DE112020000025T5 - IMMOBILIZED SELENIUM IN A POROUS CARBON WITH THE PRESENCE OF OXYGEN AND USES IN A RECHARGEABLE BATTERY - Google Patents
IMMOBILIZED SELENIUM IN A POROUS CARBON WITH THE PRESENCE OF OXYGEN AND USES IN A RECHARGEABLE BATTERY Download PDFInfo
- Publication number
- DE112020000025T5 DE112020000025T5 DE112020000025.7T DE112020000025T DE112020000025T5 DE 112020000025 T5 DE112020000025 T5 DE 112020000025T5 DE 112020000025 T DE112020000025 T DE 112020000025T DE 112020000025 T5 DE112020000025 T5 DE 112020000025T5
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- selenium
- carbon
- immobilized
- oxygen
- battery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011669 selenium Substances 0.000 title claims abstract description 649
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 626
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 623
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 447
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims description 322
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 98
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims description 95
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims description 95
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 46
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 32
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 26
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 26
- 239000011874 heated mixture Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 113
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 83
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 78
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 32
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 30
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 23
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 11
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 claims description 8
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 8
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 7
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 3
- LCPVQAHEFVXVKT-UHFFFAOYSA-N 2-(2,4-difluorophenoxy)pyridin-3-amine Chemical compound NC1=CC=CN=C1OC1=CC=C(F)C=C1F LCPVQAHEFVXVKT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims description 2
- 150000001844 chromium Chemical class 0.000 claims description 2
- 150000001451 organic peroxides Chemical class 0.000 claims description 2
- USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L potassium persulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- CHQMHPLRPQMAMX-UHFFFAOYSA-L sodium persulfate Substances [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O CHQMHPLRPQMAMX-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 150000002696 manganese Chemical class 0.000 claims 1
- 150000003681 vanadium Chemical class 0.000 claims 1
- XTLOJJNLKXLMMJ-UHFFFAOYSA-N [Se].[C].[O] Chemical compound [Se].[C].[O] XTLOJJNLKXLMMJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 119
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 65
- 238000001994 activation Methods 0.000 description 58
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 51
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 47
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 45
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 44
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 40
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 39
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 39
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 39
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 37
- -1 alkali metal salts Chemical class 0.000 description 37
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- MBLUWALPEKUVHJ-UHFFFAOYSA-N [Se].[C] Chemical compound [Se].[C] MBLUWALPEKUVHJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 33
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 30
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 30
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 29
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 27
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 26
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 25
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 25
- ZVSWQJGHNTUXDX-UHFFFAOYSA-N lambda1-selanyllithium Chemical compound [Se].[Li] ZVSWQJGHNTUXDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 25
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 24
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 24
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 23
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 23
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 21
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 18
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 18
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 18
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 18
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 18
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 description 18
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 17
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 17
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 17
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 16
- 239000006245 Carbon black Super-P Substances 0.000 description 15
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 15
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 15
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 14
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 14
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 14
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 13
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 13
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 description 13
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 13
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 13
- 241000894007 species Species 0.000 description 13
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 12
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 12
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 239000001508 potassium citrate Substances 0.000 description 12
- 229960002635 potassium citrate Drugs 0.000 description 12
- QEEAPRPFLLJWCF-UHFFFAOYSA-K potassium citrate (anhydrous) Chemical compound [K+].[K+].[K+].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O QEEAPRPFLLJWCF-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 12
- 235000011082 potassium citrates Nutrition 0.000 description 12
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 11
- 230000006870 function Effects 0.000 description 11
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 11
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 11
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 11
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 10
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 10
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 9
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 9
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 8
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 8
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 description 8
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 8
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 8
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 8
- 125000003748 selenium group Chemical group *[Se]* 0.000 description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M sodium hydroxide Inorganic materials [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 8
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 8
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 7
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 7
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 7
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 7
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 7
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 7
- 238000000643 oven drying Methods 0.000 description 7
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 7
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 7
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 7
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 7
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 7
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 6
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N Dimethyl ether Chemical compound COC LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 6
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 6
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 6
- 150000008282 halocarbons Chemical class 0.000 description 6
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 6
- 229920000126 latex Polymers 0.000 description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 6
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 6
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 6
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 6
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910003003 Li-S Inorganic materials 0.000 description 5
- JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N [Li].[S] Chemical compound [Li].[S] JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 5
- 235000019241 carbon black Nutrition 0.000 description 5
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 239000011363 dried mixture Substances 0.000 description 5
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 5
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 5
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 description 5
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 5
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 5
- ZXMGHDIOOHOAAE-UHFFFAOYSA-N 1,1,1-trifluoro-n-(trifluoromethylsulfonyl)methanesulfonamide Chemical compound FC(F)(F)S(=O)(=O)NS(=O)(=O)C(F)(F)F ZXMGHDIOOHOAAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M Bicarbonate Chemical compound OC([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- HLCFGWHYROZGBI-JJKGCWMISA-M Potassium gluconate Chemical compound [K+].OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C([O-])=O HLCFGWHYROZGBI-JJKGCWMISA-M 0.000 description 4
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N [C].[Si] Chemical compound [C].[Si] HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000007605 air drying Methods 0.000 description 4
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 4
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 4
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 4
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 4
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 4
- 150000001787 chalcogens Chemical group 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 4
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 4
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 4
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 4
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Chemical compound [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 4
- 239000004224 potassium gluconate Substances 0.000 description 4
- 235000013926 potassium gluconate Nutrition 0.000 description 4
- 229960003189 potassium gluconate Drugs 0.000 description 4
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 4
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 102100023275 Dual specificity mitogen-activated protein kinase kinase 3 Human genes 0.000 description 3
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 101100077745 Homo sapiens MAP2K3 gene Proteins 0.000 description 3
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 3
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 3
- KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N Sodium Chemical compound [Na] KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KOTFGQAKVBMJFM-UHFFFAOYSA-N [C].[S].[Se] Chemical compound [C].[S].[Se] KOTFGQAKVBMJFM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 3
- 239000002585 base Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 3
- 238000003490 calendering Methods 0.000 description 3
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 3
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 3
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 3
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 238000010902 jet-milling Methods 0.000 description 3
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 3
- 150000002641 lithium Chemical class 0.000 description 3
- MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M lithium perchlorate Chemical compound [Li+].[O-]Cl(=O)(=O)=O MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 229910001486 lithium perchlorate Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 3
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 3
- 229930014626 natural product Natural products 0.000 description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000005453 pelletization Methods 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 3
- 229920000570 polyether Polymers 0.000 description 3
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 229920001470 polyketone Polymers 0.000 description 3
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 3
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 3
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- WNXJIVFYUVYPPR-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxolane Chemical compound C1COCO1 WNXJIVFYUVYPPR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RGHNJXZEOKUKBD-SQOUGZDYSA-N D-gluconic acid Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C(O)=O RGHNJXZEOKUKBD-SQOUGZDYSA-N 0.000 description 2
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N Dimethoxyethane Chemical compound COCCOC XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002000 Electrolyte additive Substances 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910014103 Na-S Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910014147 Na—S Inorganic materials 0.000 description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical group [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 2
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZQRRBZZVXPVWRB-UHFFFAOYSA-N [S].[Se] Chemical compound [S].[Se] ZQRRBZZVXPVWRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XYUNNDAEUQFHGV-UHFFFAOYSA-N [Se].[Se] Chemical compound [Se].[Se] XYUNNDAEUQFHGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 2
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 2
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 239000003637 basic solution Substances 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000001588 bifunctional effect Effects 0.000 description 2
- 239000006257 cathode slurry Substances 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 238000000113 differential scanning calorimetry Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000012983 electrochemical energy storage Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 2
- 230000003100 immobilizing effect Effects 0.000 description 2
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 2
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 230000009878 intermolecular interaction Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 2
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 229910003473 lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 2
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 2
- PEXNRZDEKZDXPZ-UHFFFAOYSA-N lithium selenidolithium Chemical compound [Li][Se][Li] PEXNRZDEKZDXPZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 150000005677 organic carbonates Chemical class 0.000 description 2
- 150000003891 oxalate salts Chemical class 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 2
- 230000002085 persistent effect Effects 0.000 description 2
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 2
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 2
- 239000005077 polysulfide Substances 0.000 description 2
- 229920001021 polysulfide Polymers 0.000 description 2
- 150000008117 polysulfides Polymers 0.000 description 2
- KYKNRZGSIGMXFH-ZVGUSBNCSA-M potassium bitartrate Chemical compound [K+].OC(=O)[C@H](O)[C@@H](O)C([O-])=O KYKNRZGSIGMXFH-ZVGUSBNCSA-M 0.000 description 2
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000001472 potassium tartrate Substances 0.000 description 2
- 229940111695 potassium tartrate Drugs 0.000 description 2
- 235000011005 potassium tartrates Nutrition 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010517 secondary reaction Methods 0.000 description 2
- 150000003342 selenium Chemical class 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L sodium carbonate Substances [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 239000001509 sodium citrate Substances 0.000 description 2
- NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K sodium citrate Chemical compound O.O.[Na+].[Na+].[Na+].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 235000011083 sodium citrates Nutrition 0.000 description 2
- 159000000000 sodium salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000008247 solid mixture Substances 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 description 2
- VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N tetrachloromethane Chemical compound ClC(Cl)(Cl)Cl VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 2
- YFNKIDBQEZZDLK-UHFFFAOYSA-N triglyme Chemical compound COCCOCCOCCOC YFNKIDBQEZZDLK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- TUSDEZXZIZRFGC-UHFFFAOYSA-N 1-O-galloyl-3,6-(R)-HHDP-beta-D-glucose Natural products OC1C(O2)COC(=O)C3=CC(O)=C(O)C(O)=C3C3=C(O)C(O)=C(O)C=C3C(=O)OC1C(O)C2OC(=O)C1=CC(O)=C(O)C(O)=C1 TUSDEZXZIZRFGC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NJMWOUFKYKNWDW-UHFFFAOYSA-N 1-ethyl-3-methylimidazolium Chemical compound CCN1C=C[N+](C)=C1 NJMWOUFKYKNWDW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UTPYTEWRMXITIN-YDWXAUTNSA-N 1-methyl-3-[(e)-[(3e)-3-(methylcarbamothioylhydrazinylidene)butan-2-ylidene]amino]thiourea Chemical compound CNC(=S)N\N=C(/C)\C(\C)=N\NC(=S)NC UTPYTEWRMXITIN-YDWXAUTNSA-N 0.000 description 1
- UXHQLGLGLZKHTC-CUNXSJBXSA-N 4-[(3s,3ar)-3-cyclopentyl-7-(4-hydroxypiperidine-1-carbonyl)-3,3a,4,5-tetrahydropyrazolo[3,4-f]quinolin-2-yl]-2-chlorobenzonitrile Chemical compound C1CC(O)CCN1C(=O)C1=CC=C(C=2[C@@H]([C@H](C3CCCC3)N(N=2)C=2C=C(Cl)C(C#N)=CC=2)CC2)C2=N1 UXHQLGLGLZKHTC-CUNXSJBXSA-N 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 241000167854 Bourreria succulenta Species 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RGHNJXZEOKUKBD-UHFFFAOYSA-N D-gluconic acid Natural products OCC(O)C(O)C(O)C(O)C(O)=O RGHNJXZEOKUKBD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010013786 Dry skin Diseases 0.000 description 1
- 239000001263 FEMA 3042 Substances 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 241000282320 Panthera leo Species 0.000 description 1
- LRBQNJMCXXYXIU-PPKXGCFTSA-N Penta-digallate-beta-D-glucose Natural products OC1=C(O)C(O)=CC(C(=O)OC=2C(=C(O)C=C(C=2)C(=O)OC[C@@H]2[C@H]([C@H](OC(=O)C=3C=C(OC(=O)C=4C=C(O)C(O)=C(O)C=4)C(O)=C(O)C=3)[C@@H](OC(=O)C=3C=C(OC(=O)C=4C=C(O)C(O)=C(O)C=4)C(O)=C(O)C=3)[C@H](OC(=O)C=3C=C(OC(=O)C=4C=C(O)C(O)=C(O)C=4)C(O)=C(O)C=3)O2)OC(=O)C=2C=C(OC(=O)C=3C=C(O)C(O)=C(O)C=3)C(O)=C(O)C=2)O)=C1 LRBQNJMCXXYXIU-PPKXGCFTSA-N 0.000 description 1
- 235000008331 Pinus X rigitaeda Nutrition 0.000 description 1
- 235000011613 Pinus brutia Nutrition 0.000 description 1
- 241000018646 Pinus brutia Species 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 108010073771 Soybean Proteins Proteins 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009361 YP-50F Inorganic materials 0.000 description 1
- GJEAMHAFPYZYDE-UHFFFAOYSA-N [C].[S] Chemical compound [C].[S] GJEAMHAFPYZYDE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QTJOIXXDCCFVFV-UHFFFAOYSA-N [Li].[O] Chemical compound [Li].[O] QTJOIXXDCCFVFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BNOODXBBXFZASF-UHFFFAOYSA-N [Na].[S] Chemical compound [Na].[S] BNOODXBBXFZASF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 150000008044 alkali metal hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000011260 aqueous acid Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- HSLXOARVFIWOQF-UHFFFAOYSA-N bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide;1-butyl-1-methylpyrrolidin-1-ium Chemical compound CCCC[N+]1(C)CCCC1.FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F HSLXOARVFIWOQF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- INDFXCHYORWHLQ-UHFFFAOYSA-N bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide;1-butyl-3-methylimidazol-3-ium Chemical compound CCCCN1C=C[N+](C)=C1.FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F INDFXCHYORWHLQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LRESCJAINPKJTO-UHFFFAOYSA-N bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide;1-ethyl-3-methylimidazol-3-ium Chemical compound CCN1C=C[N+](C)=C1.FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F LRESCJAINPKJTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229960005069 calcium Drugs 0.000 description 1
- 239000004227 calcium gluconate Substances 0.000 description 1
- 235000013927 calcium gluconate Nutrition 0.000 description 1
- 229960004494 calcium gluconate Drugs 0.000 description 1
- NEEHYRZPVYRGPP-UHFFFAOYSA-L calcium;2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoate Chemical compound [Ca+2].OCC(O)C(O)C(O)C(O)C([O-])=O.OCC(O)C(O)C(O)C(O)C([O-])=O NEEHYRZPVYRGPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000007707 calorimetry Methods 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- JNZSJDBNBJWXMZ-UHFFFAOYSA-N carbon diselenide Chemical compound [Se]=C=[Se] JNZSJDBNBJWXMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N carbonic acid Chemical class OC(O)=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 description 1
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 235000019693 cherries Nutrition 0.000 description 1
- XTEGARKTQYYJKE-UHFFFAOYSA-N chloric acid Chemical compound OCl(=O)=O XTEGARKTQYYJKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940005991 chloric acid Drugs 0.000 description 1
- 235000015165 citric acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001739 density measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- IRXRGVFLQOSHOH-UHFFFAOYSA-L dipotassium;oxalate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C(=O)C([O-])=O IRXRGVFLQOSHOH-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 239000012065 filter cake Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- LRBQNJMCXXYXIU-QWKBTXIPSA-N gallotannic acid Chemical compound OC1=C(O)C(O)=CC(C(=O)OC=2C(=C(O)C=C(C=2)C(=O)OC[C@H]2[C@@H]([C@@H](OC(=O)C=3C=C(OC(=O)C=4C=C(O)C(O)=C(O)C=4)C(O)=C(O)C=3)[C@H](OC(=O)C=3C=C(OC(=O)C=4C=C(O)C(O)=C(O)C=4)C(O)=C(O)C=3)[C@@H](OC(=O)C=3C=C(OC(=O)C=4C=C(O)C(O)=C(O)C=4)C(O)=C(O)C=3)O2)OC(=O)C=2C=C(OC(=O)C=3C=C(O)C(O)=C(O)C=3)C(O)=C(O)C=2)O)=C1 LRBQNJMCXXYXIU-QWKBTXIPSA-N 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000174 gluconic acid Substances 0.000 description 1
- 235000012208 gluconic acid Nutrition 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L lithium sulfate Inorganic materials [Li+].[Li+].[O-]S([O-])(=O)=O INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 208000020960 lithium transport Diseases 0.000 description 1
- VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(fluorosulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FS(=O)(=O)[N-]S(F)(=O)=O VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 238000003701 mechanical milling Methods 0.000 description 1
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- JRKICGRDRMAZLK-UHFFFAOYSA-L peroxydisulfate Chemical class [O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O JRKICGRDRMAZLK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 229920005862 polyol Polymers 0.000 description 1
- 150000003077 polyols Chemical class 0.000 description 1
- 150000008442 polyphenolic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 235000013824 polyphenols Nutrition 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 229960003975 potassium Drugs 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 239000011736 potassium bicarbonate Substances 0.000 description 1
- 235000015497 potassium bicarbonate Nutrition 0.000 description 1
- 229910000028 potassium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011181 potassium carbonates Nutrition 0.000 description 1
- TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M potassium hydrogencarbonate Chemical compound [K+].OC([O-])=O TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L potassium sulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S([O-])(=O)=O OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052939 potassium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011151 potassium sulphates Nutrition 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- LFGRDRAXRZFPAB-UHFFFAOYSA-N selanylideneplatinum Chemical compound [Pt]=[Se] LFGRDRAXRZFPAB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003346 selenoethers Chemical class 0.000 description 1
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 1
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229960001790 sodium citrate Drugs 0.000 description 1
- GCLGEJMYGQKIIW-UHFFFAOYSA-H sodium hexametaphosphate Chemical compound [Na]OP1(=O)OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])O1 GCLGEJMYGQKIIW-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000001694 spray drying Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 229960004793 sucrose Drugs 0.000 description 1
- 235000015523 tannic acid Nutrition 0.000 description 1
- 229940033123 tannic acid Drugs 0.000 description 1
- 229920002258 tannic acid Polymers 0.000 description 1
- RBTVSNLYYIMMKS-UHFFFAOYSA-N tert-butyl 3-aminoazetidine-1-carboxylate;hydrochloride Chemical compound Cl.CC(C)(C)OC(=O)N1CC(N)C1 RBTVSNLYYIMMKS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B19/00—Selenium; Tellurium; Compounds thereof
- C01B19/002—Compounds containing, besides selenium or tellurium, more than one other element, with -O- and -OH not being considered as anions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
- H01B1/10—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances sulfides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/20—Graphite
- C01B32/21—After-treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/04—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of carbon-silicon compounds, carbon or silicon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/139—Processes of manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/362—Composites
- H01M4/364—Composites as mixtures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/581—Chalcogenides or intercalation compounds thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/581—Chalcogenides or intercalation compounds thereof
- H01M4/5815—Sulfides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
- H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/624—Electric conductive fillers
- H01M4/625—Carbon or graphite
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
Bei einem Herstellungsverfahren eines Systems oder einer Masse aus immobilisiertem Selen wird ein Selen-Kohlenstoff-Sauerstoffgemisch gebildet. Das Gemisch wird dann auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Selens erhitzt, und das erhitzte Gemisch wird dann auf Umgebungs- oder Raumtemperatur abgekühlt, wodurch das System oder die Masse aus immobilisiertem Selen gebildet wird.A selenium-carbon-oxygen mixture is formed in a manufacturing process for a system or a mass of immobilized selenium. The mixture is then heated to a temperature above the melting temperature of the selenium, and the heated mixture is then cooled to ambient or room temperature, thereby forming the system or mass of immobilized selenium.
