgânica C1-C20 que pode ser linear, ramificada, ou alifática cíclica ou aromática e que pode compreender opcionalmente um ou mais grupos funcionais contendo N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogênio e/ou metal, o, p e q são cada qual independentemente um número inteiro de 1 ou mais, e cada Z é independentemente: uma fração orgânica C1-C20 que pode ser linear, ramificada, ou alifática cíclica ou aromática e que pode compreender opcionalmente um ou mais grupos funcionais contendo N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogênio e/ou metal; Li; Na; K; Mg; amônio quaternário; ou fosfônio quaternário.[0060] wherein each R3 is independently H or a C1-C20 organic moiety which may be linear, branched, or cyclic or aromatic aliphatic and which may optionally comprise one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal, o, p and q are each independently an integer of 1 or more, and each Z is independently: a C1-C20 organic fraction which may be linear, branched, or cyclic or aromatic aliphatic and which may optionally comprise one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal; read; At; K; mg; quaternary ammonium; or quaternary phosphonium.

[0061] 8. A bateria de qualquer um de aspectos 1-7, em que a espécie de organoenxofre é um polissulfeto aromático da fórmula (IV), um polissulfeto e poliéter da fórmula (V), um polissulfeto sal ácido da fórmula (VI), ou um polissulfeto sal ácido da fórmula (VII):

Figure img0005
[0061] 8. The battery of any of aspects 1-7, wherein the organosulfide species is an aromatic polysulfide of formula (IV), a polysulfide and polyether of formula (V), a polysulfide acid salt of formula (VI). ), or a polysulfide acid salt of formula (VII):
Figure img0005

[0062] em que R4 independentemente é terc-butila ou terc-amila, R5 independentemente é OH, OLi ou ONa, e r é 0 ou mais na fórmula (IV) com os anéis aromáticos sendo opcionalmente substituídos em uma ou mais posições com substituintes sem ser hidrogênio, R6 é uma fração orgânica divalente na fórmula (VI), R5 é uma fração orgânica divalente na fórmula (VII), cada Z é independentemente uma fração orgânica C1-C20, Li, Na ou amônio quaternário, cada M é independentemente Li, Na, K, Mg, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário, e o e p são cada qual independentemente um número inteiro de 1 ou mais.[0062] wherein R4 independently is tert-butyl or tert-amyl, R5 independently is OH, OLi or ONa, and r is 0 or more in formula (IV) with the aromatic rings being optionally substituted at one or more positions with substituents without be hydrogen, R6 is a divalent organic fraction in formula (VI), R5 is a divalent organic fraction in formula (VII), each Z is independently a C1-C20 organic fraction, Li, Na or quaternary ammonium, each M is independently Li , Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and o and p are each independently an integer of 1 or more.

[0063] 9. A bateria de qualquer um de aspectos 1-8, em que a espécie de organoenxofre é um polissulfeto organo- ou organometálico contendo funcionalidade de tritiocarbonato da fórmula (IX), um polissulfeto organo- ou organometálico contendo funcionalidade de ditiocarbonato da fórmula (X), ou um polissulfeto organo- ou organometálico contendo funcionalidade de monotiocarbonato da fórmula (XI):

Figure img0006
[0063] 9. The battery of any of aspects 1-8, wherein the organosulfide species is an organo- or organometallic polysulfide containing trithiocarbonate functionality of formula (IX), an organo- or organometallic polysulfide containing dithiocarbonate functionality of the formula (X), or an organo- or organometallic polysulfide containing monothiocarbonate functionality of formula (XI):
Figure img0006

[0064] em que Z é uma fração orgânica C1-C20, Na, Li, amônio quaternário ou fosfônio quaternário, e o e p são cada qual independentemente um número inteiro de 1 ou mais.[0064] wherein Z is a C1-C20 organic moiety, Na, Li, quaternary ammonium or quaternary phosphonium, and o and p are each independently an integer of 1 or more.

[0065] 10. A bateria de qualquer um de aspectos 1-9, em que a solução de eletrólito líquida ou gel é adicionalmente compreendida de uma espécie de politiolato de dimetal da fórmula M-S-Sn-M, em que cada M é independentemente Li, Na, K, Mg, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário, e n é um número inteiro de 1 ou mais.[0065] 10. The battery of any of aspects 1-9, wherein the liquid or gel electrolyte solution is further comprised of a dimetal polythiolate species of the formula M-S-Sn-M, wherein each M is independently Li , Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and n is an integer of 1 or more.

[0066] 11. A bateria de qualquer um de aspectos 1-10, em que o catodo é adicionalmente compreendido de pelo menos um aditivo eletricamente condutor e/ou pelo menos um aglutinante.[0066] 11. The battery of any one of aspects 1-10, wherein the cathode is further comprised of at least one electrically conductive additive and/or at least one binder.

[0067] 12. A bateria de qualquer um de aspectos 1-11, em que a espécie de organoenxofre é pendente na espinha dorsal do polímero poroso funcionalizado.[0067] 12. The battery of any of aspects 1-11, wherein the organosulfur species is pendant on the backbone of the functionalized porous polymer.

[0068] 13. A bateria de qualquer um de aspectos 1-12, em que a espécie de organoenxofre é reticulada em ou forma parte da espinha dorsal do polímero poroso funcionalizado.[0068] 13. The battery of any one of aspects 1-12, wherein the organosulfur species is cross-linked into or forms part of the backbone of the functionalized porous polymer.

[0069] 14. A bateria de qualquer um do aspecto 1-13, em que a fração orgânica contém pelo menos dois átomos de carbono.[0069] 14. The battery of any of aspect 1-13, wherein the organic fraction contains at least two carbon atoms.

[0070] 15. A bateria de qualquer um de aspectos 1-14, em que o separador poroso intermediário separa a bateria para prover uma seção de anólito associada com o anodo e uma seção de católito associada com o catodo e em que a espécie de organoenxofre está presente em pelo menos uma da seção de anólito ou da seção de católito.[0070] 15. The battery of any of aspects 1-14, wherein the intermediate porous separator separates the battery to provide an anode section associated with the anode and a catholyte section associated with the cathode and wherein the species of organosulfur is present in at least one of the anolyte section or the catholyte section.

[0071] 16. A bateria de qualquer um de aspectos 1-15, em que o solvente aprótico polar não aquoso ou polímero contém um ou mais grupos funcionais selecionados de éter, carbonila, éster, carbonato, amino, amido, sulfidila [-S-], sulfinila [-S(O)-], ou sulfonila [-SO2-].[0071] 16. The battery of any of aspects 1-15, wherein the non-aqueous polar aprotic solvent or polymer contains one or more functional groups selected from ether, carbonyl, ester, carbonate, amino, amido, sulfidyl [-S -], sulfinyl [-S(O)-], or sulfonyl [-SO2-].

[0072] 17. A bateria de qualquer um de aspectos 1-16, em que o sal conductor corresponda à fórmula MX em que M é Li, Na ou amônio quaternário e X é (CF3SO2)2N, CF3SO3, CH3SO3, ClO4, PF6, NO3, AsF6 ou halogênio.[0072] 17. The battery of any of aspects 1-16, wherein the conducting salt corresponds to the formula MX where M is Li, Na or quaternary ammonium and X is (CF3SO2)2N, CF3SO3, CH3SO3, ClO4, PF6 , NO3, AsF6 or halogen.

[0073] 18. A bateria de qualquer um de aspectos 1-17, em que a fração orgânica é oligomérica ou polimérica e a espécie de organoenxofre compreende pelo menos uma ligação de -S-S- que é pendente na espinha dorsal da fração orgânica oligomérica ou polimérica.[0073] 18. The battery of any of aspects 1-17, wherein the organic fraction is oligomeric or polymeric and the organosulfur species comprises at least one -S-S- bond which is pendant on the backbone of the oligomeric or polymeric.

[0074] 19. A bateria de qualquer um de aspectos 1-18, em que a fração orgânica é oligomérica ou polimérica e a espécie de organoenxofre compreende pelo menos uma ligação de -S-S- que é incorporada na espinha dorsal da fração orgânica oligomérica ou polimérica.[0074] 19. The battery of any of aspects 1-18, wherein the organic fraction is oligomeric or polymeric and the organosulfur species comprises at least one -S-S- bond which is incorporated into the backbone of the oligomeric or organic fraction polymeric.

[0075] 20. Um eletrólito, compreendendo pelo menos um solvente ou polímero aprótico polar não aquoso, pelo menos um sal condutor, e pelo menos uma espécie de organoenxofre compreendida de pelo menos uma fração orgânica e pelo menos uma ligação de -S-Sn- em que n é 0 ou um número inteiro de 1 ou mais.[0075] 20. An electrolyte, comprising at least one non-aqueous polar aprotic solvent or polymer, at least one conductive salt, and at least one organosulfur species comprised of at least one organic moiety and at least one -S-Sn bond - where n is 0 or an integer of 1 or more.

[0076] 21. Um catodo compreendendo a) enxofre elementar, selênio elementar ou uma mistura de calcogênios elementares, b) pelo menos um aditivo eletricamente condutor, c) e pelo menos uma espécie de organoenxofre compreendendo pelo menos uma fração orgânica e pelo menos uma ligação de -S-Sn-, n sendo 0 ou um número inteiro de 1 ou mais.[0076] 21. A cathode comprising a) elemental sulfur, elemental selenium or a mixture of elemental chalcogens, b) at least one electrically conductive additive, c) and at least one organosulfur species comprising at least one organic fraction and at least one bond of -S-Sn-, n being 0 or an integer of 1 or more.

[0077] 22. O catodo do aspecto 21, em combinação com um coletor de corrente.[0077] 22. The cathode of aspect 21, in combination with a current collector.

[0078] 23. O catodo de qualquer um de aspectos 21 e 22, em que pelo menos um aditivo eletricamente condutor inclui pelo menos um de grafite, nanotubos de carbono, nanofibras de carbono, grafeno, negro-de-fumo ou fuligem.[0078] 23. The cathode of any one of aspects 21 and 22, wherein the at least one electrically conductive additive includes at least one of graphite, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, carbon black or soot.

[0079] 24. O catodo de qualquer um de aspectos 21-23, compreendendo adicionalmente pelo menos um aglutinante.[0079] 24. The cathode of any one of aspects 21-23, further comprising at least one binder.

[0080] 25. Um anodo compreendendo um material ativo de anodo compreendendo sódio, lítio, potássio ou magnésio ou uma liga ou compósito de pelo menos um de sódio, lítio, potássio ou magnésio com pelo menos um outro metal para prover íons, em que o anodo compreende adicionalmente ou foi tratado com pelo menos uma espécie de organoenxofre compreendendo pelo menos uma fração orgânica e pelo menos uma ligação de -S-Sn-, n sendo 0 ou um número inteiro de 1 ou mais.[0080] 25. An anode comprising an active anode material comprising sodium, lithium, potassium or magnesium or an alloy or composite of at least one of sodium, lithium, potassium or magnesium with at least one other metal to provide ions, wherein the anode further comprises or has been treated with at least one organosulfur species comprising at least one organic moiety and at least one -S-Sn- bond, n being 0 or an integer of 1 or more.