Description
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGCROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATION
Diese Anmeldung ist eine Teilfortführung der
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Gebiet der ErfindungField of invention
Die vorliegende Anmeldung betrifft das Gebiet der Lithiumsekundärbatterien mit hoher Energiedichte. Insbesondere betrifft die Anmeldung ein Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoff-Selen-Nanokompositmaterialien und deren Anwendungen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch immobilisiertes Selen, das Selen und Kohlenstoff umfasst. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen und die Nutzung des immobilisierten Selens. Eine der Verwendungen des immobilisierten Selens ist die in einer wiederaufladbaren Batterie. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine wiederaufladbare Batterie, die Entlade-Lade-Zyklisierung mit hoher Rate (zum Beispiel 10C-Rate) mit einem Mindestniveau an Kapazitäts-Fading ausführen kann, während sie fähig ist, ihre elektrochemische Leistung, wie spezifische Kapazität, im Wesentlichen zurückzugewinnen, wenn sie mit einer niedrigen Rate, wie mit einer 0,1C-Rate, aufgeladen wird.The present application relates to the field of high energy density lithium secondary batteries. In particular, the application relates to a method for producing carbon-selenium nanocomposite materials and their applications. The present invention also relates to immobilized selenium comprising selenium and carbon. It also relates to a method for producing and using the immobilized selenium. One of the uses of the immobilized selenium is in a rechargeable battery. The present invention also relates to a rechargeable battery capable of high-rate discharge-charge cycling (e.g. 10C rate) with a minimum level of capacity fading while being able to substantially maintain its electrochemical performance such as specific capacity recover when charged at a low rate such as a 0.1C rate.
Beschreibung des Stands der TechnikDescription of the prior art
Angesichts der zunehmenden menschlichen Nachfrage nach Energie, haben Sekundärbatterien mit hoher massenspezifischer Energie und hoher volumetrischer Energiedichte, wie Lithium-Schwefel-Batterien und Lithium-Selen-Batterien, umfassendes Interesse erweckt. Elemente der Gruppe 6A des Periodensystems, wie Schwefel und Selen, haben Zweielektronen-Reaktionsmechanismen bei dem elektrochemischen Reaktionsprozess mit Lithium dargelegt. Obwohl die theoretische massenspezifische Kapazität von Selen (675 mAh/g) niedriger ist als die von Schwefel (1675 mAh / g), weist Selen eine höhere Dichte (4,82 g/cm3) auf als Schwefel (2,07 g/cm3). Daher liegt die theoretische volumetrische Energiedichte von Selen (3253 mAh/cm3) nahe der theoretischen volumetrischen Energiedichte von Schwefel (3467 mAh/cm3). Gleichzeitig, verglichen mit Schwefel, der einem elektrisch isolierenden Material nahe ist, ist Selen elektrisch halbleitend und zeigt bessere elektrische Leitfähigkeitseigenschaften. Verglichen mit Schwefel kann Selen folglich ein höheres Niveau an Aktivität und bessere Einsatzeffizienz sogar bei einem höheren Ladeniveau darlegen, was zu Batteriesystemen mit hoher Energie- und Leistungsdichte führt. Darüber hinaus kann ein Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterial eine weitere Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit gegenüber Schwefel-Kohlenstoff-Kompositmaterial aufweisen, um ein Elektrodenmaterial mit höherer Aktivität zu erhalten.In view of the increasing human demand for energy, secondary batteries with high mass specific energy and high volumetric energy density such as lithium-sulfur batteries and lithium-selenium batteries have attracted widespread interest. Group 6A elements of the periodic table, such as sulfur and selenium, have demonstrated two-electron reaction mechanisms in the electrochemical reaction process with lithium. Although the theoretical mass specific capacity of selenium (675 mAh / g) is lower than that of sulfur (1675 mAh / g), selenium has a higher density (4.82 g / cm 3 ) than sulfur (2.07 g / cm 3 3 ). Therefore, the theoretical volumetric energy density of selenium (3253 mAh / cm 3 ) is close to the theoretical volumetric energy density of sulfur (3467 mAh / cm 3 ). At the same time, compared to sulfur, which is close to an electrically insulating material, selenium is electrically semiconducting and shows better electrical conductivity properties. Compared to sulfur, selenium can therefore exhibit a higher level of activity and better usage efficiency even at a higher charge level, resulting in battery systems with high energy and power density. In addition, a selenium-carbon composite material can have a further improvement in the electrical conductivity compared to sulfur-carbon composite material in order to obtain an electrode material with a higher activity.
Wie in der Patentveröffentlichung Nr.
Das Patent
Darüber hinaus nimmt die Nachfrage nach einer wiederaufladbaren Batterie mit langer Lebensdauer, hoher Energiedichte und hoher Leistungsdichte mit der Fähigkeit, mit einer schnellen Rate aufgeladen und entladen zu werden, bei Elektronik-, elektrischen/Hybridfahrzeug-, Luft-/Weltraum/Drohnen-, U-Boot- und anderen industriellen, militärischen und Verbraucheranwendungen ständig fortschreitend zu. Lithium-Ion-Batterien sind Beispiele wiederaufladbarer Batterien bei den oben erwähnten Anwendungen. Der Bedarf an besserer Leistung und Zyklisierungsfähigkeit wurde jedoch mit Lithium-Ion-Batterien nicht erfüllt, während die Lithium-Ion-Batterietechnologie herangereift ist.In addition, the demand for a long life, high energy density, high power density rechargeable battery with the ability to be charged and discharged at a rapid rate is increasing in electronics, electric / hybrid vehicle, air / space / drone, U -Boat and other industrial, military, and consumer applications are constantly increasing. Lithium-ion batteries are examples of rechargeable batteries in the above mentioned applications. However, the need for better performance and cycling ability has not been met with lithium-ion batteries as lithium-ion battery technology has matured.
Atomarer Sauerstoff hat eine Atommasse 16 und eine Fähigkeit für 2 Elektronentransfers. Eine wiederaufladbare Lithium-Sauerstoff-Batterie wurde zum Zweck der Herstellung von Batterien mit hoher Energiedichte geprüft. Wenn eine Batterie eine Sauerstoffkathode involviert, die mit Lithium- oder Natrium-Metall als eine Anode gepaart wird, weist sie die größte stöchiometrische Energiedichte auf. Ein Großteil der technischen Probleme bei der Li//Na-Sauerstoff-Batterie bleibt jedoch ungelöst.Atomic oxygen has an atomic mass of 16 and an ability for 2 electron transfers. A rechargeable lithium-oxygen battery was tested for the purpose of making batteries with high energy density. When a battery involves an oxygen cathode paired with lithium or sodium metal as an anode, it will have the greatest stoichiometric energy density. Most of the technical problems with the Li // Na oxygen battery remain unsolved.
Elementarer Schwefel befindet sich auch in der Sauerstoffgruppe und weist die zweithöchste Energiedichte (nach Sauerstoff) auf, wenn er mit einer Lithium- oder Natrium-Metall-Anode gepaart wird. Eine Lithium-Schwefel- oder eine Natrium-Schwefel-Batterie wurde umfassend untersucht. Polysulfidionen (Intermediäre), die sich während des Entladeprozesses der Li-S- oder Na-S-Batterie bilden, lösen sich jedoch in dem Elektrolyt und pendelt von der Kathode zu der Anode. Beim Erreichen der Anode reagieren Polysulfid-Anionen mit Lithium- oder Natrium-Metall, was in einem Verlust an Energiedichte resultiert, was für ein Batteriesystem unerwünscht ist. Zusätzlich ist Schwefel ein Isolator, der ein hohes Ladeniveau an Kohlenstoffmaterialien erfordert, um ein Mindestniveau an elektrischer Leitfähigkeit zu erzielen. Aufgrund der extrem niedrigen Leitfähigkeit von Schwefel ist Beine Li/Na-S-Batterie sehr schwer mit einer schnellen Rate entladbar oder ladbar.Elemental sulfur is also in the oxygen group and has the second highest energy density (after oxygen) when paired with a lithium or sodium metal anode. A lithium-sulfur or a sodium-sulfur battery has been extensively studied. Polysulfide ions (intermediates) that form during the discharge process of the Li-S or Na-S battery, however, dissolve in the electrolyte and oscillate from the cathode to the anode. Upon reaching the anode, polysulfide anions react with lithium or sodium metal, resulting in a loss of energy density, which is undesirable for a battery system. Additionally, sulfur is an insulator that requires a high level of charge of carbon materials to achieve a minimum level of electrical conductivity. Because of the extremely low conductivity of sulfur, Bein's Li / Na-S battery is very difficult to discharge or charge at a rapid rate.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Es wird hier ein Prozess zum Herstellen eines zweidimensionalen Kohlenstoffnanomaterials, das einen hohen Grad an Graphitisierung aufweist, offenbart. Die zweidimensionalen Kohlenstoffnanomaterialien werden mit Selen vermischt, um ein Kohlenstoff-Selen-Kompositmaterial zu erhalten, das als ein Kathodenmaterial verwendet wird, das mit einem Anodenmaterial, das Lithium enthält, gepaart wird, was in einer Lithium-Selen-Batterie resultiert, die eine hohe Energiedichte und beständige elektrochemische Leistung aufweist. Ein ähnlicher Prozess kann verwendet werden, um weiter eine Pouch-Zelle zusammenzufügen, die auch hervorragende elektrochemische Eigenschaften darlegt.A process for making a two-dimensional carbon nanomaterial that has a high degree of graphitization is disclosed herein. The two-dimensional carbon nanomaterials are mixed with selenium to obtain a carbon-selenium composite material, which is used as a cathode material, which is paired with an anode material containing lithium, resulting in a lithium-selenium battery having high Has energy density and stable electrochemical performance. A similar process can be used to further assemble a pouch cell that also exhibits excellent electrochemical properties.
Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen von Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterial mit leicht verfügbaren Rohmaterialien und einfachen Vorbereitungsvorgehensweisen offenbart.A method for producing selenium-carbon composite material with readily available raw materials and simple preparation procedures is also disclosed.
Das Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterial, das hierin beschrieben ist, kann mit einem Herstellungsverfahren erhalten werden, das die folgenden Schritte umfasst:The selenium-carbon composite material described herein can be obtained by a manufacturing method comprising the following steps:
(1) Organische Alkali-Metallsalze oder organische Erdalkali-Metallsalze werden bei hohen Temperaturen karbonisiert und dann mit verdünnter Salzsäure oder anderen Säuren gewaschen und getrocknet, um ein zweidimensionales Kohlenstoffmaterial zu erhalten;(1) Organic alkali metal salts or organic alkaline earth metal salts are carbonized at high temperatures and then washed with dilute hydrochloric acid or other acids and dried to obtain a two-dimensional carbon material;
(2) Das zweidimensionale Kohlenstoffmaterial, das in Schritt (1) erhalten wurde, wird mit Selen in organischer Lösung vermischt, erhitzt, und das organische Lösemittel wird verdampft, und dann wird das Vermischen von Selen mit dem zweidimensionalen Kohlenstoffmaterial durch eine mehrstufige Wärmerampen- und Einweichprozedur abgeschlossen, um Kohlenstoff-Selen-Kompositmaterial zu erhalten.(2) The two-dimensional carbon material obtained in step (1) is mixed with selenium in organic solution, heated, and the organic solvent is evaporated, and then the mixing of selenium with the two-dimensional carbon material is carried out by a multi-stage heat ramp and Soaking procedure completed to obtain carbon-selenium composite material.
Bei Schritt (1) kann das organische Alkali-Metallsalz aus einem oder mehreren von Kaliumcitrat, Kaliumgluconat und Saccharose-Säure-Natrium ausgewählt werden. Das organische Erdalkali-Metallsalz kann aus einem oder beiden von Calciumgluconat und Saccharose-Säure-Calcium ausgewählt werden. Die Hochtemperaturkarbonisation kann bei 600 bis 1000 °C, wünschenswert 700 bis 900 °C ausgeführt werden; Karbonisationszeit 1 bis 10 Stunden, wünschenswert 3 bis 5 Stunden.In step (1), the organic alkali metal salt can be selected from one or more of potassium citrate, potassium gluconate and sucrose acid sodium. The organic alkaline earth metal salt can be selected from either or both of calcium gluconate and sucrose acid calcium. The high temperature carbonization can be carried out at 600 to 1000 ° C, desirably 700 to 900 ° C;
Bei Schritt (2) kann das organische Lösemittel ausgewählt werden aus einem oder mehreren von Ethanol, Dimethylsulfoxid (DMSO), Toluol, Acetonitril, N,N-Dimethylformamid (DMF), Kohlenstofftetrachlorid und Diethylether oder Ethylacetat; der mehrstufige Wärmerampen- und Einweichungsabschnitt kann eine Rampenrate genannt werden 2 bis 10 °C / Min., wünschenswert 5-8 °C / Min., bis zu einer Temperatur zwischen 200 und 300 °C, wünschenswert zwischen 220 und 280 °C, gefolgt von Einweichen bei der Temperatur während 3 bis 10 Stunden, wünschenswert 3 bis 4 Stunden; dann Fortsetzen des Erhitzens bis 400 bis 600 °C, wünschenswert 430 bis 460 °C, gefolgt von Einweichen während 10 bis 30 Stunden, wünschenswert 15 bis 20 Stunden.In step (2), the organic solvent can be selected from one or more of ethanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), toluene, acetonitrile, N, N-dimethylformamide (DMF), carbon tetrachloride and Diethyl ether or ethyl acetate; the multi-stage heat ramp and soak section can be called a ramp rate of 2 to 10 ° C / min., desirably 5-8 ° C / min., followed by a temperature between 200 and 300 ° C, desirably between 220 and 280 ° C from soaking at the temperature for 3 to 10 hours, desirably 3 to 4 hours; then continue heating to 400 to 600 ° C, desirably 430 to 460 ° C, followed by soaking for 10 to 30 hours, desirably 15 to 20 hours.
Hierin wird auch eine Lithium-Selen-Sekundärbatterie offenbart, die die Kohlenstoff-Selen-Kompositmaterialien umfasst. Die Lithium-Selen-Sekundärbatterie kann ferner beinhalten: eine lithiumhaltige Anode, einen Separator und einen Elektrolyt.A lithium-selenium secondary battery comprising the carbon-selenium composite materials is also disclosed herein. The lithium selenium secondary battery may further include: an anode containing lithium, a separator, and an electrolyte.
Die lithiumhaltige Anode kann eines oder mehrere von Lithium-Metall-, lithiierten Graphitanoden- und lithiierten Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterialien sein (durch Zusammenfügen der Graphit- und Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterialien und Lithiumanode in eine Halbzellenbatterie, Entladen, um die lithiierten Graphitanoden- und lithiierten Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterialien vorzubereiten). Der Separator (Membran) kann eine im Handel erhältliche Membran sein, wie, ohne Einschränkung, eine Celgard-Membran, eine Whatman-Membran, eine Cellulosemembran oder eine Polymermembran. Der Elektrolyt kann eines oder mehrere eines Carbonat-Elektrolyts, eines Etherelektrolyts und ionischer Flüssigkeiten sein.The lithium-containing anode can be one or more of lithium metal, lithiated graphite anode, and lithiated silicon-carbon anode materials (by assembling the graphite and silicon-carbon anode materials and lithium anode into a half-cell battery, discharging the lithiated graphite anode and to prepare lithiated silicon-carbon anode materials). The separator (membrane) can be a commercially available membrane such as, without limitation, a Celgard membrane, a Whatman membrane, a cellulose membrane, or a polymer membrane. The electrolyte can be one or more of a carbonate electrolyte, an ether electrolyte, and ionic liquids.
Der Carbonat-Elektrolyt kann ausgewählt werden aus einem oder mehreren aus Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylencarbonat (EC), Ethyl-Methylcarbonat (EMC) und Propylencarbonat (PC); und die gelöste Substanz kann ausgewählt werden aus einer oder mehreren von Lithium-Hexafluorophosphat (LiPF6), Lithium-bis(trifluoromethansulfonyl)-Imid (LiTFSI), Lithium-Perchlorat (LiC104) und Lithium-bis(fluorosulfonyl)-Imid (LiFSI).The carbonate electrolyte can be selected from one or more of diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and propylene carbonate (PC); and the solute can be selected from one or more of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiC10 4 ) and lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI ).
Für die elektrolytische Etherlösung kann das Lösemittel ausgewählt werden aus einem oder mehreren von 1,3-Dioxolan (DOL), Ethylenglycol-Dimethylether (DME) und Triethylenglycol-Dimethylether (TEGDME); und die gelöste Substanz kann ausgewählt werden aus einem oder mehreren von Lithium-Hexafluorophosphat (LiPF6), Lithium-bis-(trifluoromethansulfonyl)-Imid (LiTFSI), Lithium-Perchlorat (LiC104) und Lithium-bis-Fluorosulfonylimid (LiFSI).For the electrolytic ether solution, the solvent can be selected from one or more of 1,3-dioxolane (DOL), ethylene glycol dimethyl ether (DME), and triethylene glycol dimethyl ether (TEGDME); and the solute can be selected from one or more of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiC10 4 ), and lithium bis-fluorosulfonylimide (LiFSI).
Für ionische Flüssigkeiten kann die ionische Flüssigkeit eine oder mehrere von ionischer Flüssigkeit bei Raumtemperatur [EMIm] NTf2 (1-Ethyl-3-methylimidazolium-bis-trifluoromethan-sulfonimid-Salz), [Pyl3] NTf2 (N-Propyl-N-methylpyrrolidin-bistrifluoromethan-Sulfonimidsalz), [PP13] NTf2 (N-Propyl-methylpiperidin-alkoxy-N-bistrifluoromethan-Sulfonimidsalz) sein; und die gelöste Substanz kann ausgewählt werden aus einem oder mehreren von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Bis(trifluoromethylsulfonyl)-Imid (LiTFSI), Lithium-Perchlorat (LiC104) und Lithium-bis-Fluorosulfonylimid (LiFSI).For ionic liquids, the ionic liquid can be one or more of ionic liquid at room temperature [EMIm] NTf2 (1-ethyl-3-methylimidazolium-bis-trifluoromethane-sulfonimide salt), [Pyl3] NTf2 (N-propyl-N-methylpyrrolidine- bistrifluoromethane sulfonimide salt), [PP13] NTf2 (N-propyl-methylpiperidine-alkoxy-N-bistrifluoromethane sulfonimide salt); and the solute can be selected from one or more of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiC10 4 ), and lithium bis-fluorosulfonylimide (LiFSI).