[0081] Nessa especificação as modalidades foram descritas de uma maneira que permite que uma especificação clara e concisa seja escrita, mas pretende-se e percebe-se que as modalidades podem ser combinadas ou separadas de modo variado sem fugir da invenção. Por exemplo, deve-se perceber que todos os recursos preferidos descritos aqui são aplicáveis a todos os aspectos da invenção descritos aqui.[0081] In this specification the modalities have been described in a way that allows a clear and concise specification to be written, but it is intended and understood that the modalities can be combined or separated in various ways without departing from the invention. For example, it should be understood that all preferred features described herein are applicable to all aspects of the invention described herein.

[0082] Em algumas modalidades, a invenção aqui pode ser entendida excluindo qualquer elemento ou etapa do processo que não afete materialmente as características básicas e inéditas da composição ou processo. Adicionalmente, em algumas modalidades, a invenção pode ser entendida excluindo qualquer elemento ou etapa do processo não especificado aqui.[0082] In some embodiments, the invention here can be understood excluding any element or process step that does not materially affect the basic and unprecedented characteristics of the composition or process. Additionally, in some embodiments, the invention may be understood to exclude any element or process step not specified herein.

EXEMPLOSEXAMPLES Fabricação de Catodo, Preparação de Bateria, e Teste de BateriaCathode Fabrication, Battery Preparation, and Battery Testing Exemplo 1Example 1

[0083] Um eletrodo positivo compreendendo 70 % em peso de pó de enxofre elementar sublimado, 20 % em peso de óxido de polietileno (PEO, MW 4*106), 10 % em peso de negro-de-fumo (Super P® Condutor, Alfa Aesar) foi produzido pelo procedimento a seguir:[0083] A positive electrode comprising 70% by weight of sublimated elemental sulfur powder, 20% by weight of polyethylene oxide (PEO, MW 4*106), 10% by weight of carbon black (Super P® Conductor , Alfa Aesar) was produced by the following procedure:

[0084] A mistura desses componentes em N-metil-2-pirrolidona (NMP) foi mecanicamente moída em uma máquina de moagem planetária. Acetonitrila foi adicionada para diluir a mistura. A suspensão resultante foi aplicada em película de alumínio (76 μm de espessura) com um revestidor de película automático (Mathis). O revestimento foi seco a 50 °C em um forno a vácuo por 18 horas. O revestimento resultante conteve 3,10 mg/cm2 de mistura de catodo.[0084] The mixture of these components in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was mechanically milled in a planetary milling machine. Acetonitrile was added to dilute the mixture. The resulting suspension was applied to aluminum foil (76 μm thick) with an automatic film coater (Mathis). The coating was dried at 50 °C in a vacuum oven for 18 hours. The resulting coating contained 3.10 mg/cm 2 of cathode mixture.

Exemplo 2Example 2

[0085] Um catodo positivo contendo n-dodecil mercapteto de lítio (10 % em peso de enxofre) foi preparado seguindo o procedimento descrito no Exemplo 1. O revestimento resultante conteve 3,4 mg de enxofre/cm2[0085] A positive cathode containing lithium n-dodecyl mercaptide (10% by weight sulfur) was prepared following the procedure described in Example 1. The resulting coating contained 3.4 mg of sulfur/cm2

Exemplo 3Example 3

[0086] O catodo positivo do Exemplo 2 foi usado em uma célula Swaglok PTFE com dois hastes de aço inoxidável ou montagem de célula tipo moeda feita de aço inoxidável (CR2032). A célula da bateria foi montada em um caixa de luva cheia de argônio (MBraun) como a seguir: o eletrodo de catodo foi colocado no recipiente inferior seguido pelo separador. Então eletrólito foi adicionado ao separador. Um eletrodo de lítio foi colocado dentro do separador. Um espaçador e uma mola foram colocados no topo do eletrodo de lítio. O núcleo da bateria foi vedado com as hastes de aço inoxidável ou com uma máquina de crimpagem.[0086] The positive cathode of Example 2 was used in a Swaglok PTFE cell with two stainless steel rods or coin cell assembly made of stainless steel (CR2032). The battery cell was mounted in an argon filled glove box (MBraun) as follows: the cathode electrode was placed in the lower container followed by the separator. Then electrolyte was added to the separator. A lithium electrode was placed inside the separator. A spacer and spring were placed on top of the lithium electrode. The battery core was sealed with stainless steel rods or a crimping machine.

Exemplo 4Example 4

[0087] Seguindo o procedimento descrito no Exemplo 3, uma célula da bateria que consiste de catodo do Exemplo 2 (7/16” de diâmetro), 20 μL de solução de LiTFSI 0,5 M em tetraetileno glicol dimetil éter (TEGDME):1,3-dioxolano (DOL)=1:1, separador, e eletrodo de lítio (espessura 0,38 mm, diâmetro 7/16”) foi testado em relação a ciclagem de carga-descarga a uma corrente de 0,1 mA. O teste foi realizado usando potenciômetro Gamry (Gamry Instruments) para cortar voltagem de 1,5 V e 3,2 V à temperatura ambiente. O perfil do ciclo de descarga é ilustrado na Figura 1.[0087] Following the procedure described in Example 3, a battery cell consisting of the cathode from Example 2 (7/16" in diameter), 20 μL of 0.5 M LiTFSI solution in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME): 1,3-dioxolane (DOL)=1:1, separator, and lithium electrode (thickness 0.38 mm, diameter 7/16”) was tested for charge-discharge cycling at a current of 0.1 mA . The test was performed using Gamry potentiometer (Gamry Instruments) to cut voltage of 1.5 V and 3.2 V at room temperature. The discharge cycle profile is illustrated in Figure 1.

Sínteses de alquilmercaptetos de lítioLithium alkylmercaptide synthesis Exemplo 5 - Síntese de n-dodecil mercapteto de lítio com hexil lítioExample 5 - Synthesis of lithium n-dodecyl mercaptide with lithium hexyl

[0088] A n-dodecil mercaptano (9,98 g, 1 eq.) em hexanos (100 mL) a -30 °C foi adicionado n hexillítio (33 % em peso em hexano, 1,1 eq.) em gotas para manter a temperatura da mistura abaixo de -20 °C. O solvente foi removido sob baixa pressão para render um sólido branco a rendimento quantitativo.[0088] To n-dodecyl mercaptan (9.98 g, 1 eq.) in hexanes (100 mL) at -30 °C was added n-hexyllithium (33 wt% in hexane, 1.1 eq.) dropwise to keep the temperature of the mixture below -20 °C. The solvent was removed under low pressure to yield a white solid in quantitative yield.

Exemplo 6 - Síntese de n-dodecil mercapteto de lítio com hidróxido de lítioExample 6 - Synthesis of lithium n-dodecyl mercaptide with lithium hydroxide

[0089] Uma mistura de n-dodecil mercaptano (2,0 g, 1 eq.) e monoidrato de hidróxido de lítio (0,41 g, 1 eq.) em acetonitrila (8 mL) foi aquecida a 75 °C e agitada a 75 °C por 16 horas. Após resfriamento à temperatura ambiente, a mistura da reação foi filtrada. A torta do filtro foi lavada com acetonitrila e seca a 50 °C em um forno a vácuo por toda a noite. O n dodecilmercapteto de lítio foi obtido na forma de um sólido branco em 93,5% de rendimento (1,93 g) Exemplo 7 - Síntese de n-dodecil mercapteto de lítio com hexil lítio

Figure img0007
[0089] A mixture of n-dodecyl mercaptan (2.0 g, 1 eq.) and lithium hydroxide monohydrate (0.41 g, 1 eq.) in acetonitrile (8 mL) was heated to 75 °C and stirred. at 75 °C for 16 hours. After cooling to room temperature, the reaction mixture was filtered. The filter cake was washed with acetonitrile and dried at 50 °C in a vacuum oven overnight. Lithium n-dodecyl mercaptide was obtained as a white solid in 93.5% yield (1.93 g) Example 7 - Synthesis of lithium n-dodecyl mercaptide with hexyl lithium
Figure img0007

[0090] Seguindo o procedimento descrito no Exemplo 6, sal de 3,6-dioxaoctano- 1,8-ditiol di-lítio foi sintetizado a partir de di-mercaptano como um sólido branco em rendimento quantitativo.[0090] Following the procedure described in Example 6, 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol di-lithium salt was synthesized from dimercaptan as a white solid in quantitative yield.

[0091] Sínteses de alquil politiolatos de lítio Exemplo 8 - Síntese de n-dodecilpolitiolato de lítio com hidróxido de lítio

Figure img0008
[0091] Synthesis of lithium alkyl polythiolates Example 8 - Synthesis of lithium n-dodecylpolythiolate with lithium hydroxide
Figure img0008

[0092] A uma solução desgaseificada com nitrogênio de n-dodecil mercaptano (2,00 g, 1 eq.) em 1,3-dioxolano (25 mL) foram adicionado monoidrato de hidróxido de lítio (0.41 g, 1 eq.) e enxofre (1,27 g, 4 eq.). A mistura foi agitada sob nitrogênio à temperatura ambiente por 30 min. N-dodecil politiolato de lítio em 1,3-dioxolano foi obtido na forma de uma solução vermelho escuro. Conversão completa de mercaptano em n-dodecil politiolato de lítio foi confirmada por NMR13C e LCMS.Exemplo 9 - Síntese de 3,6-dioxaoctano-1,8-politiolato de lítio com hidróxido de lítio e enxofre

Figure img0009
[0092] To a nitrogen-degassed solution of n-dodecyl mercaptan (2.00 g, 1 eq.) in 1,3-dioxolane (25 mL) was added lithium hydroxide monohydrate (0.41 g, 1 eq.) and sulfur (1.27 g, 4 eq.). The mixture was stirred under nitrogen at room temperature for 30 min. Lithium N-dodecyl polythiolate in 1,3-dioxolane was obtained as a dark red solution. Complete conversion of mercaptan to lithium n-dodecyl polythiolate was confirmed by NMR13C and LCMS.Example 9 - Synthesis of lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate with lithium sulfur hydroxide
Figure img0009

[0093] Seguindo o procedimento descrito no Exemplo 8, solução vermelho escuro de 3,6-dioxaoctano-1,8-politiolato de lítio em 1,3-dioxolano pela reação de 3,6- dioxaoctano-1,8-ditiol (0,72 g, 1 eq.), monoidrato de hidróxido de lítio (0,33 g, 2 eq.), e enxofre (1,02 g, 8 eq.) em 1,3-dioxolano (10 mL).[0093] Following the procedure described in Example 8, dark red solution of lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate in 1,3-dioxolane by the reaction of 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol (0 .72 g, 1 eq.), lithium hydroxide monohydrate (0.33 g, 2 eq.), and sulfur (1.02 g, 8 eq.) in 1,3-dioxolane (10 mL).