Hierin ist auch eine Lithium-Selen-Pouch-Zellenbatterie beschrieben, die das Kohlenstoff-Selen-Kompositmaterial umfasst.This also describes a lithium-selenium pouch cell battery which comprises the carbon-selenium composite material.
Verglichen mit dem Stand der Technik, unter Bezugnahme auf das Verfahren zum Herstellen von Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterial, das hierin offenbart ist, weist das zweidimensionale Kohlenstoffmaterial die Vorteile auf, dass die Rohmaterialien ohne Weiteres zu geringen Kosten verfügbar sind, das Herstellungsverfahren einfach, höchst praktisch und zur Massenproduktion geeignet ist, und das erhaltene Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterial hervorragende elektrochemische Eigenschaften darlegt.Compared with the prior art, referring to the method for producing selenium-carbon composite material disclosed herein, the two-dimensional carbon material has advantages that the raw materials are easily available at low cost, the production method is simple, high is practical and suitable for mass production, and the obtained selenium-carbon composite material exhibits excellent electrochemical properties.
Hierin wird auch immobilisiertes Selen (eine immobilisierte Selen-Masse) offenbart, das Selen und ein Kohlenstoffgerüst umfasst. Das immobilisierte Selen umfasst mindestens einen der folgenden Aspekte: (a) es erfordert das Gewinnen von ausreichend Energie, damit ein Selenteilchen eine kinetische Energie von ≥ 9,5 kJ/mol, ≥ 9,7 kJ/mol, ≥ 9,9 kJ/mol, ≥ 10,1 kJ/mol, ≥ 10,3 kJ/mol oder ≥ 10,5 kJ/mol erreicht, um dem immobilisierten Selensystem zu entkommen; (b) eine Temperatur von 490 °C oder höher, ≥ 500 °C, ≥ 510 °C, ≥ 520 °C, ≥ 530 °C, ≥ 540 °C, ≥ 550 °C oder ≥ 560 °C ist erforderlich, damit Selenteilchen ausreichend Energie gewinnen, um dem immobilisierten Selensystem zu entkommen; (c) das Kohlenstoffgerüst weist eine Oberfläche (mit Poren kleiner als 20 Ängström) von ≥ 500 m2/g, ≥ 600 m2/g, ≥ 700m2/g, ≥ 800 m2/g, ≥ 900 m2/g oder ≥ 1 000 m2/g auf; (d) das Kohlenstoffgerüst weist eine Oberfläche (für Poren zwischen 20 Ängström und 1000 Ängström) von 20 % oder weniger, 15 % oder weniger, 10 % oder weniger, 5 % oder weniger, 3 % oder weniger, 2 % oder weniger, 1 % oder weniger der Gesamtoberfläche auf.Also disclosed herein is immobilized selenium (an immobilized selenium mass) comprising selenium and a carbon skeleton. The immobilized selenium comprises at least one of the following aspects: (a) It requires the recovery of sufficient energy for a selenium particle to have a kinetic energy of ≥ 9.5 kJ / mol, ≥ 9.7 kJ / mol, ≥ 9.9 kJ / mol, ≥ 10.1 kJ / mol, ≥ 10.3 kJ / mol or ≥ 10.5 kJ / mol reached in order to escape the immobilized selenium system; (b) a temperature of 490 ° C or higher, ≥ 500 ° C, ≥ 510 ° C, ≥ 520 ° C, ≥ 530 ° C, ≥ 540 ° C, ≥ 550 ° C or ≥ 560 ° C is required for this Selenium particles gain enough energy to escape the immobilized selenium system; (c) the carbon skeleton has a surface (with pores less than 20 angstroms) of ≥ 500 m 2 / g, ≥ 600 m 2 / g, ≥ 700 m 2 / g, ≥ 800 m 2 / g, ≥ 900 m 2 / g or ≥ 1,000 m 2 / g; (d) the carbon skeleton has a surface area (for pores between 20 angstroms and 1000 angstroms) of 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less, 3% or less, 2% or less, 1 % or less of the total surface.
Hierin wird auch eine Kathode oder eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, offenbart. Das Selen kann mit anderen Elementen dotiert werden, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, mit Schwefel.A cathode or a rechargeable battery comprising immobilized selenium is also disclosed herein. The selenium can be doped with other elements, such as, but not limited to, sulfur.
Hierin wird auch ein Kompositmaterial, das Selen und Kohlenstoff beinhaltet, offenbart, das eine Plättchenmorphologie mit einem Seitenverhältnis von ≥ 1, ≥ 2, ≥ 5, ≥ 10 oder ≥ 20 umfasst.A composite material which contains selenium and carbon is also disclosed herein, which comprises a platelet morphology with an aspect ratio of 1, 2, 5, 10 or 20.
Hierin wird auch eine Kathode offenbart, die ein Kompositmaterial beinhaltet, das Selen und Kohlenstoff umfasst und eine Plättchenmorphologie mit einem Seitenverhältnis von ≥ 1, ≥ 2, ≥ 5, ≥ 10 oder ≥ 20 umfasst. Hierin wird auch eine wiederaufladbare Batterie offenbart, die ein Kompositmaterial beinhaltet, das Selen und Kohlenstoff umfasst und eine Plättchenmorphologie mit dem obenstehenden Seitenverhältnis umfasst.This also discloses a cathode which contains a composite material which comprises selenium and carbon and which has a platelet morphology with an aspect ratio of 1 1, 2, 5, 10 or 20. Also disclosed herein is a rechargeable battery that includes a composite material comprising selenium and carbon and having a platelet morphology with the aspect ratio above.
Hierin wird auch eine wiederaufladbare Batterie offenbart, die eine Kathode, eine Anode, einen Separator und einen Elektrolyt umfasst. Die wiederaufladbare Batterie kann mit 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 1,5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C oder schneller geladen werden. Die Kathode kann mindestens ein Element einer Chalkogen-Gruppe umfassen, wie Selen, Schwefel, Tellur und Sauerstoff. Die Anode kann mindestens ein Element eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls und eines Metalls oder von Metallen der Gruppe IIIA umfassen. Der Separator kann einen organischen oder einen anorganischen Separator umfassen, dessen Oberfläche optional modifiziert werden kann. Der Elektrolyt kann mindestens ein Element eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls und eines Metalls oder von Metallen der Gruppe IIIA umfassen. Das Lösemittel in der Elektrolytlösung kann organische Lösemittel, auf Carbonat-, Ether- oder Ester-Basis, umfassen.Also disclosed herein is a rechargeable battery that includes a cathode, an anode, a separator, and an electrolyte. The rechargeable battery can be charged at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster. The cathode can comprise at least one member of a chalcogen group such as selenium, sulfur, tellurium and oxygen. The anode may comprise at least one element of an alkali metal, alkaline earth metal, and a metal or Group IIIA metals. The separator can comprise an organic or an inorganic separator, the surface of which can optionally be modified. The electrolyte may comprise at least one of an alkali metal, an alkaline earth metal and a metal or group IIIA metals. The solvent in the electrolyte solution can comprise organic solvents, based on carbonate, ether or ester.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine spezifische Kapazität 400 mAh/g oder höher, 450 mAh/g oder höher, 500 mAh/g oder höher, 550 mAh/g oder höher oder 600 mAh/g oder höher aufweisen. Die wiederaufladbare Batterie kann fähig sein, elektrochemischem Zyklisieren mit 50 Zyklen oder mehr, 75 Zyklen oder mehr, 100 Zyklen oder mehr, 200 Zyklen oder mehr usw. unterworfen zu werden. Die wiederaufladbare Batterie kann eine spezifische Kapazität der Batterie größer als 30 %, größer als 40 %, größer als 50 %, größer als 60 %, größer als 70 % oder größer als 80 % der zweiten spezifischen Entladekapazität bei einer Zyklisierungsrate von 0,1C nach dem Ausführen von Lade-Entlade-Zyklisieren mit hoher C-Rate (zum Beispiel 5 Zyklen mit 0,1C, 5 Zyklen mit 0,2C, 5 Zyklen mit 0,5C, 5 Zyklen mit 1C, 5 Zyklen mit 2C, 5 Zyklen mit 5C und Zyklen mit 10C) behalten. Die wiederaufladbare Batterie kann eine coulombscher Effizienz von ≥ 50 %, ≥ 60 %, ≥ 70 %, ≥ 80 % oder ≥ 90 % aufweisen. Die wiederaufladbare Batterie kann für Elektronik, ein elektrisches oder Hybridfahrzeug, eine Industrieanwendung, eine militärische Anwendung wie eine Drohne, eine Luft-Raumfahrtanwendung, eine Marineanwendung usw. verwendet werden.The rechargeable battery can have a specific capacity of 400 mAh / g or higher, 450 mAh / g or higher, 500 mAh / g or higher, 550 mAh / g or higher, or 600 mAh / g or higher. The rechargeable battery may be capable of electrochemical cycling for 50 cycles or more, 75 cycles or more, 100 cycles or more, 200 cycles or more, and so on. The rechargeable battery can have a specific capacity of the battery greater than 30%, greater than 40%, greater than 50%, greater than 60%, greater than 70% or greater than 80% of the second specific discharge capacity at a cycling rate of 0.1C performing charge-discharge cycling at a high C rate (e.g. 5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles at 1C, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C and cycles with 10C). The rechargeable battery can have a coulombic efficiency of ≥ 50%, ≥ 60%, ≥ 70%, ≥ 80% or ≥ 90%. The rechargeable battery can be used for electronics, an electric or hybrid vehicle, an industrial application, a military application such as a drone, an aerospace application, a marine application, and so on.
FigurenlisteFigure list
-
1 ist ein 50.000X-Rasterelektronenmikroskopfoto des Kohlenstoffmaterials des Beispiels 1;1 Figure 13 is a 50,000X scanning electron microscope photograph of the carbon material of Example 1; -
2 ist eine 0,IC-Lade- und Entladekurve der Lithium-Selen-Batterie des Beispiels 1;2 Fig. 13 is a 0.1 IC charge and discharge curve of the lithium selenium battery of Example 1; -
3 ist eine 0,IC-Lade- und Entladekurve der Lithium-Selen-Batterie des Vergleichsbeispiels2 ;3 Fig. 13 is a 0.1 IC charge and discharge curve of the lithium selenium battery of the comparative example2 ; -
4 ist ein optisches Bild einer Pouch-Zellenbatterie des Beispiels 1;4th Fig. 13 is an optical image of a pouch cell battery of Example 1; -
5 ist eine 0,05C-Lade- und Entladekurve der Pouch-Zellenbatterie des Beispiels 1;5 Fig. 13 is a 0.05C charge and discharge curve of the pouch cell battery of Example 1; -
6 ist ein Ablaufdiagramm eines Prozesses zum Herstellen immobilisierten Selens;6 Figure 13 is a flow diagram of a process for making immobilized selenium; -
7 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild eines Kohlenstoffgerüsts, das anhand des Prozesses des Beispiels 9 vorbereitet ist;7th Fig. 13 is a scanning electron microscope image of a carbon skeleton prepared by the process of Example 9; -
8 sind Röntgenstrahlen-Beugungsmuster des Kohlenstoffgerüsts, das anhand des Prozesses des Beispiels 9 vorbereitet ist;8th Fig. 14 are X-ray diffraction patterns of the carbon skeleton prepared by the process of Example 9; -
9 ist ein Raman-Spektrum des Kohlenstoffgerüsts, das anhand des Prozesses des Beispiels 9 vorbereitet wurde;9 Fig. 13 is a Raman spectrum of the carbon skeleton prepared by the process of Example 9; -
10A ist eine Grafik einer kumulierten und inkrementellen Oberfläche für das Kohlenstoffgerüst, das anhand des Prozesses des Beispiels 9 vorbereitet ist;10A Figure 13 is a graph of cumulative and incremental surface area for the carbon skeleton prepared using the process of Example 9; -
10B ist eine Grafik eines kumulierten und inkrementellen Volumens für das Kohlenstoffgerüst, das anhand des Prozesses des Beispiels 9 vorbereitet ist;10B Figure 13 is a graph of cumulative and incremental volume for the carbon skeleton prepared using the process of Example 9; -
11A ist eine Grafik einer TGA-Analyse für das immobilisierte Selen, das anhand des Prozesses des Beispiels 10 vorbereitet wurde;11A Figure 13 is a TGA analysis graph for the immobilized selenium prepared by the process of Example 10; -
11B ist eine grafische Darstellung einer TGA-Analyse für nicht-immobilisierte Selenproben, die anhand des Prozesses des Beispiels 10 unter Verwenden von Se-Super-P-Kohlenstoff und Se-Graphit vorbereitet sind;11B Figure 13 is a graph of TGA analysis for non-immobilized selenium samples prepared by the process of Example 10 using Se-Super-P-Carbon and Se-Graphite; -
11C ist eine Grafik einer TGA-Analyse der nicht-immobilisierten Selenprobe, die unter Verwenden des Se-Super-P-Kohlenstoffs (11B) unter einem Argongasstrom und bei Heizraten von 16 °C/Min. und 10 °C/Min. vorbereitet ist;11C is a graph of a TGA analysis of the non-immobilized selenium sample obtained using the Se-Super-P carbon (11B) under a stream of argon gas and at heating rates of 16 ° C / min. and 10 ° C / min. is prepared; -
11D ist eine Grafik von Ratenkonstanten für nicht-immobilisiertes Selen (Se-Super-P-Verbundstoff (durchgehende Linie) und 2 unterschiedliche Proben immobilisierten Selens (228-110 (gepunktete Linie) und 115-82-2 (gestrichelte Linie), das anhand des Prozesses des Beispiels 10 vorbereitet ist;11D Figure 13 is a graph of rate constants for non-immobilized selenium (Se-Super-P composite (solid line) and 2 different samples of immobilized selenium (228-110 (dotted line) and 115-82-2 (dashed line)), as determined by the Process of Example 10 is prepared; -
12 ist eine Grafik eines Raman-Spektrums des immobilisierten Selens, das anhand des Prozesses des Beispiels 10 vorbereitet ist;12th Fig. 13 is a graph of a Raman spectrum of the immobilized selenium prepared by the process of Example 10; -
13 ist eine Grafik von Röntgen-Beugungsmustern für das immobilisierte Selen, das anhand des Prozesses des Beispiels 10 vorbereitet ist;13 Fig. 13 is a graph of X-ray diffraction patterns for the immobilized selenium prepared by the process of Example 10; -
14 ist ein SEM-Bild des immobilisierten Selens, das anhand des Prozesses des Beispiels 10 vorbereitet ist;14th Fig. 10 is an SEM image of the immobilized selenium prepared by the process of Example 10; -
15 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Knopfzellenbatterie, die eine Kathode beinhaltet, die gemäß dem Prozess des Beispiels 11 oder des Beispiels 13 vorbereitet ist;15th Fig. 13 is an exploded view of a coin cell battery including a cathode prepared according to the process of Example 11 or Example 13; -
16 sind Grafiken von Zyklisierungstestresultaten für eine erste Lithium-Selen-Knopfzellenbatterie (0,1C) (16A - links) und eine zweite Lithium-Selen-Knopfzellenbatterie (0,1C und dann 1C) (16A - rechts) von dem Typ, der in15 gezeigt ist, die anhand des Prozesses des Beispiels 12 vorbereitet wurden;16 are graphs of cycling test results for a first lithium selenium button cell battery (0.1C) (16A - left) and a second lithium selenium button cell battery (0.1C and then 1C) (16A - right) of the type in15th prepared using the process of Example 12; -
17 sind Grafiken von Zyklisierungstests für eine Lithium-Selen-Knopfzellenbatterie von dem Typ, der in15 gezeigt ist, die anhand des Prozesses des Beispiels 12 bei unterschiedlichen Zyklisierungsraten vorbereitet wurde;17th are graphs of cycling tests for a lithium selenium button cell battery of the type shown in15th is shown prepared using the process of Example 12 at different cycling rates; -
18 sind Grafiken der 0,1C-Zyklisierungstestresultate für eine Lithium-Schwefel-dotierte Selen-Knopfzellenbatterie von dem Typ, der in15 gezeigt ist, die in Übereinstimmung mit Beispiel 13 mit einem Polymerseparator hergestellt ist;18th are graphs of 0.1C cycling test results for a lithium-sulfur-doped selenium button cell battery of the type shown in15th shown made in accordance with Example 13 with a polymer separator; -
19 sind Grafiken der 1C-Zyklisierungstestresultate für eine Lithium-Schwefeldotierte Selen-Knopfzellenbatterie von dem Typ, der in15 gezeigt ist, die in Übereinstimmung mit Beispiel 13 mit einem Polymerseparator hergestellt ist.19th are graphs of the 1C cycling test results for a lithium-sulfur doped selenium button cell battery of the type shown in15th made in accordance with Example 13 with a polymer separator. -
20 sind SEM-Bilder eines dreidimensionalen porösen KohlenstoffNanomaterials mit untereinander verbundenen dünnen Wänden, das aus Glucose erzeugt ist;20th are SEM images of a three-dimensional porous carbon nanomaterial with interconnected thin walls made from glucose; -
21 sind BET-N2-Isothermen (a) und eine Porengrößenverteilung (c) für dreidimensionale poröse Kohlenstoff-Nanomaterialien mit untereinander verbundenen dünnen Wänden, die aus Glucose erzeugt sind;21st are BET-N 2 isotherms (a) and a pore size distribution (c) for three-dimensional porous carbon nanomaterials with interconnected thin walls that are produced from glucose; -
22 sind SEM-Bilder eines dreidimensionalen porösen KohlenstoffNanomaterials mit untereinander verbundenen dünnen Wänden, das aus Sojamehl erzeugt ist; und;22nd are SEM images of a three-dimensional porous carbon nanomaterial with interconnected thin walls made from soy flour; and; -
23 sind BET-N2-Isothermen (b) und Porengrößenverteilungen (d) für dreidimensionale poröse Kohlenstoff-Nanomaterialien mit untereinander verbundenen dünnen Wänden, die aus Sojamehl erzeugt sind.23 are BET-N 2 isotherms (b) and pore size distributions (d) for three-dimensional porous carbon nanomaterials with interconnected thin walls made from soy flour.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
In Verbindung mit den spezifischen Beispielen wird die vorliegende Erfindung unten weiter beschrieben. Außer wenn es anders spezifiziert ist, sind die Experimentalverfahren in den folgenden Beispielen alle herkömmlich; die Reagenzien und Materialen sind alle aus Handelsquellen verfügbar.In connection with the specific examples, the present invention is further described below. Unless otherwise specified, the experimental procedures in the following examples are all conventional; the reagents and materials are all available from commercial sources.