Exemplo 10 - Síntese de n-dodecilpolitiolato de lítio do alquil mercapteto de lítioExample 10 - Synthesis of lithium n-dodecylpolythiolate from lithium alkyl mercaptide

[0094] A uma pasta fluida desgaseificada com nitrogênio de n-dodecil mercapteto de lítio (0,21 g, 1 eq.) em 1,3 dioxolano (5 mL) foi adicionado enxofre (0,13 g, 4 eq.). A mistura foi agitada sob nitrogênio à temperatura ambiente por 16 horas. Sólidos insolúveis foram removidos por filtração. O filtrado vermelho escuro conteve 63% de n-dodecil politiolatos de lítio e 37% de uma mistura de poli(sulfetos de bis(n-dodecila)) como determinado por LCMS.[0094] To a nitrogen-degassed slurry of lithium n-dodecyl mercaptide (0.21 g, 1 eq.) in 1,3 dioxolane (5 mL) was added sulfur (0.13 g, 4 eq.). The mixture was stirred under nitrogen at room temperature for 16 hours. Insoluble solids were removed by filtration. The dark red filtrate contained 63% of lithium n-dodecyl polythiolates and 37% of a mixture of poly(bis(n-dodecyl) sulfides) as determined by LCMS.

Exemplo 11 - Síntese de n-dodecilpolitiolato de lítio com lítio metálico e enxofreExample 11 - Synthesis of lithium n-dodecylpolythiolate with lithium metal and sulfur

[0095] A uma solução desgaseificada com nitrogênio de n-dodecil mercaptano (2,23 g, 1 eq.) em 1,3-dioxolano (25 mL) foram adicionados enxofre (1,41 g, 4 eq.), e lítio (76,5 mg). A mistura foi aquecida a 60 °C e agitada sob nitrogênio a 60 °C por 1 hora. N-dodecil politiolato de lítio em 1,3 dioxolano foi obtido na forma de uma solução vermelho escuro. Conversão completa de n-dodecil mercaptano foi confirmada por 13C-NMR.[0095] To a nitrogen-degassed solution of n-dodecyl mercaptan (2.23 g, 1 eq.) in 1,3-dioxolane (25 mL) were added sulfur (1.41 g, 4 eq.), and lithium (76.5 mg). The mixture was heated to 60 °C and stirred under nitrogen at 60 °C for 1 h. Lithium N-dodecyl polythiolate in 1,3-dioxolane was obtained as a dark red solution. Complete conversion of n-dodecyl mercaptan was confirmed by 13C-NMR.

Exemplo 12 - Síntese de 3,6-dioxaoctano-1,8-politiolato de lítio com lítio metálico e enxofreExample 12 - Synthesis of lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate with lithium metal and sulfur

[0096] Seguindo o procedimento no Exemplo 11, uma solução vermelho escuro de 3,6-dioxaoctano-1,8-politiolato de lítio em 1,3-dioxolano foi obtida por reação de 3,6-dioxaoctano-1,8-ditiol (1,97 g, 1 eq.), lítio metálico (0,15 g, 2 eq.), e enxofre (2,77 g, 8 eq.) em 1,3-dioxolano (11 mL). Conversão completa de di-mercaptano de partida foi confirmada por NMR13C[0096] Following the procedure in Example 11, a dark red solution of lithium 3,6-dioxaoctane-1,8-polythiolate in 1,3-dioxolane was obtained by reacting 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol (1.97 g, 1 eq.), lithium metal (0.15 g, 2 eq.), and sulfur (2.77 g, 8 eq.) in 1,3-dioxolane (11 mL). Complete conversion of starting dimercaptan was confirmed by NMR13C

Exemplo 13 - Dissolução de Li2S por n-dodecilpolitiolato de lítio adicionadoExample 13 - Dissolution of Li2S by added lithium n-dodecylpolythiolate

[0097] Para determinar a solubilidade de sulfeto de lítio em eletrólito com n- dodecilpolitiolato de lítio, uma solução saturada de sulfeto de lítio foi preparada como a seguir:[0097] To determine the solubility of lithium sulfide in electrolyte with lithium n-dodecylpolythiolate, a saturated solution of lithium sulfide was prepared as follows:

[0098] Uma solução 0,4 M de n-dodecilpolitiolato de lítio em 1,3-dioxolano foi preparada seguindo o procedimento descrito no Exemplo 10. A solução foi então diluída em 0,2 M com tetraetileno glicol dimetiléter, então adicionado a e solução de LiTFSI 1M em 1:1 tetraetileno glicol dimetiléter:1,3-dioxolano a 1:1 = v/v. À solução resultante, sulfeto de lítio foi adicionado até uma mistura saturada ser obtida. A mistura foi então filtrada e o filtrado foi analisado em relação a lítio dissolvido por ICP-MS (Agilent 7700x ICP-MS). A solubilidade de sulfeto de lítio foi calculada baseado no nível de lítio. Em LiTFSI 0,5 M com n-dodecilpolitiolato de lítio 0,1 M em 1:1 tetraetileno glicol dimetiléter:1,3-dioxolano, solubilidade de sulfeto de lítio foi determinada como 0,33 % em peso. Ao contrário, sem n-dodecilpolitiolato de lítio, a solubilidade de sulfeto de lítio em LiTFSI 0,5 M foi apenas 0,13 % em peso. Isso demonstrou claramente a solubilidade melhorada de Li2S na matriz de eletrólito da bateria quando os organoenxofres desta invenção estão presentes.[0098] A 0.4M solution of lithium n-dodecylpolythiolate in 1,3-dioxolane was prepared following the procedure described in Example 10. The solution was then diluted to 0.2M with tetraethylene glycol dimethyl ether, then added to the solution. of 1M LiTFSI in 1:1 tetraethylene glycol dimethylether:1,3-dioxolane 1:1 = v/v. To the resulting solution, lithium sulfide was added until a saturated mixture was obtained. The mixture was then filtered and the filtrate analyzed for dissolved lithium by ICP-MS (Agilent 7700x ICP-MS). Lithium sulfide solubility was calculated based on lithium level. In 0.5M LiTFSI with 0.1M lithium n-dodecylpolythiolate in 1:1 tetraethylene glycol dimethylether:1,3-dioxolane, solubility of lithium sulfide was determined to be 0.33% by weight. In contrast, without lithium n-dodecylpolythiolate, the solubility of lithium sulfide in 0.5M LiTFSI was only 0.13% by weight. This clearly demonstrated the improved solubility of Li2S in the battery electrolyte matrix when the organosulfurs of this invention are present.