Beispiel 1:Example 1:
Vorbereitung von Selen-Kohlenstoff-KompositmaterialPreparation of selenium-carbon composite material
Nach dem Zerkleinern und Mahlen wird eine zweckdienliche Menge von Kaliumcitrat bei 800 °C während 5 Stunden unter Inertatmosphäre kalziniert und auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wird mit verdünnter Salzsäure auf einen neutralen pH gewaschen; gefiltert und getrocknet, um ein zweidimensionales Kohlenstoffnanomaterial zu ergeben (1); gemäß dem Massenverhältnis 50:50 werden das zweidimensionale Kohlenstoffmaterial und Selen gewogen und dann mit der Selenethanollösung gleichmäßig gerührt und gemischt; nach der Verdampfung des Lösemittels wird das Gemisch im Trockenofen getrocknet; das getrocknete Gemisch wurde zu 5 °C/Min. auf 240 °C erhitzt und während 3 Stunden durchgewärmt; dann weiterhin zu 5 °C/Min. bis 450 °C erhitzt; 20 Stunden eingeweicht, auf Raumtemperatur abgekühlt, was in dem Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterial resultierte.After crushing and grinding, an appropriate amount of potassium citrate is calcined at 800 ° C. for 5 hours under an inert atmosphere and cooled to room temperature. It is washed to neutral pH with dilute hydrochloric acid; filtered and dried to give a two-dimensional carbon nanomaterial (1); according to the mass ratio 50:50, the two-dimensional Carbon material and selenium weighed, and then stirred and mixed with the selenethanol solution uniformly; after evaporation of the solvent, the mixture is dried in a drying oven; the dried mixture was at 5 ° C / min. heated to 240 ° C and warmed through for 3 hours; then continue at 5 ° C / min. heated to 450 ° C; Soaked for 20 hours, cooled to room temperature, resulting in the selenium-carbon composite material.
Vorbereitung der Selen-Kohlenstoff-KompositmaterialkathodePreparation of the selenium-carbon composite material cathode
Die oben vorbereiteten Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterialien werden mit Carbon Black Super P (TIMCAL) und Bindemittel CMC / SBR (Gewichtsverhältnis: 1:1) gemeinsam mit Wasser durch eine fixe Formulierung durch Zermalmen, Beschichten, Trocknen und andere Vorgehensweisen vermischt, um eine Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterialkathode zu erhalten.The selenium-carbon composite materials prepared above are mixed with Carbon Black Super P (TIMCAL) and binder CMC / SBR (weight ratio: 1: 1) together with water by means of a fixed formulation by crushing, coating, drying and other procedures to obtain a selenium -Carbon composite material cathode.
Zusammenfügen Lithium-Selen-BatteriePut together lithium selenium battery
Die oben vorbereitete Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterialkathode, Lithiumfolie als Anode, Celgard-Membran als Separator und 1M LiPF6 in EC/DMC als der Elektrolyt wurden in eine Lithium-Selen-Knopfzellenbatterie und eine Lithium-Selen-Pouch-Zellenbatterie zusammengefügt (
Lithium-Selen-BatterietestLithium selenium battery test
Es wird ein Lade-Entladegerät verwendet, um einen konstanten Strom-Lade-Entladetest auf der Lithium-Selen-Knopfzellenbatterie und der Lithium Selen-Pouch-Zellenbatterie auszuführen. Der Testspannungsbereich liegt zwischen 1,0 und 3,0 V, und die Testtemperatur beträgt 25 °C. Die spezifische Entladeleistung und das Niveau des Lade-Entladestroms werden standardgemäß basierend auf der Selenmasse berechnet. Der Lade-Entladestrom beträgt 0,1C oder 0,05C. Die Lithium-Selen-Knopf-Lade- und Entladekurve ist in
Beispiel 2:Example 2:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass das Rohmaterial, das für den zweidimensionalen Kohlenstoff karbonisiert wird, Natriumcitrat ist. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, except that the raw material that is carbonized for the two-dimensional carbon is sodium citrate. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 3:Example 3:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass das Rohmaterial, das für den zweidimensionalen Kohlenstoff karbonisiert wird, Kaliumgluconat ist. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, except that the raw material that is carbonized for the two-dimensional carbon is potassium gluconate. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 4:Example 4:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Hochtemperatur-Karbonisationstemperatur für das Kohlenstoffmaterial 650 °C beträgt. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, except that the high temperature carbonization temperature for the carbon material is 650 ° C. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 5:Example 5:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass das getrocknete Gemisch mit 5 °C/Min. auf 300 °C erhitzt und bei dieser Temperatur während 3 Stunden durchgewärmt wurde. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, with the exception that the dried mixture at 5 ° C / min. heated to 300 ° C and warmed through at this temperature for 3 hours. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 6:Example 6:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass das getrocknete Gemisch mit 5 °C/Min. auf 240° erhitzt und bei dieser Temperatur während 3 Stunden durchgewärmt wurde, dann weiter bis 600 °C erhitzt und bei dieser konstanten Temperatur während 20 Stunden durchgewärmt wurde. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, with the exception that the dried mixture at 5 ° C / min. heated to 240 ° and warmed through at this temperature for 3 hours, then further heated to 600 ° C and warmed through at this constant temperature for 20 hours. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 7:Example 7:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Lithium-Se-Batterie mit einer lithiierten Graphitanode an Stelle des Lithium-Anodenblatts gepackt wurde. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, except that the lithium Se battery was packed with a lithiated graphite anode in place of the lithium anode sheet. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Beispiel 8:Example 8:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Lithium-Se-Batterie mit einer lithiierten Silizium-Kohlenstoffanode an Stelle des Lithium-Anodenblatts gepackt wurde. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, except that the lithium Se battery was packed with a lithiated silicon-carbon anode in place of the lithium anode sheet. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Vergleichsbeispiel 1:Comparative example 1:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass Polyacrylnitril als das Rohmaterial verwendet wird. Die Batterietestresultate sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.The conditions are the same as in Example 1, except that polyacrylonitrile is used as the raw material. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Vergleichsbeispiel 2:Comparative example 2:
Die Bedingungen sind gleich wie bei Beispiel 1; mit der Ausnahme, dass ein Einschritt-Kompositmaterialverfahren verwendet wird, um das Selen- und Kohlenstoff-Kompositmaterial vorzubereiten. Bei diesem Beispiel wurde das getrocknete Selen-Kohlenstoffgemisch mit 5 °C/Min. bis 500 °C erhitzt und bei dieser Temperatur während 23 Stunden durchgewärmt, um Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterial zu erhalten. Die Lade-Entladekurve einer Batterie, die aus dem derart erhaltenen Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterial hergestellt ist, ist in
Nach Beschreibung eines Verfahrens zum Herstellen eines Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterials werden ein Verfahren zum Herstellen immobilisierten Selens und die Verwendung des immobilisierten Selens zum Beispiel in einer wiederaufladbaren Batterie beschrieben.After describing a method for producing a selenium-carbon composite material, a method for producing immobilized selenium and the use of the immobilized selenium in, for example, a rechargeable battery will be described.
Selen ist ein Element in derselben Gruppe wie Sauerstoff und Schwefel, nämlich der Gruppe 6 der Tabelle des periodischen Systems. Selen kann gegenüber Sauerstoff und Schwefel hinsichtlich seiner substanziell hohen elektrischen Leitfähigkeit vorteilhaft sein.
„Electrode Materials for Rechargeable Batteries“, Ali Aboulmrane und Khalil Amine, US-Patentanmeldung
„Lithium-Selen Secondary Batteries Having non-Flammable Electrolyte“, Hui He, Bor Z. Jang, Yanbo Wang und Aruna Zhamu, US-Patentanmeldung
„Electrolyte Solution and Sulfur-based or Selen-based Batteries including the Electrolyte Solution“, Fang Dai, Mei Cai, Qiangfeng Xiao und Li Yang, US-Patentanmeldung
Hierin wird auch immobilisiertes Selen, das Selen und Kohlenstoff umfasst, offenbart. Immobilisiertes Selen kann eine elementare Form von Selen oder eine Selengemischform aufweisen. Selen kann mit einem anderen Element dotiert werden, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, mit Schwefel. Das immobilisierte Selen ermöglicht die Lokalisierung elementarer Selen-Atome, die elektrochemisch ordnungsgemäß funktionieren, ohne zwischen einer Kathode und einer Anode einer Batterie zu pendeln. Das Immobilisieren von Selen erlaubt es einem elementaren Selen-Atom, während eines Entladeprozesses zwei Elektronen zu gewinnen und ein Selen-Anion an der Stelle zu bilden, an der das Selenmolekül/- atom immobilisiert ist. Das Selen-Anion kann dann während eines Ladeprozesses zwei Elektronen abgeben, um ein elementares Selen-Atom zu bilden. Immobilisiertes Selen kann folglich als ein elektrochemisches aktives Mittel für eine wiederaufladbare Batterie arbeiten, die eine spezifische Kapazität aufweist, die bis zu einem stöchiometrischen Niveau gehen kann, ein coulombscher Effizienz aufweisen kann, die ≥ 95 %, ≥ 98 % oder bis zu 100 % betragen kann und eine wesentlich verbesserte Langzeit-Zyklisierungsfähigkeit erzielen kann.Immobilized selenium comprising selenium and carbon is also disclosed herein. Immobilized selenium can have an elemental form of selenium or a selenium mixture form. Selenium can be doped with another element such as, but not limited to, sulfur. The immobilized selenium enables the location of elementary selenium atoms that function properly electrochemically without oscillating between a cathode and anode of a battery. Immobilizing selenium enables an elementary selenium atom to gain two electrons during a discharge process and to form a selenium anion at the point where the selenium molecule / atom is immobilized. The selenium anion can then donate two electrons during a charging process to form an elementary selenium atom. Immobilized selenium can thus function as an electrochemical active agent for a rechargeable battery that has a specific capacity that can go up to a stoichiometric level, a coulombic efficiency that can be ≥ 95%, ≥ 98% or up to 100% and can achieve significantly improved long-term cycling ability.
Bei einer Batterie, die mit immobilisiertem Selen hergestellt ist, sind die elektrochemischen Verhaltensweisen der elementaren Selen-Atome und Selenid-Anionen während des Ladens Prozesse, die wünschenswert ordnungsgemäß funktionieren. Kohlenstoff-Gerüste, die Sp2-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen besitzen, weisen delokalisierte Elektronen auf, die über einen konjugierten sechsgliedrigen Ring aromatische π-Bindungen über lokale graphenähnliche G-Bande-Netzwerke, die durch D-Bande-Kohlenstoff gebunden sind, geteilt sind. Bei Vorliegen eines elektrischen Potenzials, können solche delokalisierte Elektronen mit geringem oder keinem elektrischen Widerstand über das Kohlenstoffgerüst fließen. Selen-Immobilisation kann auch die Sp2-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen eines Kohlenstoffgerüsts komprimieren, was in stärkeren Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen resultiert, was möglicherweise zu verbesserter Elektronenleitfähigkeit innerhalb des Kohlenstoffgerüst-Netzwerks führt. Gleichzeitig kann die Selen-Immobilisation auch zur Kompression von Selenteilchen führen, was in stärkeren chemischen und physikalischen Selen-Selen-Wechselwirkungen resultiert, die möglicherweise zu verbesserter elektrischer Leitfähigkeit unter immobilisierten Selenteilchen führen. Wenn sowohl Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen als auch Se-Se-Bindungen aufgrund von Selen-Immobilisation verbessert werden, werden auch Kohlenstoff-Selen-Wechselwirkungen durch die Kompression zusätzlich zu dem Vorliegen eines stabilisierten Selenabschnitts, mit dem das Kohlenstoffgerüst binden kann, verbessert. Dieser Abschnitt des Selens kann als eine Schnittstellenschicht für ein Kohlenstoffgerüst wirken, um den stabilisierten Selen-Abschnitt erfolgreich zu immobilisieren. Elektronen können folglich in dem Kohlenstoffgerüst und dem immobilisierten Selen fließen, woraufhin die elektrochemischen Lade-/Entladeprozesse effizient in einer wiederaufladbaren Batterie funktionieren können. Das wiederum erlaubt es der wiederaufladbaren Batterie, eine nahezu stöchiometrische spezifische Kapazität beizubehalten und die Fähigkeit zu besitzen, mit fast jeder praktischen Rate mit einem niedrigen Niveau an Beeinträchtigung der elektrochemischen Leistung der Batterie zu zyklisieren.In a battery made with immobilized selenium, the electrochemical behaviors of elemental selenium atoms and selenide anions during charging are processes that are desirable to function properly. Carbon skeletons that have Sp 2 carbon-carbon bonds have delocalized electrons which, via a conjugated six-membered ring, carry aromatic π- Bonds are shared through local graph-like G-band networks bound by D-band carbon. If there is an electrical potential, such delocalized electrons can flow over the carbon structure with little or no electrical resistance. Selenium immobilization can also compress the Sp 2 carbon-carbon bonds of a carbon backbone, resulting in stronger carbon-carbon bonds, possibly leading to improved electronic conductivity within the carbon-backbone network. At the same time, the selenium immobilization can also lead to the compression of selenium particles, which results in stronger chemical and physical selenium-selenium interactions, which possibly lead to improved electrical conductivity among immobilized selenium particles. When both carbon-carbon bonds and Se-Se bonds are improved due to selenium immobilization, carbon-selenium interactions are also improved by the compression, in addition to having a stabilized portion of selenium to which the carbon skeleton can bind. This segment of selenium can act as an interface layer for a carbon scaffold to successfully immobilize the stabilized selenium segment. Electrons can consequently flow in the carbon skeleton and the immobilized selenium, whereupon the electrochemical charge / discharge processes can function efficiently in a rechargeable battery. This in turn allows the rechargeable battery to maintain near stoichiometric specific capacity and have the ability to cycle at almost any practical rate with a low level of degradation in the electrochemical performance of the battery.
Ein Kohlenstoffgerüst kann porös sein und kann mit einer anderen Zusammensetzung dotiert werden. Die Porengrößenverteilungen des Kohlenstoffgerüsts können zwischen Sub-Ängström bis einige Mikrometer oder bis zu einer Porengröße liegen, die ein Porengrößenverteilungsinstrument unter Verwenden von Stickstoff, Argon, CO2 oder eines anderen Absorptionsmittels als Untersuchungsmolekül charakterisieren kann. Die Porosität des Kohlenstoffgerüsts kann eine Porengrößenverteilung umfassen, die in dem Bereich mindestens eines der Folgenden einen Peak-Wert erreicht: zwischen Sub-Ångström und 1000 Ångström oder zwischen einem Ångström und 100 Ångström oder zwischen einem Ängström und 50 Ångström oder zwischen einem Ångström und 30 Ångström und oder zwischen einem Ångström und 20 Ångström. Die Porosität des Kohlenstoffgerüsts kann ferner Poren umfassen, die eine Porengrößenverteilung mit mehr als einem Peak in den Bereichen, die in der vorstehenden Erklärung beschrieben sind, umfassen. Immobilisiertes Selen kann ein Kohlenstoffgerüst begünstigen, das kleine Porengrößen aufweist, in welchen Elektronen rasch mit minimalem elektrischem Widerstand geliefert und gewonnen werden, was es Selen erlauben kann, in einer wiederaufladbaren Batterie elektrochemisch besser zu funktionieren. Die kleine Porengröße kann auch mehr Kohlenstoffgerüstoberfläche bereitstellen, wobei der erste Abschnitt des Selens eine erste Schnittflächenschicht für einen zweiten Abschnitt von Selenimmobilisation bilden kann. Zusätzlich kann Anwesenheit die in einem Kohlenstoffgerüst, das einen bestimmten Anteil an Poren mit mittlerer Größe und einen bestimmten Anteil an Poren mit großer Größe aufweist, auch für effektive Lieferung von Lösemittel-Lithium-Ionen aus Bulk-Lösemittelmedien zu einem Bereich mit kleinen Poren günstig sein, wo Lithium-Ionen ihre koordinierten Lösemittelmoleküle verlieren können und in Lithiumselenid-Festphase transportiert werden.A carbon framework can be porous and can be doped with a different composition. The pore size distributions of the carbon skeleton can range from sub-angstroms to a few micrometers or up to a pore size that can be characterized by a pore size distribution instrument using nitrogen, argon, CO 2 or some other absorbent as the test molecule. The porosity of the carbon skeleton can comprise a pore size distribution that reaches a peak value in the range of at least one of the following: between sub-angstroms and 1000 angstroms or between one angstrom and 100 angstroms or between one angstrom and 50 angstroms or between one angstrom and 30 Ångström and or between one Ångström and 20 Ångström. The porosity of the carbon skeleton may further comprise pores which have a pore size distribution with more than one peak in the regions described in the explanation above. Immobilized selenium can favor a carbon scaffold that has small pore sizes in which electrons are quickly delivered and recovered with minimal electrical resistance, which can allow selenium to function better electrochemically in a rechargeable battery. The small pore size can also provide more carbon skeleton surface, wherein the first section of the selenium can form a first interface layer for a second section of selenium immobilization. Additionally, the presence in a carbon skeleton that has a certain proportion of medium-sized pores and a certain proportion of large-sized pores can also be beneficial for effective delivery of solvent lithium ions from bulk solvent media to an area with small pores where lithium ions can lose their coordinated solvent molecules and are transported in lithium selenide solid phase.
Das Porenvolumen des Kohlenstoffgerüsts kann so niedrig sein wie 0,01 ml/g und so hoch wie 5 ml/g oder kann zwischen 0,01 ml/g und 3 ml/g liegen oder kann zwischen 0,03 ml/g und 2,5 ml/g liegen oder kann zwischen 0,05 ml/g und 2,0 ml/g liegen. Das Porenvolumen, das Porengrößen kleiner als 100 Ångström oder kleiner als 50 Ångström oder kleiner als 30 Ångström oder kleiner als 20 Ångström aufweist, kann größer sein als 30 % oder größer als 40 % oder größer als 50 % oder größer als 60 % oder größer als 70 % oder größer als 80 % des gesamten messbaren Porenvolumens, das unter Verwenden eines BET-Instruments mit Stickstoff, CO2, Argon und anderen Untersuchungsgasmolekülen gemessen werden kann. Die per BET bestimmte Oberfläche des Kohlenstoffs kann größer als 400 m2/g oder größer als 500 m2/g oder größer als 600 m2/g oder größer als 700 m2/g oder größer als 800 m2/g oder größer als 900 m2/g oder größer als 1000 m2/g sein.The pore volume of the carbon skeleton can be as low as 0.01 ml / g and as high as 5 ml / g or can be between 0.01 ml / g and 3 ml / g or can be between 0.03 ml / g and 2, 5 ml / g or can be between 0.05 ml / g and 2.0 ml / g. The pore volume, which has pore sizes smaller than 100 Å or smaller than 50 Å, or smaller than 30 Å or smaller than 20 Å, can be larger than 30% or larger than 40% or larger than 50% or larger than 60% or larger than 70% or greater than 80% of the total measurable pore volume that can be measured using a BET instrument with nitrogen, CO 2 , argon and other test gas molecules. The surface area of the carbon determined by BET can be greater than 400 m 2 / g or greater than 500 m 2 / g or greater than 600 m 2 / g or greater than 700 m 2 / g or greater than 800 m 2 / g or greater than 900 m 2 / g or greater than 1000 m 2 / g.
Der Kohlenstoff kann auch im Wesentlichen amorph sein oder es kann ein Merkmal eines sehr breiten Peaks aufweisen, der an einem d-Abstand um 5 Ångström zentriert ist.The carbon can also be substantially amorphous or it can have a very broad peak feature centered at a d-spacing around 5 angstroms.
Der Kohlenstoff kann Sp2-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen umfassen, die Raman-Peak-Verschiebungen mit einer D-Bande und einer G-Bande aufweisen. Bei einem Beispiel weisen die Sp2-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen des Kohlenstoffs eine D-Bande auf, das bei 1364+100 cm-1 mit einer FWHM um etwa 296±50 cm-1 zentriert ist, und eine G-Bande-Mitte bei 1589+100 cm-1 mit einem FWHM von etwa 96+50 cm-1 in dem Raman-Spektrum. Das Verhältnis der Fläche der D-Bande zu der der G-Bande kann von 0,01 bis 100 oder von 0,1 bis 50 oder von 0,2 und 20 reichen.The carbon may comprise Sp 2 carbon-carbon bonds that have Raman peak shifts with a D band and a G band. In one example, the Sp 2 carbon-carbon bonds of carbon have a D band centered at 1364 + 100 cm -1 with a FWHM about 296 ± 50 cm -1 and a G band center at 1589 + 100 cm -1 with an FWHM of about 96 + 50 cm -1 in the Raman spectrum. The ratio of the area of the D band to that of the G band can range from 0.01 to 100, or from 0.1 to 50, or from 0.2 to 20.
Der Kohlenstoff kann eine beliebige Morphologie aufweisen, nämlich Plättchen, Kugel, Faser, Nadel, Röhre, unregelmäßig, zusammenhängend, agglomeriert, einzeln oder beliebige Feststoffpartikel. Plättchen, Faser, Nadel, Röhre oder eine Morphologie, die ein bestimmtes Niveau an Seitenverhältnis aufweist, kann für das Erzielen eines besseren Kontakts zwischen Partikeln günstig sein, was in besserer elektrischer Leitfähigkeit resultiert, was möglicherweise die Leistung der wiederaufladbaren Batterie verbessert.The carbon can have any desired morphology, namely platelets, spheres, fibers, needles, tubes, irregular, contiguous, agglomerated, individual or any solid particles. Plate, fiber, needle, tube, or a morphology that has a certain level of aspect ratio may be beneficial in achieving better contact between particles, resulting in better electrical conductivity, which may improve the performance of the rechargeable battery.
Der Kohlenstoff kann eine beliebige Teilchengröße aufweisen, mit einer mittleren Teilchengröße von einem Nanometer bis zu einigen Millimetern oder von einigen Nanometern bis weniger als 1000 Mikrometer oder von 20 nm bis 100 Mikrometer.The carbon can have any particle size, with an average particle size from a nanometer to a few millimeters, or from a few nanometers to less than 1000 micrometers, or from 20 nm to 100 micrometers.
Die Eigenschaft eines Kohlenstoffgerüsts kann die Selenimmobilisation beeinflussen, und Wechselwirkungen zwischen der Kohlenstoffgerüstoberfläche und den Selenteilchen können die Leistung einer wiederaufladbaren Batterie beeinflussen. Die Lage von Sp2-Kohlenstoff in einem Kohlenstoffgerüst kann das Erzielen von Se-Immobilisation unterstützen. Sp2-Kohlenstoff von kleinen Kohlenstoffgerüstporen kann vorgezogen werden, was durch das NLDFT-Oberflächenverfahren, wie bei Beispiel 9 hierin besprochen, quantifiziert werden kann. Die Oberfläche von Kohlenstoffgerüstporen kleiner als 20 Ångström kann ≥ 500 m2/g, ≥ 600 m2/g, ≥ 700m2/g, ≥ 800 m2/g, ≥ 900 m2/g oder ≥ 1,000 m2/g betragen. Die Oberflächen von den Kohlenstoffgerüstporen zwischen 20 Ångström und 1000 Ångström können 20 % oder weniger, 15 % oder weniger, 10 % oder weniger, 5 % oder weniger, 3 % oder weniger, 2 % oder weniger oder 1 % oder weniger der Gesamtoberfläche des Kohlenstoffgerüsts ausmachen.The property of a carbon skeleton can affect selenium immobilization, and interactions between the carbon skeleton surface and the selenium particles can affect the performance of a rechargeable battery. The location of Sp 2 carbon in a carbon backbone can help achieve Se immobilization. Sp 2 carbon from small carbon skeleton pores may be preferred, which can be quantified by the NLDFT surface method as discussed in Example 9 herein. The surface of the carbon skeleton pores less than 20 angstroms may ≥ 500 m 2 / g, ≥ 600 m 2 / g, ≥ 700 m 2 / g, ≥ 800 m 2 / g, ≥ 900 m2 / g or ≥ 1,000 m 2 / amount g. The surfaces of the carbon skeleton pores between 20 Angstroms and 1000 Angstroms can be 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less, 3% or less, 2% or less, or 1% or less of the total surface area of the carbon skeleton turn off.
Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das bei einer Temperatur verdampft, die höher ist als die bei elementarem Selen, unter Verweis auf die folgende Definition der Selen-Verdampfung: Elementares Selen in einem Se-Super-P-Kompositmaterial verliert 50 % seines Gewichts bei einer Temperatur von 480 °C, elementares Selen in einem Se/Graphit-Kompositmaterial verliert 50 % seines Gewichts an enthaltenem Selen bei einer Temperatur von 471 °C. Immobilisiertes Selen verliert 50 % seines Gewichts bei einer Temperatur höher als 480 °C, zum Beispiel bei einer Temperatur ≥ 490 °C, ≥ 500 °C, ≥ 510 °C, ≥ 520 °C, ≥ 530 °C, ≥ 540 °C, ≥ 550 °C, ≥ 560 °C, ≥ 570 °C oder ≥ 580 °C oder mehr. Selen in dem immobilisierten Selen kann eine kinetische Energie von ≥ 9,5 kJ/mol, ≥ 9,7 kJ/mol, ≥ 9,9 kJ/mol, ≥ 10,1 kJ/mol, ≥ 10,3 kJ/mol oder ≥ 10,5 kJ/mol oder mehr benötigen, um die Verbindung und/oder intermolekulare Kräfte in dem immobilisierten Selensystem zu überwinden und zu der Gasphase zu entweichen. Bei einem Beispiel kann der letzte Anteil an dem immobilisierten Selen, der verdampft, eine kinetische Energie von ≥ 11,635 Joule/mol (≥ 660 °C) benötigen, um dem Kohlenstoffgerüst zu entweichen, und kann für eine Selenimmobilisation kritisch sein und als Grenzflächenmaterial zwischen dem Kohlenstoffgerüst und dem Großteil der immobilisierten Selenmoleküle funktionieren. Dieser Anteil des Elements, der eine kinetische Energie von ≥ 11,635 Joule/mol benötigt, wird Grenzflächenselen genannt. Die Menge an Grenzflächenselen in dem immobilisierten Selen kann ≥ 1,5 %, ≥ 2,0 %, ≥, 5 % oder 3,0 % des gesamten immobilisierten Selens betragen.Immobilized selenium may include selenium that vaporizes at a temperature higher than that of elemental selenium, with reference to the following definition of selenium evaporation: Elemental selenium in a Se-Super-P composite loses 50% of its weight in one Temperature of 480 ° C, elemental selenium in an Se / graphite composite material loses 50% of its weight in contained selenium at a temperature of 471 ° C. Immobilized selenium loses 50% of its weight at a temperature higher than 480 ° C, for example at a temperature ≥ 490 ° C, ≥ 500 ° C, ≥ 510 ° C, ≥ 520 ° C, ≥ 530 ° C, ≥ 540 ° C , ≥ 550 ° C, ≥ 560 ° C, ≥ 570 ° C or ≥ 580 ° C or more. Selenium in the immobilized selenium can have a kinetic energy of ≥ 9.5 kJ / mol, ≥ 9.7 kJ / mol, ≥ 9.9 kJ / mol, ≥ 10.1 kJ / mol, ≥ 10.3 kJ / mol or ≥ 10.5 kJ / mol or more to overcome the connection and / or intermolecular forces in the immobilized selenium system and to escape to the gas phase. In one example, the last portion of the immobilized selenium that evaporates may require kinetic energy of ≥ 11.635 joules / mol (≥ 660 ° C) to escape the carbon framework and may be critical for selenium immobilization and as an interface material between the The carbon skeleton and the majority of the immobilized selenium molecules work. This part of the element, which requires a kinetic energy of ≥ 11.635 Joule / mol, is called interface selenium. The amount of interfacial selenium in the immobilized selenium can be 1.5%, 2.0%, 5% or 3.0% of the total immobilized selenium.
Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das eine Aktivierungsenergie aufweist, die höher ist als die für herkömmliches (nicht immobilisiertes) Selen, um zu überwinden, damit das Selen aus dem immobilisierten Se-C-Kompositmaterialsystem entweicht. Die Aktivierungsenergie für nicht immobilisiertes Selen (Se-Super-P-Kompositmaterialsystem) wurde als etwa 92 kJ/mol gemäß dem Verfahren ASTM E1641-16 bestimmt. Die Aktivierungsenergie für Selen in dem immobilisierten Selen, das Selen und Kohlenstoff umfasst, beträgt ≥ 95 kJ/mol, ≥ 98 kJ/mol, ≥ 101 kJ/mol, ≥ 104 kJ/mol, ≥ 107 kJ/mol oder ≥ 110 kJ/mol. Die Aktivierungsenergie für Selen in dem immobilisierten Selen, das Selen und Kohlenstoff umfasst, beträgt ≥ 3 %, ≥ 6 %, ≥ 9 %, ≥ 12 %, ≥ 15 % oder ≥ 18 % mehr als für Selen in dem Se-Super-P-Kompositmaterial. Das immobilisierte Selen kann beständiger sein als nicht immobilisiertes Selen, was der Grund dafür ist, dass die Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, elektrochemisch besser zyklisieren kann, wahrscheinlich aufgrund der Minimierung (oder Beseitigung) von Selen, das zwischen Kathode und Anode pendelt, was daraus resultiert, dass Selen in dem Se-C-Kompositmaterial immobilisiert ist.Immobilized selenium may comprise selenium which has an activation energy higher than that for conventional (non-immobilized) selenium to overcome for the selenium to escape from the immobilized Se-C composite material system. The activation energy for non-immobilized selenium (Se-Super-P composite material system) was determined to be about 92 kJ / mol according to the ASTM E1641-16 method. The activation energy for selenium in the immobilized selenium, which comprises selenium and carbon, is ≥ 95 kJ / mol, ≥ 98 kJ / mol, ≥ 101 kJ / mol, ≥ 104 kJ / mol, ≥ 107 kJ / mol or ≥ 110 kJ / mol. The activation energy for selenium in the immobilized selenium comprising selenium and carbon is ≥ 3%, ≥ 6%, ≥ 9%, ≥ 12%, ≥ 15% or ≥ 18% more than for selenium in the Se-Super-P -Composite material. The immobilized selenium may be more persistent than non-immobilized selenium, which is why the battery that includes immobilized selenium is better able to electrochemically cycle, probably due to the minimization (or elimination) of selenium shuttling between the cathode and anode, which the result is that selenium is immobilized in the Se-C composite material.
Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das Raman-inaktiv oder Raman-aktiv ist, typischerweise einen Raman-Peak bei 255±25 cm-1 oder bei 255±15 cm-1 oder bei 255+10 cm-1 aufweist. Relative Raman-Peak-Stärke ist als die Fläche der Raman-Peaks bei 255 cm-1 bezüglich der Fläche des D-Bande-Peaks des Kohlenstoff-Raman-Spektrums definiert. Immobilisiertes Kohlenstoff kann Selen umfassen, das eine relative Raman-Peak-Stärke von ≥ 0,1 %, ≥ 0,5 %, ≥ 1 %, ≥ 3 %, ≥ 5 % aufweist. Immobilisiertes Kohlenstoff kann ≥ 5 % Selen, ≥ 10 % Selen, ≥ 20 % Selen, ≥ 30 % Selen, ≥ 40 % Selen, ≥ 50 % Selen, ≥ 60 % Selen oder ≥ 70 % Selen enthalten.Immobilized selenium can include selenium that is Raman inactive or Raman active, typically having a Raman peak at 255 ± 25 cm -1 or at 255 ± 15 cm -1 or at 255 + 10 cm -1 . Relative Raman peak strength is defined as the area of the Raman peaks at 255 cm -1 with respect to the area of the D-band peak of the carbon Raman spectrum. Immobilized carbon can comprise selenium, which has a relative Raman peak strength of ≥ 0.1%, ≥ 0.5%, ≥ 1%, ≥ 3%, ≥ 5%. Immobilized carbon can contain ≥ 5% selenium, ≥ 10% selenium, ≥ 20% selenium, ≥ 30% selenium, ≥ 40% selenium, ≥ 50% selenium, ≥ 60% selenium or ≥ 70% selenium.
Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das eine Rotverschiebung von dem Raman-Peak reinen Selens aufweist. Eine Rotverschiebung wird durch einen positiven Unterschied zwischen der Raman-Peak-Lage für das immobilisierte Selen und der für reines Selen definiert. Reines Selen weist typischerweise einen Raman-Peak bei etwa 235 cm-1 auf. Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das eine Rotverschiebung des Raman-Peaks um ≥ 4 cm-1 ≥ 6 cm-1 ≥ 8 cm-1 ≥ 10 cm-1 ≥ 12 cm-1 ≥ 14 cm-1 oder ≥ 16 cm-1 aufweist. Eine Rotverschiebung des Raman-Peaks legt nahe, dass eine Kompression auf den Selenteilchen vorliegt.Immobilized selenium can include selenium that is red-shifted from the Raman peak of pure selenium. A redshift is defined by a positive difference between the Raman peak position for the immobilized selenium and that for pure selenium. Pure selenium typically has a Raman peak at around 235 cm -1 . Immobilized selenium can include selenium, which has a redshift of the Raman peak by ≥ 4 cm -1 ≥ 6 cm -1 ≥ 8 cm -1 ≥ 10 cm -1 ≥ 12 cm -1 ≥ 14 cm -1 or ≥ 16 cm -1 having. A redshift of the Raman peak suggests that there is compression on the selenium particles.
Immobilisiertes Selen kann Kohlenstoff, das unter Kompression stehen kann, umfassen. Unter Kompression können Elektronen mit einem minimalen Widerstand fließen, was schnelle Elektronenlieferung zu Selen und von Selen-Anionen für elektrochemische Prozesse während Entlade-Ladeprozessen für eine wiederaufladbare Batterie erleichtert. D-Bande und oder G-Bande im Raman-Spektrum für die Sp2-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen des Kohlenstoffgerüsts, die das immobilisierte Selen umfassen, können eine Rotverschiebung um ≥ 1 cm-1, ≥ 2 cm-1, ≥ 3 cm-1, ≥ 4 cm-1 oder ≥ 5 cm-1 zeigen.Immobilized selenium can include carbon, which can be under compression. Under compression, electrons can flow with minimal resistance, which facilitates rapid electron delivery to selenium and from selenium anions for electrochemical processes during discharge-charge processes for a rechargeable battery. The D band and / or G band in the Raman spectrum for the Sp 2 carbon-carbon bonds of the carbon skeleton, which comprise the immobilized selenium, can have a redshift of ≥ 1 cm -1 , ≥ 2 cm -1 , ≥ 3 cm -1 , ≥ 4 cm -1 or ≥ 5 cm -1 .
Immobilisiertes Selen umfasst Selen, das eine höhere Stoßfrequenz aufweisen kann als nicht immobilisiertes Selen. Eine solche hohe Stoßfrequenz kann daraus resultieren, dass Selen in dem immobilisierten Se-C-System unter Kompression steht. Die Stoßfrequenz für Selen in nicht immobilisiertem Selen wurde gemäß dem Verfahren ASTM E1641-16 als 2,27 × 105 bestimmt. Die Stoßfrequenz für Selen in dem immobilisierten Selen, das Selen und Kohlenstoff umfasst, beträgt ≥ 2,5×105, ≥ 3,0×105, ≥ 3,5×105, ≥ 4,0×105, ≥ 4,5×105, ≥ 5,0×105, ≥ 5,5×105, ≥ 6,0×105 oder ≥ 8,0×105. Das immobilisierte Selen kann eine Stoßfrequenz um ≥ 10 %, ≥ 30 %, ≥ 50 %, ≥ 80 %, ≥ 100 %, ≥ 130 %, ≥ 150 %, ≥ 180 % oder ≥ 200 % höher als das für nicht immobilisiertes Selen in dem Se-C-Kompositmaterial aufweisen. Dies kann zu besserer Elektronenleitfähigkeit in dem immobilisierten Selen-System aufgrund von mehr Stößen unter Selen-Arten führen. Das immobilisierte Selen in Se-C-Kompositmaterial hätte auch eine höhere Stoßfrequenz gegen die Wand des Kohlenstoff-Hosts (zum Beispiel ein Kohlenstoffgerüst), was in einer besseren Elektronenlieferung oder Elektronenausbeute aus dem Kohlenstoffgerüst während elektrochemischen Zyklisierens resultieren kann, was zu einer Batterie (die immobilisiertes Selen umfasst) führen kann, die verbesserte Zyklisierungsleistung aufweist, wie Erreichen von mehr Zyklen oder Zyklisieren mit einer viel höheren C-Rate, was höchst wünschenswert ist.Immobilized selenium includes selenium, which may have a higher shock frequency than non-immobilized selenium. Such a high shock frequency can result from the fact that selenium is under compression in the immobilized Se-C system. The collision frequency for selenium in unimmobilized selenium was determined to be 2.27 × 10 5 according to the ASTM E1641-16 method. The collision frequency for selenium in the immobilized selenium comprising selenium and carbon is ≥ 2.5 × 10 5 , ≥ 3.0 × 10 5 , ≥ 3.5 × 10 5 , ≥ 4.0 × 10 5 , ≥ 4 , 5 × 10 5 , ≥ 5.0 × 10 5 , ≥ 5.5 × 10 5 , ≥ 6.0 × 10 5 or ≥ 8.0 × 10 5 . The immobilized selenium can have a shock frequency ≥ 10%, ≥ 30%, ≥ 50%, ≥ 80%, ≥ 100%, ≥ 130%, ≥ 150%, ≥ 180% or ≥ 200% higher than that for non-immobilized selenium in have the Se-C composite material. This can lead to better electron conductivity in the immobilized selenium system due to more collisions among selenium species. The immobilized selenium in Se-C composite would also have a higher frequency of impact against the wall of the carbon host (e.g. a carbon skeleton), which can result in better electron delivery or electron recovery from the carbon skeleton during electrochemical cycling, resulting in a battery (the immobilized selenium) that has improved cycling performance, such as achieving more cycles or cycling at a much higher C-rate, which is highly desirable.