Exemplo 14 - Preparação de Bateria contendo Espécie de Anodo Tratado com OrganoenxofreExample 14 - Preparation of Battery Containing Organosulfur Treated Anode Species

[0099] Este exemplo demonstra a preparação de uma célula da bateria que tem um anodo que foi exposto a um eletrólito contendo uma espécie de organoenxofre de acordo com um aspecto da invenção. Enxofre elementar foi combinado com carbono e polietileno condutores (como um aglutinante) em uma razão em massa (enxofre:carbono:polietileno) de 75:20:5 e moído com bola em um pasta fluida com clorofórmio. A pasta fluida foi então disposta com lâmina em película de alumínio revestida com carbono e seca no ar, resultando em um carregamento de enxofre de aproximadamente 0,5 mg/cm2. O catodo resultante foi então montado em CR2032 células tipo moeda com um polipropileno separador e um anodo de película de lítio em um caixa de luva cheia de argônio. Os eletrólitos usados continham cada qual lítio bis(trifluormetano)sulfonamida 0,38 M e nitrato de lítio 0,38 M em uma mistura de 1:1 v/v de 1,3-dioxolano e 1,2-dimetoxietano. Um eletrólito (de acordo com a presente invenção) adicionalmente conteve sal de 3,6-dioxaoctano-1,8-ditiol di-lítio 100 mM (LiS-C2H4-O-C2H4-O-C2H4-SLi) (por meio disto colocando o anodo de película de lítio em contato com sal de 3,6-dioxaoctano-1,8-ditiol di-lítio), Enquanto o outro eletrólito (controle) não conteve nenhuma espécie de organoenxofre. Ciclagem de bateria foi feita em um teste de bateria de 1,7 a 2,6 V. 40 a C/2 com relação ao enxofre ativo. Os resultados observados são mostrados na Figura 2.[0099] This example demonstrates the preparation of a battery cell having an anode that has been exposed to an electrolyte containing an organosulfur species in accordance with one aspect of the invention. Elemental sulfur was combined with conductive carbon and polyethylene (as a binder) in a mass ratio (sulfur:carbon:polyethylene) of 75:20:5 and ball milled into a chloroform slurry. The slurry was then foiled onto carbon coated aluminum foil and air dried, resulting in a sulfur loading of approximately 0.5 mg/cm2. The resulting cathode was then mounted in CR2032 coin cells with a polypropylene separator and a lithium foil anode in an argon-filled glove box. The electrolytes used each contained 0.38 M lithium bis(trifluoromethane)sulfonamide and 0.38 M lithium nitrate in a 1:1 v/v mixture of 1,3-dioxolane and 1,2-dimethoxyethane. An electrolyte (according to the present invention) additionally contained 100 mM 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol di-lithium salt (LiS-C2H4-O-C2H4-O-C2H4-SLi) (thereby placing the lithium film anode in contact with 3,6-dioxaoctane-1,8-dithiol di-lithium salt), while the other electrolyte (control) did not contain any organosulfur species. Battery cycling was done in a battery test of 1.7 to 2.6 V. 40 to C/2 with respect to active sulfur. The observed results are shown in Figure 2.

Claims (12)