Immobilisiertes Selen umfasst Selen, das weniger dazu tendiert, sein Host-Material (Kohlenstoff) zu verlassen, da es eine kinetische Geschwindigkeitskonstante aufweist, die ≤ 1:5, ≤ 1:10, ≤ 1:50, ≤ 1:100, ≤ 1:500 oder ≤ 1:1000 der kinetischen Geschwindigkeitskonstante für nicht immobilisiertes/herkömmliches Selen beträgt. Bei unserem Beispiel umfasst das immobilisierte Selen Selen, das weniger dazu tendiert, sein Host-Material (Kohlenstoff) zu verlassen, weil es (bei 50 °C) eine kinetische Geschwindigkeitskonstante von ≤ 1×10-10, ≤ 5×10-11, ≤ 1×10-11, ≤ 5×10-12 oder ≤ 5×10-13 aufweist.Immobilized selenium includes selenium, which has less of a tendency to leave its host material (carbon) because it has a kinetic rate constant that is ≤ 1: 5, ≤ 1:10, ≤ 1:50, ≤ 1: 100, ≤ 1 : 500 or ≤ 1: 1000 of the kinetic rate constant for non-immobilized / conventional selenium. In our example, the immobilized selenium comprises selenium, which has less of a tendency to leave its host material (carbon) because it has (at 50 ° C) a kinetic rate constant of ≤ 1 × 10 -10 , ≤ 5 × 10 -11 , ≤ 1 × 10 -11 , ≤ 5 × 10 -12 or ≤ 5 × 10 -13 .
Immobilisiertes Selen kann Selen umfassen, das amorph sein kann, wie durch Röntgen-Beugungsmessungen bestimmt wird. Ein Beugungs-Peak, der einen d-Abstand von etwa 5,2 Ängström aufweist, ist relativ kleiner oder schwächer, zum Beispiel 10 % schwächer, 20 % schwächer, 30 % schwächer oder 40 % schwächer als der für das Kohlenstoffgerüst.Immobilized selenium can include selenium, which can be amorphous as determined by x-ray diffraction measurements. A diffraction peak that has ad spacing of about 5.2 angstroms is relatively smaller or weaker, for example 10% weaker, 20% weaker, 30% weaker or 40% weaker than that for the carbon skeleton.
Immobilisiertes Selen kann vorbereitet werden, indem physisch Kohlenstoff und Selen gemischt werden, gefolgt von Schmelzen und Homogenisieren (oder Mischen oder Vermengen) von Selenmolekülen, um Selen-Immobilisation zu erzielen. Das physische Mischen kann durch (trockenes oder nasses) Kugelmühlenmahlen, (trockenes oder nasses) Mischen mit Mörser und Mörserstößel, Strahlmühlenmahlen, horizontales Mahlen, Reibungsmühlenmahlen, Mischen mit hoher Scherwirkung in Schlämmen, herkömmliches Schlamm-Mischen mit einer Klinge usw. erzielt werden. Das physisch gemischte Gemisch aus Selen und Kohlenstoff kann auf eine Temperatur erhitzt werden, die an dem Schmelzpunkt von Selen oder höher liegt und niedriger als der Schmelzpunkt von Kohlenstoff. Das Erhitzen kann in einer Inertgasumgebung ausgeführt werden, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, Argon, Helium, Stickstoff usw. Die Erhitzungsumgebung kann Luft oder eine reaktive Umgebung umfassen. Die Immobilisation von Selen kann durch Imprägnieren gelösten Selens in Kohlenstoff, gefolgt von Verdampfung des Lösemittels erzielt werden. Das Lösemittel zum Lösen von Selen kann einen Alkohol, einen Ether, einen Ester, ein Keton, einen Kohlenwasserstoff, einen halogenierten Kohlenwasserstoff, ein stickstoffhaltiges Kompositmaterial, ein phosphorhaltiges Kompositmaterial, ein schwefelhaltiges Kompositmaterial, Wasser usw. umfassen.Immobilized selenium can be prepared by physically mixing carbon and selenium, followed by melting and homogenizing (or mixing or blending) selenium molecules to achieve selenium immobilization. Physical mixing can be achieved by ball milling (dry or wet), mortar and pestle (dry or wet) mixing, jet milling, horizontal milling, attritor milling, high shear mixing in slurries, conventional slurry mixing with a blade, etc. The physically mixed mixture of selenium and carbon can be heated to a temperature which is at or above the melting point of selenium and lower than the melting point of carbon. The heating can be carried out in an inert gas environment such as, but not limited to, argon, helium, nitrogen, etc. The heating environment can include air or a reactive environment. Immobilization of selenium can be achieved by impregnating dissolved selenium in carbon followed by evaporation of the solvent. The solvent for dissolving selenium may include an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing composite material, a phosphorus-containing composite material, a sulfur-containing composite material, water, and so on.
Immobilisiertes Selen kann durch Schmelzen einer großen Selenmenge in Anwesenheit von Kohlenstoff gefolgt vom Entfernen überflüssigen, nicht immobilisierten Selens erzielt werden.Immobilized selenium can be achieved by melting a large amount of selenium in the presence of carbon followed by removal of excess, non-immobilized selenium.
Ein immobilisiertes Selensystem oder eine immobilisierte Selenmasse kann immobilisiertes Selen mit ≥ 30 %, ≥ 40 %, ≥ 50 %, ≥ 60 %, ≥ 70 %, ≥ 80 % oder ≥ 90 % der Gesamtselenmenge in dem System oder der Masse umfassen. Das nicht immobilisierte Selen kann bei einer Temperatur verdampfen, die niedriger ist als die des immobilisierten Selens.An immobilized selenium system or an immobilized selenium mass can comprise immobilized selenium with 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% or 90% of the total amount of selenium in the system or the mass. The non-immobilized selenium can evaporate at a temperature lower than that of the immobilized selenium.
Ein immobilisiertes Selensystem oder eine immobilisierte Selenmasse kann immobilisiertes Selen umfassen, das mit einem oder mehreren zusätzlichen/anderen Elementen der Gruppe 6 der Tabelle des periodischen Systems dotiert ist, wie zum Beispiel Schwefel und/oder Tellur. Das Dotierstoffniveau kann von so niedrig wie 100 Gew.-ppm bis so hoch wie 85 % des Gewichts des immobilisierten Selensystems oder der immobilisierten Selenmasse reichen.An immobilized selenium system or an immobilized selenium mass can comprise immobilized selenium which is doped with one or more additional / other elements of
Ein beispielhafter Prozess zum Herstellen immobilisierten Selens ist in
Das immobilisierte Selen kann als ein Kathodenmaterial für eine wiederaufladbare Batterie verwendet werden. Zum Herstellen einer Kathode kann das immobilisierte Selen in einem flüssigen Medium dispergiert werden, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, in Wasser oder organischem Lösemittel. Die Kathode, die das immobilisierte Selen umfasst, kann ein Bindemittel, optional ein anderes Bindemittel, optional ein Promotor der elektrischen Leitfähigkeit und einen Stromchargenkollektor umfassen. Das Bindemittel kann an organisch oder organisch sein. Ein organisches Bindemittel kann aus einem natürlichen Produkt bestehen, wie zum Beispiel aus CMC oder aus einem synthetischen Produkt, zum Beispiel aus einem SBR-Kautschuk-Latex. Ein Promotor elektrischer Leitfähigkeit kann ein Typ von Kohlenstoff sein, wie kleine Teilchen von Graphit abstammend, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoschicht, Carbon Black usw. Ein Kollektor elektrischer Ladung kann zum Beispiel eine Aluminiumfolie, eine Kupferfolie, eine Kohlenstofffolie, ein Kohlenstoffgewebe oder andere metallische Folien sein. Die Kathode kann durch Beschichten eines immobilisierten selenhaltigen Schlamms (oder Schlämmen) auf dem Ladungskollektor sein, gefolgt von einem typischen Trockenprozess (Lufttrocknen, Ofentrocknen, Vakuumofentrocknen usw.). Der immobilisierte Selen-Schlamm oder die Schlämme können durch einen Mischer mit hoher Scherwirkung, einen herkömmlichen Mischer, einen Planetenmischer, einen Doppelplanetenmischer, eine Kugelmühle, einen vertikalen Attritor, eine horizontale Mühle usw. vorbereitet werden. Die Kathode, die immobilisiertes Selen umfasst, kann vor ihrer Verwendung in einer Batterieanordnung gepresst oder walzgemahlen (oder kalandert) werden.The immobilized selenium can be used as a cathode material for a rechargeable battery. To make a cathode, the immobilized selenium can be dispersed in a liquid medium, such as, but not limited to, water or organic solvent. The cathode comprising the immobilized selenium may comprise a binding agent, optionally another binding agent, optionally an electrical conductivity promoter and a current charge collector. The binder can be organic or organic. An organic binder can consist of a natural product such as CMC or a synthetic product such as an SBR rubber latex. An electrical conductivity promoter can be a type of carbon such as small particles derived from graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon nanosheet, carbon black, etc. An electrical charge collector can be, for example, an aluminum foil, a copper foil, a carbon foil, a carbon cloth or other metallic foils his. The cathode can be by coating an immobilized selenium-containing slurry (or slurry) on the charge collector, followed by a typical drying process (air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). The immobilized selenium slurry or slurries can be prepared by a high-shear mixer, a conventional mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical attritor, a horizontal mill, and so on. The cathode, which comprises immobilized selenium, can be pressed or roll milled (or calendered) prior to use in a battery assembly.
Eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, kann eine Kathode umfassen, die immobilisiertes Selen, eine Anode, einen Separator und einen Elektrolyt umfasst. Die Anode kann Lithium, Natrium, Silizium, Graphit, Magnesium, Zinn und/oder ein wünschenswertes Element und/oder ein wünschenswertes Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe IA, Gruppe IIA, Gruppe IIIA usw. der Tabelle des periodischen Systems umfassen. Der Separator kann einen organischen Separator, einen anorganischen Separator oder einen Festelektrolytseparator umfassen. Ein organischer Separator kann ein Polymer umfassen, wie zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen, Polyester, ein halogeniertes Polymer, ein Polyether, ein Polyketon usw. Ein anorganischer Separator kann eine Glas- oder Quarzfaser, einen Festelektrolytseparator umfassen. Ein Elektrolyt kann ein Lithiumsalz, ein Natriumsalz oder ein anderes Salz, ein Salz der Gruppe IA der Tabelle des periodischen Systems, ein Salz der Gruppe IIA der Tabelle des periodischen Systems und ein organisches Lösemittel umfassen. Das organische Lösemittel kann ein organisches Carbonatgemisch, einen Ether, einen Alkohol, einen Ester, einen Kohlenwasserstoff, einen halogenierten Kohlenwasserstoff, ein lithiumhaltiges Lösemittel usw. umfassen.A rechargeable battery that includes immobilized selenium may include a cathode that includes immobilized selenium, an anode, a separator, and an electrolyte. The anode can comprise lithium, sodium, silicon, graphite, magnesium, tin and / or a desirable element and / or a desirable element or a combination of elements from Group IA, Group IIA, Group IIIA, etc. of the table of the periodic table. The separator can comprise an organic separator, an inorganic separator or a solid electrolyte separator. An organic separator can comprise a polymer such as polyethylene, polypropylene, polyester, a halogenated polymer, a polyether, a polyketone, etc. An inorganic separator can comprise a glass or quartz fiber, a solid electrolyte separator. An electrolyte may include a lithium salt, a sodium salt or other salt, a Group IA salt of the Periodic Table, a Group IIA salt of the Periodic Table, and an organic solvent. The organic solvent may include an organic carbonate mixture, an ether, an alcohol, an ester, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a lithium-containing solvent, and so on.
Eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, kann für Elektronik, ein elektrisches oder Hybridfahrzeug, eine Industrieanwendung, eine militärische Anwendung wie eine Drohne, eine Luft-Raumfahrtanwendung, eine Marineanwendung usw. verwendet werden.A rechargeable battery comprising immobilized selenium can be used for electronics, an electric or hybrid vehicle, an industrial application, a military application such as a drone, an aerospace application, a marine application, and so on.
Eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, kann eine spezifische Kapazität von 400 mAh/g aktive Selenmenge oder höher, 450 mAh/g oder höher, 500 mAh/g oder höher, 550 mAh/g oder höher oder 600 mAh/g oder höher aufweisen. Eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, kann fähig sein, elektrochemischem Zyklisieren mit 50 Zyklen oder mehr, 75 Zyklen oder mehr, 100 Zyklen oder mehr, 200 Zyklen oder mehr usw. unterworfen zu werden.A rechargeable battery comprising immobilized selenium can have a specific capacity of 400 mAh / g active amount of selenium or higher, 450 mAh / g or higher, 500 mAh / g or higher, 550 mAh / g or higher, or 600 mAh / g or higher exhibit. A rechargeable battery, the immobilized selenium may be capable of electrochemical cycling for 50 cycles or more, 75 cycles or more, 100 cycles or more, 200 cycles or more, and so on.
Eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, kann fähig sein, mit 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 1,5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C oder schneller geladen zu werden. Nach dem Ausführen von umfassendem Lade-Entlade-Zyklisierens mit hoher C-Rate während 30 oder mehr Zyklen (zum Beispiel 5 Zyklen bei 0,1C, 5 Zyklen bei 0,2C, 5 Zyklen bei 0,5C, 5 Zyklen bei 1C, 5 Zyklen bei 2C, 5 Zyklen bei 5C und 5 Zyklen bei 10C), kann eine wiederaufladbare Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, eine spezifische Batteriekapazität > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 %, > 80 % der 2. spezifischen Entladekapazität bei einer Zyklisierungsrate von 0,1C behalten.A rechargeable battery comprising immobilized selenium may be capable of charging 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or to be loaded faster. After performing extensive charge-discharge cycling at the high C rate for 30 or more cycles (e.g. 5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles at 1C, 5 Cycles at 2C, 5 cycles at 5C and 5 cycles at 10C), a rechargeable battery comprising immobilized selenium can have a specific battery capacity> 30%,> 40%,> 50%,> 60%,> 70%,> 80 % of the 2nd specific discharge capacity retained at a cycling rate of 0.1C.
Unten folgen mehrere Beispiele zur Veranschaulichung des Gedankens der Erfindungen. Diese Beispiele sollten jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden.Several examples follow below to illustrate the spirit of the inventions. However, these examples should not be construed in a limiting sense.
BEISPIELEEXAMPLES
CharakterisierunssverfahrenCharacterization method
Rasterelektronenmikroskopie-Bilder (SEM-Bilder) wurden auf einem Tescan-Vega-Rasterelektronenmikroskop, das mit einem Energiedispersiver-Analyse-Röntgen-Detektor (EDX-Detektor) ausgestattet ist, gesammelt.Scanning electron microscopy (SEM) images were collected on a Tescan Vega scanning electron microscope equipped with an energy dispersive analysis x-ray detector (EDX detector).
Raman-Spektren wurden mit einem (konfokalen) Renishaw-inVia-Raman-Mikroskop gesammelt. Laser-Raman-Spektroskopie wird weitgehend als ein Standard für die Charakterisierung von Kohlenstoff und Diamant verwendet und stellt ohne Weiteres unterscheidbare Signaturen jeder der unterschiedlichen Formen (Allotrope) von Kohlenstoff bereit (zum Beispiel Diamant, Graphit, Buckyballs usw.). Kombiniert mit Fotolumineszenztechnologie (PL-Technologie), bietet sie eine nicht zerstörende Art, diverse Eigenschaften eines Diamanten zu untersuchen, einschließlich Phasenreinheit, Kristallgröße und Ausrichtung, Fehlerniveau und Struktur, Verunreinigungstyp und Konzentration sowie Spannung und Dehnung. Insbesondere die Breite (volle Halbwertsbreite, FWHM) des Raman-Diamant-Peaks bei 1332 cm-1, sowie das Raman-Stärkeverhältnis zwischen Diamant-Peak und graphitischen Peaks (D-Bande bei 1350 cm-1 und G-Bande bei 1600 cm-1), ist ein direkter Indikator von Diamantqualität oder der Qualität anderen Kohlenstoffmaterials. Des Weiteren können Spannungs- und Dehnungsniveaus in Diamant oder anderen Kohlenstoffkörnern und Folien aus der Raman-Diamant-Peak-Verschiebung geschätzt werden. Es wurde berichtet, dass die Raman-Diamant-Peak-Verschiebungsrate unter hydrostatischer Spannung etwa 3,2 cm-1/GPa beträgt, mit einer Peak-Verschiebung zu einer niedrigeren Wellenzahl unter Zugbeanspruchung und einer höheren Wellenzahl unter Druckspannung. Die Raman-Spektren, die hierin besprochen sind, wurden unter Verwendung eines Renishaw-inVia-Raman-Spektroskops mit einem Anregungslaser zu 514 nm gesammelt. Weitere Informationen über die Verwendung von Raman-Spektroskopie zur Charakterisierung von Diamant ist auch in den Referenzen (1)
Die Daten für BET-Oberflächen- und Porengrößenverteilungen von Kohlenstoffproben wurden durch Stickstoffabsorption und CO2-Absorption mit einem 3Flex (Mircomeritics), ausgestattet mit einem Smart-VacPrep für Probenentgasungsvorbereitungen gemessen. Die Probe wird typischerweise in Smart-Vac-Prep bei 250 °C während 2 Stunden unter Vakuum vor der CO2- und der N2-Absorptionsmessung entgast. Die Stickstoffabsorption wird verwendet, um die BET-Oberfläche zu bestimmen. Stickstoff-Absorptionsdaten und CO2-Absorptionsdaten wurden kombiniert, um Porengrößenverteilungen einer Kohlenstoffprobe zu berechnen. Für die Einzelheiten über das Kombinieren von sowohl N2- als auch CO2-Absorptionsdaten zum Bestimmen der Porengrößenverteilungen für Kohlenstoffmaterialien, möge man „Dual Gas Analysis of Microporous Kohlenstoff Using 2D-NLDFT Heterogeneous Surface Model and Combined Adsorption Data of N2 and CO2“,
Die Daten für thermogravimetrische Analyse (TGA) und dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) für Proben aus immobilisiertem Selen und die Kontrollproben wurden mit dem Netzsch Thermal Analyzer gemessen. Die TGA-Analyse wurde unter einer Argonflussrate von -200 ml/Min., einer Heizrate von 16 °C/Min., 10 °C/Min., 5 °C/Min., 2 °C/Min., 1 °C/Min. und anderen Heizraten ausgeführt. Im Sinne der Konsistenz, betrug eine typische Menge an immobilisierter Selenprobe für TGA-Analyse etwa 20 mg.The data for thermogravimetric analysis (TGA) and dynamic differential calorimetry (DSC) for samples from immobilized selenium and the control samples were measured with the Netzsch Thermal Analyzer. The TGA analysis was performed under an argon flow rate of -200 ml / min., A heating rate of 16 ° C / min., 10 ° C / min., 5 ° C / min., 2 ° C / min., 1 ° C / Min. and other heating rates. In terms of consistency, a typical amount of immobilized selenium sample for TGA analysis was about 20 mg.
Aktivierungsenergie und Stoßfrequenz des immobilisierten Selens und nicht immobilisierten Selens wurden durch TGA im Anschluss an die Vorgehensweisen bestimmt, die in dem Verfahren ASTM E1641-16 beschrieben sind.Activation energy and shock frequency of the immobilized selenium and non-immobilized selenium were determined by TGA following the procedures described in ASTM E1641-16.
Röntgen-Beugungsresultate für unterschiedliche Kohlenstoff-, Se-KohlenstoffProben und immobilisiertes Selen wurden auf einem Philip-Diffraktometer gesammelt.X-ray diffraction results for different carbon, Se-carbon samples and immobilized selenium were collected on a Philip diffractometer.
Batterie-Zyklisierungsleistung für wiederaufladbare Batterien, die immobilisiertes Selen umfassen, wurden auf einem Lanhe CT2001A Batteriezyklisierungstestgerät getestet. Lade- und Entladeströme der wiederaufladbaren Batterien, die immobilisiertes Selen umfassen, wurden durch eine Selenmenge, die in dem immobilisierten Selen enthalten ist, und eine Zyklisierungsrate (0,1C, 0,5C, 1C, 2C, 3C, 4C, 5C, 10C usw.) bestimmt.Battery cycling performance for rechargeable batteries comprising immobilized selenium was tested on a Lanhe CT2001A battery cycling tester. Charge and discharge currents of the rechargeable batteries including immobilized selenium were determined by an amount of selenium contained in the immobilized selenium and a cycling rate (0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 3C, 4C, 5C, 10C, etc. .) certainly.
Beispiel 9: Synthese und Charakterisierung eines KohlenstoffgerüstsExample 9: Synthesis and characterization of a carbon skeleton
Zum Bilden eines ersten Rückstands wurde eine Charge aus 260 g Kaliumcitrat in einen Schmelztiegel gegeben, und der Schmelztiegel wurde in eine Quarzröhre innerhalb eines Rohrofens platziert. Ein Argongasstrom wurde in den Ofen eingelassen, und der Ofen wurde mit 5°C/Min. von Raumtemperatur (~20 bis 22 °C) auf 600 °C erhitzt. Der Ofen wurde während 60 Minuten auf dieser Temperatur gehalten, wobei ein Herunterfahren der Öfen und das Entfernen der Charge aus dem Schmelztiegel nach dem Abkühlen des Ofens erfolgten, wobei 174,10 g verarbeiteter Rückstand gewonnen wurden. Zum Bilden des zweiten und dritten verarbeiteten Rückstands wurde derselbe Prozess wie der für den ersten Rückstand beschriebene für Chargen von 420 und 974 g Kaliumcitrat separat wiederholt. Der resultierende zweite und dritte verarbeitete Rückstand wogen 282,83 Gramm bzw. 651,93 Gramm.To form an initial residue, a batch of 260 grams of potassium citrate was placed in a crucible and the crucible was placed in a quartz tube inside a tube furnace. A stream of argon gas was admitted into the furnace and the furnace was started at 5 ° C / min. heated from room temperature (~ 20 to 22 ° C) to 600 ° C. The furnace was held at this temperature for 60 minutes with a shutdown of the furnace and removal of the batch from the crucible after the furnace had cooled to yield 174.10 grams of processed residue. To form the second and third processed residues, the same process as that described for the first residue was repeated separately for batches of 420 and 974 grams of potassium citrate. The resulting second and third processed residues weighed 282.83 grams and 651.93 grams, respectively.
1108,9 Gramm aus diesen drei verarbeiteten Rückständen wurden in einem Schmelztiegel kombiniert, der in die Quarzröhre innerhalb des Rohrofens platziert wurde, und ein Argon-Gasfluss wurde in den Ofen eingelassen. Der Ofen wurde mit 5 °C/Min. auf 800 °C erhitzt. Der Ofen wurde während 1 Stunde an 800 °C gehalten. Das Abkühlen des Ofens wurde erlaubt, wonach der Schmelztiegel aus der Quarzröhre entfernt wurde, und anschließend wurden 1085,74 Gramm eines ersten abschließenden Rückstands gewonnen.1108.9 grams from these three processed residues were combined in a crucible that was placed in the quartz tube inside the tube furnace and a flow of argon gas was admitted into the furnace. The oven was running at 5 ° C / min. heated to 800 ° C. The oven was held at 800 ° C for 1 hour. The furnace was allowed to cool, after which the crucible was removed from the quartz tube, and then 1085.74 grams of an initial final residue was recovered.
Anschließend ergab gemäß derselben Vorgehensweise wie bei diesem Beispiel (800 °C) eine Charge von 120 Gramm Kaliumrückständen, die in den Ofen eingeführt wurde, etwa 77 Gramm eines zweiten abschließenden Rückstands (800 °C).Then, following the same procedure as in this example (800 ° C), a batch of 120 grams of potassium residue introduced into the oven yielded about 77 grams of a second final residue (800 ° C).
Die Kombination des ersten und zweiten abschließenden Rückstands resultierte in etwa 1163 Gramm eines dritten abschließenden Rückstands.The combination of the first and second final residues resulted in approximately 1163 grams of a third final residue.
Die 1163 Gramm des dritten abschließenden Rückstands wurden dann mit 400 ml Wasser zu einem Schlamm vermischt, der in etwa gleichmäßig in vier Zwei-Liter-Bechergläser getrennt wurde. Der pH jedes Schlamms wurde durch Messen als höher als 13 bestimmt. Danach wurde eine konzentrierte Salzsäurelösung in jedes Becherglas mit einer heftigen Entwicklung von Kohlendioxid hinzugefügt, das sich mit einem pH kleiner als etwa 5 abschlug. Mehr Salzsäurelösung wurde hinzugefügt, um einen pH von etwa 1,9 zu erhalten. Dann wurden diese Schlämme gefiltert und zu Filterkuchen gewaschen, die in einem Ofen bei 120 °C während etwa 12 Stunden getrocknet wurden, gefolgt von einem Vakuumtrocknen bei 120 °C während 24 Stunden, was in vier Kohlenstoffgerüstproben mit insgesamt etwa 61,07 Gramm resultierte.The 1163 grams of the third final residue was then mixed with 400 ml of water to form a slurry which was approximately evenly separated into four two liter beakers. The pH of each slurry was determined to be greater than 13 by measurement. Thereafter, a concentrated hydrochloric acid solution was added to each beaker with a violent evolution of carbon dioxide, which precipitated with a pH less than about 5. More hydrochloric acid solution was added to maintain a pH of about 1.9. These slurries were then filtered and washed into filter cakes which were dried in an oven at 120 ° C for about 12 hours, followed by vacuum drying at 120 ° C for 24 hours, resulting in four carbon skeleton samples totaling about 61.07 grams.
Diese Kohlenstoffgerüstproben wurden anhand von SEM, XRD, Raman, BET/Porengrößenverteilungen charakterisiert. Das SEM-Resultat für ein Kohlenstoffgerüst ist in
Röntgen-Beugungsmuster eines Kohlenstoffgerüsts, die in
Raman-Streuungsspektroskopieresultate für ein Kohlenstoffgerüst sind in
Die BET-Oberfläche des Kohlenstoffgerüsts wurde mit 1.205 m2/g durch Stickstoffabsorption gemessen. Die inkrementelle Porenoberfläche im Vergleich zur Porenweite ist in
Die Porengrößenverteilungen der Kohlenstoffgerüstprobe wurden durch Stickstoffabsorption und CO2-Absorption bestimmt. Die Absorptionsresultate der Stickstoffabsorption und CO2-Absorption wurden kombiniert, um die Porengrößenverteilung, die in
Beispiel 10: Vorbereitung und Charakterisierung immobilisierten SelensExample 10: Preparation and characterization of immobilized selenium
0,1206 Gramm Selen (mit Bulk-Eigenschaften von Selen) in einen Satz aus Achatreibschale und Mörserstößel geben und 0,1206 Gramm des Kohlenstoffgerüsts, das in Übereinstimmung mit Beispiel 9 vorbereitet wurde, in dieselbe Achatreibschale mit ihrer Mörserstößel hinzufügen. Das Gemisch aus Selen und Kohlenstoffgerüst während etwa 30 Minuten von Hand zermahlen und das gemahlene Gemisch aus Selen und Kohlenstoffgerüst in eine Pressform aus rostfreiem Stahl (10 mm Durchmesser) transferieren. Das Gemisch mit einem Druck von etwa 10 MPa in die Pressform pressen, um ein Pellet des Gemischs zu bilden. Dann das Pellet in einen abgedichteten Behälter bei Vorliegen einer Inertumgebung (Argon) laden und den abgedichteten Behälter, der das Pellet enthält, in einen Ofen platzieren. Den Ofen, der den abgedichteten Behälter beinhaltet, der das Pellet enthält, auf 240 °C (über die Schmelztemperatur von Selen) zum Beispiel während 12 Stunden erhitzen. Es wird jedoch eine beliebige Kombination aus Zeit und Temperatur über der Schmelztemperatur von Selen in Betracht gezogen, die ausreicht, um Selen und Kohlenstoff zum entweder teilweisen oder vollständigen Reagieren zu veranlassen und immobilisiertes Selen zu bilden, das einige oder alle der Merkmale, die in dieser Anmeldung beschrieben sind, aufweist. Dann wird das Pellet aus dem Behälter genommen, nachdem es dem Pellet erlaubt wurde, auf Raumtemperatur abzukühlen. Das herausgenommene Pellet ist das immobilisierte Selen dieses Beispiels 10.Place 0.1206 grams of selenium (with bulk properties of selenium) in an agate grater and mortar pestle set, and add 0.1206 grams of the carbon framework prepared in accordance with Example 9 to the same agate grinder and mortar pestle. Grind the mixture of selenium and carbon skeleton by hand for about 30 minutes and transfer the milled mixture of selenium and carbon skeleton into a stainless steel mold (10 mm diameter). Press the mixture into the die at a pressure of about 10 MPa to form a pellet of the mixture. Then load the pellet into a sealed container in the presence of an inert environment (argon) and place the sealed container containing the pellet in an oven. Heat the furnace containing the sealed container containing the pellet to 240 ° C (above the melting temperature of selenium) for, for example, 12 hours. However, any combination of time and temperature above the melting temperature of selenium is contemplated that is sufficient to cause selenium and carbon to react, either partially or completely, to form immobilized selenium which has some or all of the characteristics present therein Application are described, has. The pellet is then removed from the container after allowing the pellet to cool to room temperature. The removed pellet is the immobilized selenium of this Example 10.
Das immobilisierte Selen dieses Beispiels 10 wurde durch TGA-DSC und TGA charakterisiert. Die TGA-DSC-Analyseresultate wurden für das immobilisierte Selen unter einem Argongasstrom von 200 ml/Min. bei einer Heizrate von 10 °C/Min. gesammelt. Es besteht kein wahrnehmbarer endothermer DSC-Peak bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt von Selen (etwa 230 °C), was angibt, dass das immobilisierte Selen dieses Beispiels 10 von der Bulk-Form von Selenmolekülen/-atomen unterschiedlich ist, die einen Schmelzpunkt um etwa 230 °C haben sollten, bei dem ein endothermer Peak auftreten sollte.The immobilized selenium of this example 10 was characterized by TGA-DSC and TGA. The TGA-DSC analysis results were for the immobilized selenium under an argon gas flow of 200 ml / min. at a heating rate of 10 ° C / min. collected. There is no noticeable endothermic DSC peak at temperatures near the melting point of selenium (about 230 ° C) indicating that the immobilized selenium of this Example 10 is different from the bulk form of selenium molecules / atoms which have a melting point of about 230 ° C at which an endothermic peak should occur.
Eine Nachforschung hat ergeben, dass die TGA-DSC-Daten möglicherweise nicht verlässlich sind, wenn die Heiztemperatur einen Punkt erreicht, bei dem Selenmoleküle beginnen, aus dem TGA-DSC-Proben-Schmelztiegel (Graphit oder Keramiken) zu entweichen. Zu diesem Zweck treten Selenmoleküle (aus dem Proben-Schmelztiegel) in Gasphase in den Argon-Trägergasstrom ein und scheinen mit dem TGA-DSC-Platin-Probenhalter zu reagieren, was die tatsächlichen thermochemischen TGA-DSC-Verhaltensweisen verzerrt. Da die freigesetzten Selenmoleküle aus dem Proben-Schmelztiegel mit Platin-Probenhalter reagieren, führt das in diesem Temperaturbereich zu einem geringeren Gewichtsverlust. Das Selen-Platin-Kompositmaterial in dem Platin-Probenhalter wird dann in der Gasphase freigesetzt, wenn die Heiztemperatur einen Punkt erreicht, der über 800 °C liegt. Eine vollständige Selen-Freisetzung kann bei 1000°C auftreten. Diese Nachforschung verbrauchte den Großteil der immobilisierten Selenprobe dieses Beispiels 10. Es wurde folglich eine neue Probe des immobilisierten Selens (~16 Gramm) unter Verwenden desselben Prozesses wie oben, im anfänglichen Teil dieses Beispiels 10 beschriebenen vorbereitet.Research has shown that the TGA-DSC data may not be reliable if the heating temperature reaches a point where selenium molecules begin to leak out of the TGA-DSC sample crucible (graphite or ceramics). To this end, selenium molecules (from the sample crucible) enter the argon carrier gas stream in gas phase and appear to react with the TGA-DSC platinum sample holder, distorting actual TGA-DSC thermochemical behaviors. Since the released selenium molecules from the sample crucible react with the platinum sample holder, this leads to less weight loss in this temperature range. The selenium-platinum composite material in the platinum sample holder is then released in the gas phase when the heating temperature reaches a point that is above 800 ° C. Complete selenium release can occur at 1000 ° C. This investigation consumed the majority of the immobilized selenium sample of this Example 10. Thus, a new sample of the immobilized selenium (~ 16 grams) was prepared using the same process as described above in the initial part of this Example 10.
Die thermodynamischen Verhaltensweisen dieser neuen Probe immobilisierten Selens wurden anhand von TGA-Analyse untersucht, die einen keramischen Probenhalter verwendet, der ein sehr kleines Thermoelement abdeckt, das für die TGA-Analyse verwendet wird. Die TGA-Analyseresultate für diese neue Probe aus immobilisiertem Selen sind in
Immobilisiertes Selen kann eine anfängliche Gewichtsverlusttemperatur aufweisen, die bei etwa 400 °C beginnt, im Vergleich zu 340 °C für Se-Super-P-Kohlenstoffkompositmaterial und das Se-Graphit-Kohlenstoffkompositmaterial; eine Mittelpunkt-Gewichtsverlusttemperatur für immobilisiertes Selen kann bei etwa 595° liegen, im Vergleich zu 480 °C für das Se-Super-P-Kohlenstoff-Kompositmaterial und 471 °C für Se-Graphit-Kompositmaterial; und einen Hauptgewichtsverlust, der bei 544 °C für Se-Super-P-Kohlenstoff-Kompositmaterial und Se-Graphit-Kompositmaterial abgeschlossen ist, und bei 660 °C für das immobilisierte Selen. Das Se-Super-P-Kohlenstoff-Kompositmaterial und das Se-Graphit-Kompositmaterial zeigen weniger als 0,6 % Gewichtsverlust zwischen 560 °C und 780 °C, während das immobilisierte Selen einen Gewichtsverlust von etwa 2,5 % von unten an dem Hauptgewichtsverlust zeigt (∼660 °C bis 1000 °C). Diese Resultate legen nahe, dass nicht-immobilisiertes Selen (Se-Super-P-Kohlenstoff-Kompositmaterial und Se-Graphit-Kompositmaterial) ≤ 1,2 % des Gesamtselens aufweist, das aus dem Kompositmaterial bei einer Temperatur von ≥ 560° Celsius entweichen kann, während das immobilisierte Selen etwa 5,0 % des gesamten Selens aufweist, das aus dem Kohlenstoffgerüst bei einer Temperatur von ≥ 660 °C entweichen kann. Die folgenden Einzelheiten werden bereitgestellt, um Beispiele zu geben, die Einblick in die thermodynamischen Verhaltensweisen bereitstellen. Diese Einzelheiten sollten jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden.Immobilized selenium can have an initial weight loss temperature starting at about 400 ° C, compared to 340 ° C for Se-Super-P carbon composite and the Se-graphite-carbon composite; a midpoint weight loss temperature for immobilized selenium may be about 595 ° compared to 480 ° C for the Se-Super-P carbon composite and 471 ° C for Se-graphite composite; and a major weight loss complete at 544 ° C for Se-super-P carbon composite and Se-graphite composite, and at 660 ° C for the immobilized selenium. The Se-Super-P-carbon composite material and the Se-graphite composite material show less than 0.6% weight loss between 560 ° C and 780 ° C, while the immobilized selenium shows a weight loss of about 2.5% from below Shows major weight loss (∼660 ° C to 1000 ° C). These results suggest that non-immobilized selenium (Se-Super-P-carbon composite material and Se-graphite composite material) has ≤ 1.2% of the total selenium that can escape from the composite material at a temperature of ≥ 560 ° Celsius , while the immobilized selenium comprises about 5.0% of the total selenium that can escape from the carbon skeleton at a temperature of ≥ 660 ° C. The following details are provided to give examples that provide insight into the thermodynamic behaviors. However, these details should not be construed in a limiting sense.