1. Bateria, caracterizada pelo fato de que compreende: a) um anodo compreendendo um material ativo de anodo compreendendo sódio, lítio ou uma liga ou compósito de pelo menos um de sódio ou lítio com pelo menos um outro metal para prover íons; b) um catodo compreendendo um material ativo de catodo compreendendo enxofre elementar e opcionalmente selênio elementar ou uma mistura de calcogênios elementares; e c) um elemento separador intermediário posicionado entre o anodo e catodo agindo para separar soluções de eletrólito líquidas ou géis em contato com o anodo e catodo, através do qual íons metálicos e seus contraíons se movem entre o anodo e catodo durante ciclos de carga e descarga da bateria; em que as soluções de eletrólito líquidas ou géis compreendem um solvente ou polímero aprótico polar não aquoso e o anodo é adicionalmente compreendido de ou foi tratado com pelo menos uma espécie de organoenxofre; em que a espécie de organoenxofre é selecionada do grupo consistindo em polissulfeto orgânico da fórmula R1-S-Sn-R2, em que R1 e R2 independentemente representam uma fração orgânica C1-C20 que pode ser linear, ramificada, ou alifática cíclica ou aromática e que pode compreender opcionalmente um ou mais grupos funcionais contendo N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogênio e/ou metal, e n é um número inteiro de 1 ou mais e um tiolato orgânico da fórmula R1-S-M ou politiolato orgânico da fórmula R1-S-Sn-M, em que R1 é uma fração orgânica C1-C20 que pode ser linear, ramificada, ou alifática cíclica ou aromática e que pode compreender opcionalmente um ou mais grupos funcionais contendo N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogênio e/ou metal, M é lítio, sódio, potássio, magnésio, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário, e n é um número inteiro de 1 ou mais.1. Battery, characterized in that it comprises: a) an anode comprising an anode active material comprising sodium, lithium or an alloy or composite of at least one of sodium or lithium with at least one other metal to provide ions; b) a cathode comprising a cathode active material comprising elemental sulfur and optionally elemental selenium or a mixture of elemental chalcogens; and c) an intermediate separator element positioned between the anode and cathode acting to separate liquid electrolyte solutions or gels in contact with the anode and cathode, through which metal ions and their counterions move between the anode and cathode during charge and discharge cycles. of the battery; wherein the liquid electrolyte solutions or gels comprise a non-aqueous polar aprotic solvent or polymer and the anode is further comprised of or has been treated with at least one organosulfur species; wherein the organosulfur species is selected from the group consisting of organic polysulfide of the formula R1-S-Sn-R2, wherein R1 and R2 independently represent a C1-C20 organic fraction which may be linear, branched, or cyclic or aromatic aliphatic and which may optionally comprise one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal, and n is an integer of 1 or more and an organic thiolate of the formula R1-S-M or polythiolate of the formula R1-S-Sn-M, wherein R1 is a C1-C20 organic moiety which may be linear, branched, or cyclic or aromatic aliphatic and which may optionally comprise one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal, M is lithium, sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and n is an integer of 1 or more. 2. Bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a espécie de organoenxofre é um ditioacetal ou ditiocetal das fórmulas (I) ou (II), ou um tritio-ortocarboxilato da fórmula (III):
Figure img0010
em que cada R3 é independentemente H ou uma fração orgânica C1-C20 que pode ser linear, ramificada, ou alifática cíclica ou aromática e que pode compreender opcionalmente um ou mais grupos funcionais contendo N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogênio e/ou metal, o, p e q são cada qual independentemente um número inteiro de 1 ou mais, e cada Z é independentemente: uma fração orgânica C1-C20 que pode ser linear, ramificada, ou alifática cíclica ou aromática e que pode compreender opcionalmente um ou mais grupos funcionais contendo N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogênio e/ou metal; Li; Na; K; Mg; amônio quaternário; ou fosfônio quaternário.
2. Battery, according to claim 1, characterized in that the organosulfur species is a dithioacetal or dithioketal of formulas (I) or (II), or a trithio-orthocarboxylate of formula (III):
Figure img0010
wherein each R3 is independently H or a C1-C20 organic moiety which may be linear, branched, or cyclic aliphatic or aromatic and which may optionally comprise one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn , halogen and/or metal, o, p and q are each independently an integer of 1 or more, and each Z is independently: a C1-C20 organic fraction which may be linear, branched, or cyclic or aromatic aliphatic and which may comprise optionally one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal; read; At; K; mg; quaternary ammonium; or quaternary phosphonium.
3. Bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a espécie de organoenxofre é um polissulfeto aromático da fórmula (IV), um polissulfeto e poliéter da fórmula (V), um polissulfeto sal ácido da fórmula (VI), ou um polissulfeto sal ácido da fórmula (VII):
Figure img0011
em que R4 independentemente é terc-butila ou terc-amila, R5 independentemente é OH, OLi ou ONa, e r é 0 ou mais na fórmula (IV) com os anéis aromáticos sendo opcionalmente substituídos em uma ou mais posições com substituintes sem ser hidrogênio, R6 é uma fração orgânica divalente na fórmula (VI), R5 é uma fração orgânica divalente na fórmula (VII), cada Z é independentemente uma fração orgânica C1-C20, Li, Na ou amônio quaternário, cada M é independentemente Li, Na, K, Mg, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário, e o e p são cada qual independentemente um número inteiro de 1 ou mais.
3. Battery according to claim 1, characterized in that the organosulfide species is an aromatic polysulfide of formula (IV), a polysulfide and polyether of formula (V), an acid salt polysulfide of formula (VI), or a polysulfide acid salt of formula (VII):
Figure img0011
wherein R4 independently is tert-butyl or tert-amyl, R5 independently is OH, OLi or ONa, and r is 0 or more in formula (IV) with the aromatic rings being optionally substituted at one or more positions with substituents other than hydrogen, R6 is a divalent organic fraction in formula (VI), R5 is a divalent organic fraction in formula (VII), each Z is independently a C1-C20 organic fraction, Li, Na or quaternary ammonium, each M is independently Li, Na, K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and eep are each independently an integer of 1 or more.
4. Bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a espécie de organoenxofre é um polissulfeto organo- ou organometálico contendo funcionalidade de tritiocarbonato da fórmula (IX), um polissulfeto organo- ou organometálico contendo funcionalidade de ditiocarbonato da fórmula (X), ou um polissulfeto organo- ou organometálico contendo funcionalidade de monotiocarbonato da fórmula (XI):
Figure img0012
em que Z é uma fração orgânica C1-C20, Na, Li, amônio quaternário ou fosfônio quaternário, e o e p são cada qual independentemente um número inteiro de 1 ou mais.
4. Battery according to claim 1, characterized in that the organosulfide species is an organo- or organometallic polysulfide containing trithiocarbonate functionality of the formula (IX), an organo- or organometallic polysulfide containing dithiocarbonate functionality of the formula ( X), or an organo- or organometallic polysulfide containing monothiocarbonate functionality of the formula (XI):
Figure img0012
where Z is a C1-C20 organic moiety, Na, Li, quaternary ammonium or quaternary phosphonium, and p and p are each independently an integer of 1 or more.
5. Bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a solução de eletrólito líquida ou gel é adicionalmente compreendida de uma espécie de politiolato de dimetal da fórmula M-S-Sn-M, em que cada M é independentemente Li, Na, K, Mg, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário, e n é um número inteiro de 1 ou mais.5. Battery according to claim 1, characterized in that the liquid or gel electrolyte solution is additionally comprised of a dimetal polythiolate species of the formula M-S-Sn-M, where each M is independently Li, Na , K, Mg, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and n is an integer of 1 or more. 6. Bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a fração orgânica contém pelo menos dois átomos de carbono.6. Battery, according to claim 1, characterized in that the organic fraction contains at least two carbon atoms. 7. Bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o solvente aprótico polar não aquoso ou polímero contém um ou mais grupos funcionais selecionados de éter, carbonila, éster, carbonato, amino, amido, sulfidila [S-], sulfinila [-S(O)-], ou sulfonila [-SO2-].7. Battery according to claim 1, characterized in that the non-aqueous polar aprotic solvent or polymer contains one or more functional groups selected from ether, carbonyl, ester, carbonate, amino, amido, sulfidyl [S-], sulfinyl [-S(O)-], or sulfonyl [-SO2-]. 8. Bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o sal condutor corresponde à fórmula MX em que M é Li, Na ou amônio quaternário e X é (CF3SO2)2N, CF3SO3, CH3SO3, ClO4, PF6, NO3, AsF6 ou halogênio.8. Battery according to claim 1, characterized in that the conductive salt corresponds to the formula MX in which M is Li, Na or quaternary ammonium and X is (CF3SO2)2N, CF3SO3, CH3SO3, ClO4, PF6, NO3 , AsF6 or halogen. 9. Bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a fração orgânica é oligomérica ou polimérica e a espécie de organoenxofre compreende pelo menos uma ligação de -S-S- que é pendente na espinha dorsal da fração orgânica oligomérica ou polimérica.9. Battery according to claim 1, characterized in that the organic fraction is oligomeric or polymeric and the organosulfur species comprises at least one -S-S- bond that is pendant on the backbone of the oligomeric or polymeric organic fraction. 10. Bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a fração orgânica é oligomérica ou polimérica e a espécie de organoenxofre compreende pelo menos uma ligação de -S-S- que é incorporada na espinha dorsal da fração orgânica oligomérica ou polimérica.10. Battery, according to claim 1, characterized in that the organic fraction is oligomeric or polymeric and the organosulfur species comprises at least one -S-S- bond that is incorporated into the backbone of the oligomeric or polymeric organic fraction. 11. Eletrólito, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um solvente ou polímero aprótico polar não aquoso, pelo menos um sal condutor, e pelo menos uma espécie de organoenxofre compreendida de pelo menos uma fração orgânica e pelo menos uma ligação de -S-Sn- em que n é 0 ou um número inteiro de 1 ou mais.11. Electrolyte, characterized in that it comprises at least one non-aqueous polar aprotic solvent or polymer, at least one conductive salt, and at least one organosulfur species comprising at least one organic fraction and at least one -S- bond Sn- where n is 0 or an integer of 1 or more. 12. Anodo, caracterizado pelo fato de que compreende um material ativo de anodo compreendendo sódio, lítio, potássio ou magnésio ou uma liga ou compósito de pelo menos um de sódio, lítio, potássio ou magnésio com pelo menos um outro metal para prover íons, em que o anodo compreende adicionalmente ou foi tratado com pelo menos uma espécie de organoenxofre selecionada do grupo consistindo em um polissulfeto orgânico da fórmula R1-S-Sn-R2, em que R1 e R2 independentemente representam uma fração orgânica C1-C20 que pode ser linear, ramificada, ou alifática cíclica ou aromática e que pode compreender opcionalmente um ou mais grupos funcionais contendo N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogênio e/ou metal, e n é um número inteiro de 1 ou mais e um tiolato orgânico da fórmula R1-S-M e politiolato orgânico da fórmula R1-S-Sn-M, em que R1 é uma fração orgânica C1-C20 que pode ser linear, ramificada, ou alifática cíclica ou aromática e que pode compreender opcionalmente um ou mais grupos funcionais contendo N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogênio e/ou metal, M é lítio, sódio, potássio, magnésio, amônio quaternário, ou fosfônio quaternário, e n é um número inteiro de 1 ou mais.12. Anode, characterized in that it comprises an anode active material comprising sodium, lithium, potassium or magnesium or an alloy or composite of at least one of sodium, lithium, potassium or magnesium with at least one other metal to provide ions, wherein the anode additionally comprises or has been treated with at least one organosulfur species selected from the group consisting of an organic polysulfide of the formula R1-S-Sn-R2, wherein R1 and R2 independently represent a C1-C20 organic fraction which may be linear, branched, or cyclic or aromatic aliphatic and which may optionally comprise one or more functional groups containing N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal, and n is an integer of 1 or more and an organic thiolate of the formula R1-S-M and an organic polythiolate of the formula R1-S-Sn-M, wherein R1 is a C1-C20 organic moiety which may be linear, branched, or cyclic or aromatic aliphatic and which may optionally comprise one or more functional groups count Where N, O, P, S, Se, Si, Sn, halogen and/or metal, M is lithium, sodium, potassium, magnesium, quaternary ammonium, or quaternary phosphonium, and n is an integer of 1 or more.
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