Unter Verwenden der Daten der TGA-Mittelpunkt-Gewichtsverlusttemperatur als Beispiele thermochemischer Verhaltensweisen bei steigender Heiztemperatur, steigt die kinetische Energie der Selenmoleküle in dem Se-Super-P-Kohlenstoff-Kompositmaterial und dem Se-Graphit-Kompositmaterial auf ein Niveau, bei dem diese Selenmoleküle genug Energie haben, um die intermolekularen Wechselwirkungen unter Selenmolekülen zu überwinden und aus der flüssigen Phase des Selens zu entweichen. Hierin kinetische Energie = 3RT/2, wobei: R die Gaskonstante ist und T die Temperatur in Kelvin ist.Using the TGA midpoint weight loss temperature data as examples of thermochemical behaviors as the heating temperature increases, the kinetic energy of selenium molecules in the Se-super-P carbon composite and the Se-graphite composite increases to a level at which these selenium molecules have enough energy to overcome the intermolecular interactions among selenium molecules and to escape from the liquid phase of selenium. Here kinetic energy = 3RT / 2, where: R is the gas constant and T is the temperature in Kelvin.
Es wurde beobachtet, dass die durchschnittliche kinetische Energie von Selenmolekülen für Se-Super-P-Kohlenstoff-Kompositmaterial als 9.391 Joule/mol gemessen wurde, wenn die Selenmoleküle aus dem Gemisch aus Se-Super-P-Kohlenstoff-Kompositmaterial entweichen. Das immobilisierte Selen muss jedoch mehr Energie gewinnen, um eine durchschnittliche kinetische Energie von etwa 10.825 Joule/mol aufzuweisen, damit Selen das Kohlenstoffgerüst zu Gasphasen-Selenmolekülen verlässt. Es wird angenommen, dass das Selen in immobilisiertem Selen entweder in einer atomaren Form oder als molekulare Form oder als irgendeine Form mit Selen und dem Kohlenstoffgerüst über intermolekulare Wechselwirkungen von Selen hinaus chemisch interagieren kann. Zusätzlich weist der letzte Anteil an Selen, der aus dem Kohlenstoffgerüst zwischen 660 °C bis 1000 °C entweicht, eine durchschnittliche kinetische Energie in dem Bereich von 11.635 Joule/mol bis 15.876 Joule/mol oder mehr auf. Das legt nahe, dass Selen in dem immobilisierten Selen beständiger ist als das Selen in herkömmlichen Selen-Kohlenstoffkompositmaterialien. Das stabilisierte Selen in dem immobilisierten Selen dieses Beispiels 10 verstärkt die Fähigkeit von Selen, entweder als atomare Formen, molekulare Formen oder in irgendeiner Form während elektrochemischer Prozesse innerhalb des Kohlenstoffgerüsts zu bleiben, wie während des Lade- und Entlade-Zyklisierens einer wiederaufladbaren Batterie, die aus immobilisiertem Selen besteht. Bei einem Beispiel kann dieser letzte Anteil an Selen eine kinetische Energie von ≥ 11.635 Joule/mol (≥ 660 °C) benötigen, um dem Kohlenstoffgerüst zu entkommen, und kann für eine Selenimmobilisation kritisch sein und als Grenzflächenmaterial zwischen dem Kohlenstoffgerüst und dem Großteil der immobilisierten Selenmoleküle funktionieren. Der Anteil an Grenzflächenselen in dem immobilisierten Selen kann ≥ 1,5 %, ≥ 2,0 %, ≥ 2,5 % oder 3,0 % des gesamten immobilisierten Selens betragen.It was observed that the average kinetic energy of selenium molecules for Se-super-P-carbon composite material was measured to be 9,391 joules / mol when the selenium molecules escape from the mixture of Se-super-P-carbon composite material. However, the immobilized selenium must gain more energy in order to have an average kinetic energy of about 10,825 joules / mol for selenium to leave the carbon structure to form gas-phase selenium molecules. It is believed that the selenium in immobilized selenium is chemically either in an atomic form, or as a molecular form, or as any form with selenium and the carbon skeleton beyond intermolecular interactions of selenium can interact. In addition, the last portion of selenium that escapes from the carbon structure between 660 ° C. and 1000 ° C. has an average kinetic energy in the range of 11,635 joules / mol to 15,876 joules / mol or more. This suggests that selenium in the immobilized selenium is more stable than the selenium in conventional selenium-carbon composites. The stabilized selenium in the immobilized selenium of this Example 10 enhances the ability of selenium to remain within the carbon framework either as atomic forms, molecular forms, or in any form during electrochemical processes, such as during the charge and discharge cycling of a rechargeable battery, the consists of immobilized selenium. In one example, this last portion of selenium may require kinetic energy ≥ 11,635 joules / mol (≥ 660 ° C) to escape the carbon backbone and can be critical for selenium immobilization and as an interface material between the carbon backbone and most of the immobilized Selenium molecules work. The proportion of interfacial selenium in the immobilized selenium can be 1.5%, 2.0%, 2.5% or 3.0% of the total immobilized selenium.
Die Aktivierungsenergie für Selen (nicht immobilisiertes oder herkömmlich) in dem Se-Super-P-Kohlenstoff-Kompositmaterial wurde als 92,3 kJ/mol mit einer Stoßfrequenz von 2,27×105 bestimmt. Die Aktivierungsenergie für Selen in immobilisiertem Selen (228 bis 110 oben) wurde auch als 120,7 kJ/mol mit einer Stoßfrequenz von 12,4 × 105 bestimmt. Bei einem anderen Beispiel immobilisierten Selens (155-82-2 oben), das mit denselben Vorgehensweisen vorbereitet wurde wie Beispiel 10, wurden durch Messen auch eine Aktivierungsenergie von 120,0 kJ/mol und eine Stoßfrequenz von 18,3×105 bestimmt.The activation energy for selenium (non-immobilized or conventional) in the Se-Super-P-carbon composite material was determined to be 92.3 kJ / mol with an impact frequency of 2.27 × 10 5 . The activation energy for selenium in immobilized selenium (228 to 110 above) was also determined to be 120.7 kJ / mol with a collision frequency of 12.4 × 10 5 . In another example of immobilized selenium (155-82-2 above), which was prepared using the same procedures as Example 10, an activation energy of 120.0 kJ / mol and an impact frequency of 18.3 × 10 5 were also determined by measurement.
Die kinetische Geschwindigkeitskonstante für Selen wird unter Verwenden der Arrhenius-Gleichung berechnet,
Unter Bezugnahme auf
Die Kompression, die aus der Selen-Immobilisation resultiert, verstärkt sowohl die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Sp2-Bindungen für das Kohlenstoffgerüst als auch die Se-Se-Bindungen für Selen, was stärkere Selen-Selen- und Kohlenstoff-Selen-Wechselwirkungen schafft. Es wäre folglich mehr kinetische Energie erforderlich, damit Selen die stärkere Se-Se-Bindung und stärkeren Kohlenstoff-Selen-Wechselwirkungen überwindet, was die Beobachtungen bei der TGA-Analyse des immobilisierten Selens verglichen mit Se-Super-P-Kompositmaterial und Se-Graphit-Kompositmaterial erklärt.The compression that results from selenium immobilization strengthens both the carbon-carbon Sp 2 bonds for the carbon backbone and the Se-Se bonds for selenium, creating stronger selenium-selenium and carbon-selenium interactions. It would therefore require more kinetic energy for selenium to overcome the stronger Se-Se bond and stronger carbon-selenium interactions, which is what the observations in the TGA analysis of the immobilized selenium compared to Se-Super-P composite and Se-graphite -Composite material explained.
Des Weiteren hätte das Kohlenstoffgerüst unter Kompression dann eine bessere Fähigkeit zum Leiten von Elektronen an dem Bindungsniveau; und unter Kompression hätten Selen-Atome oder -Moleküle auch bessere Fähigkeit zum Leiten von Elektronen.Furthermore, the carbon framework under compression would then have a better ability to conduct electrons at the bond level; and under compression, selenium atoms or molecules would also have better ability to conduct electrons.
Stabilisiertes Selen für das immobilisierte Selen, gemeinsam mit verbesserter Elektronenleitfähigkeit über das Kohlenstoffgerüst und Selen können bei elektrochemischen Prozessen wünschenswert sein, wie zum Beispiel verbesserte spezifische Kapazität für das aktive Material mit einem Mindestniveau an Pendeln, verbesserter Zyklisierungsfähigkeit aufgrund der Immobilisation, einer Fähigkeit mit einer höheren Rate geladen und entladen zu werden usw. Das darf jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden.Stabilized selenium for the immobilized selenium, together with improved electron conductivity via the carbon skeleton and selenium can be desirable in electrochemical processes, such as improved specific capacity for the active material with a minimum level of pendulums, improved cyclability due to immobilization, a capability with a higher level Rate of being charged and discharged, etc. However, this should not be construed in a limiting sense.
Röntgen-Beugungsmuster für das immobilisierte Selen, die in Übereinstimmung mit Beispiel 10 vorbereitet wurden, das in
Beispiel 11: Vorbereitung der Se-KathodeExample 11: Preparation of the Se cathode
56 mg des immobilisierten Selens, das in Übereinstimmung mit Beispiel 10 vorbereitet wurde; 7,04 mg Super-P; 182 µl Carboxymethylcellulose-Lösung (CMC-Lösung) (die 1 mg trockene CMC für je 52 µl CMC-Lösung beinhaltet); 21,126 µl SBR-Latexdispersion (die 1 mg trockenen SBR-Latex für je 6,036 µl SBR-Latexdispersion beinhaltet); und 200 µl vollentsalztes Wasser in einen Mörser mit Mörserstößel geben. Die Teilchen, die Bindemittel und Wasser von Hand während 30 Minuten in einen Schlamm zermahlen, um einen Kathoden-Schlamm zu erzeugen. Der Kathoden-Schlamm wurde dann auf einer Seite eines Stücks eines elektrisch leitenden Substrats, zum Beispiel einer Folie, aufgetragen und luftgetrocknet. Bei einem Beispiel kann das leitende Substrat oder die Folie Aluminiumfolie (Al-Folie) sein. Dies darf jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden, da die Verwendung eines beliebigen zweckdienlichen und/oder wünschenswerten elektrisch leitenden Materials mit einer beliebigen Gestalt oder Form, in Betracht gezogen wird. Lediglich für den Zweck der Beschreibung wird hierin die Verwendung einer Al-Folie zum Bilden einer Selen-Kathode beschrieben. Dies darf jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden.56 mg of the immobilized selenium prepared in accordance with Example 10; 7.04 mg Super-P; 182 µl carboxymethyl cellulose solution (CMC solution) (which contains 1 mg dry CMC for every 52 µl CMC solution); 21.126 µl SBR latex dispersion (which contains 1 mg dry SBR latex for each 6.036 µl SBR latex dispersion); and put 200 µl of deionized water in a mortar with a mortar pestle. Hand grind the particles, binder, and water into a slurry for 30 minutes to create a cathode slurry. The cathode slurry was then applied to one side of a piece of an electrically conductive substrate such as a foil and air dried. In one example, the conductive substrate or foil can be aluminum foil (Al foil). However, this is not to be interpreted in a limiting sense as the use of any convenient and / or desirable electrically conductive material of any shape or form is contemplated. For the purpose of description only, the use of an Al foil to form a selenium cathode is described herein. However, this should not be interpreted in a limiting sense.
Die mit Schlamm beschichtete Al-Folie wurde dann in einen Trockenofen platziert und während 12 Stunden auf eine Temperatur von 55 °C erhitzt, was in einer Selen-Kathode resultierte, die aus einer getrockneten Schicht aus immobilisiertem Selen auf einer Seite der Al-Folie bestand, wobei die Al-Folie auf der anderen Seite unbeschichtet war, das heißt bloßes Aluminium.The sludge-coated Al foil was then placed in a drying oven and heated to a temperature of 55 ° C. for 12 hours, resulting in a selenium cathode consisting of a dried layer of immobilized selenium on one side of the Al foil where the Al foil on the other side was uncoated, i.e. bare aluminum.
Die Selen-Kathode wurde dann in Kathodenscheiben gestanzt, die jeweils einen Durchmesser von 10 mm aufwiesen. Einige dieser Kathodenscheiben wurden als Kathoden für wiederaufladbare Batterien verwendet.The selenium cathode was then punched into cathode disks, each 10 mm in diameter. Some of these cathode disks have been used as cathodes for rechargeable batteries.
Beispiel 12: Wiederaufladbare Li-Se-Batterieanordnung und TestenExample 12: Li-Se rechargeable battery assembly and testing
Die Kathodenscheiben von Beispiel 11 wurden verwendet, um wiederaufladbare Li-Se-Spiralwicklungsbatterien auf die Art, wie in dem Beispiel besprochen, das als Nächstes beschrieben wird und in
Dann wurden 240 µl Elektrolyt
Einige der zusammengefügten Knopfzellenbatterien wurden bei Lade-Entlade-Raten von 0,1C und 1C unter Verwenden eines Lanhe-Batterietestgeräts CT2001A getestet. Jede Knopfzellenbatterie wurde getestet: (1) Ruhen während 1 Stunde; (2) Entladen auf 1 V; (3) Ruhen während 10 Minuten; (4) Laden auf 3 V; (5) Ruhen während 10 Minuten; Schritte (2) bis (5) zum Wiederholen des Zyklisierungstests wiederholen.Some of the assembled coin cell batteries were tested at charge-discharge rates of 0.1C and 1C using a Lanhe CT2001A battery tester. Each coin cell battery was tested: (1) resting for 1 hour; (2) discharge to 1V; (3) rest for 10 minutes; (4) charge to 3V; (5) rest for 10 minutes; Repeat steps (2) through (5) to repeat the cycling test.
Die Li-Se-Batterie, die immobilisiertes Selen umfasst, kann ihre spezifische Kapazität zu 670 mAh/g, 98 % ihrer vollen Kapazität, wiedergewinnen, wenn sie zu Beginn des Tests mit einer 0,IC-Rate zyklisiert wird. Es wird angenommen, dass (1) die Stabilisation von Selen in der immobilisierten Selen-Kathode Selen daran hindert, das Kohlenstoffgerüst zu verlassen, verhindert, dass das Selen zwischen der Kathode und der Anode während des Zyklisierens pendelt, was es der Batterie ermöglicht, verbesserte Zyklisierungsleistung aufzuweisen; (2) sowohl Sp2-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen als auch Kohlenstoffgerüst, Selen-Selen-Bindungen und Kohlenstoff-Selen-Wechselwirkungen unter Kompression stehen können, was möglicherweise in höherer elektrischer Leitfähigkeit innerhalb des Kohlenstoffgerüsts, innerhalb der Selenteilchen und unter den Kohlenstoff- und Selenschnittflächen resultiert, was beim Erzielen der beobachteten Zyklisierungsleistung bei hohen C-Raten helfen kann.The Li-Se battery, which includes immobilized selenium, can regain its specific capacity to 670 mAh / g, 98% of its full capacity, when cycled at a 0.1 IC rate at the start of the test. It is believed that (1) the stabilization of selenium in the immobilized selenium cathode prevents selenium from exiting the carbon framework, prevents the selenium from shuttling between the cathode and anode during cycling, allowing the battery to improve Exhibit cycling performance; (2) Sp 2 carbon-carbon bonds as well as carbon skeleton, selenium-selenium bonds and carbon-selenium interactions can be under compression, possibly resulting in higher electrical conductivity within the carbon skeleton, within the selenium particles and among the carbon and selenium cut surfaces, which can aid in achieving the observed cycling performance at high C-rates.
Die Masse aus immobilisiertem Selen, die Selen und Kohlenstoff umfasst, die in Übereinstimmung mit den hierin beschriebenen Konzepten vorbereitet wird, kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:The mass of immobilized selenium comprising selenium and carbon prepared in accordance with the concepts described herein can include one or more of the following features:
(a) eine kinetische Energie, die erforderlich ist, damit ein Selenteilchen dem immobilisierten Selen entkommt, kann ≥ 9,5 kJ/mol ≥ 9,7 kJ/mol ≥ 9,9 kJ/mol ≥ 10,1 kJ/mol ≥ 10,3 kJ/mol oder ≥ 10,5 kJ/mol betragen;(a) a kinetic energy that is necessary for a selenium particle to escape the immobilized selenium can be ≥ 9.5 kJ / mol ≥ 9.7 kJ / mol ≥ 9.9 kJ / mol ≥ 10.1 kJ / mol ≥ 10 , 3 kJ / mol or ≥ 10.5 kJ / mol;
(b) eine Temperatur, die erforderlich ist, damit ein Selenteilchen dem immobilisierten Selen entkommen kann, kann ≥ 490 °C, ≥ 500 °C, ≥ 510 °C, ≥ 520 °C, ≥ 530 °C, ≥ 540 °C, ≥ 550 °C oder ≥ 560 °C betragen;(b) a temperature required for a selenium particle to escape the immobilized selenium can be ≥ 490 ° C, ≥ 500 ° C, ≥ 510 ° C, ≥ 520 ° C, ≥ 530 ° C, ≥ 540 ° C, Be ≥ 550 ° C or ≥ 560 ° C;
(c) der Kohlenstoff kann eine Oberfläche (für Poren kleiner als 20 Ångström) von ≥ 500 m2/g, ≥ 600 m2/g, ≥ 700m2/g, ≥ 800 m2/g, ≥ 900 m2/g oder ≥ 1.000 m2/g betragen;(c) the carbon may have a surface area (for pores less than 20 angstroms) 2 / g of ≥ 500 m, ≥ 600 m 2 / g, ≥ 700 m 2 / g, ≥ 800 m 2 / g, ≥ 900 m 2 / g or ≥ 1,000 m 2 / g;
(d) der Kohlenstoff kann eine Oberfläche (für Poren zwischen 20 Ångström und 1000 Ångström) von ≤ 20 %, ≤ 15 %, ≤ 10 %, ≤ 5 %, ≤ 3 %, ≤ 2 %, ≤ 1 % der gesamten Oberfläche aufweisen;(d) the carbon can have a surface area (for pores between 20 Angstroms and 1000 Angstroms) of ≤ 20%, ≤ 15%, ≤ 10%, ≤ 5%, ≤ 3%, ≤ 2%, ≤ 1% of the total surface ;
(e) der Kohlenstoff und/oder das Selen kann unter Kompression stehen. Vorteile des immobilisierten Selens, bei dem der Kohlenstoff und/oder das Selen unter Kompression stehen, gegenüber einem Kohlenstoff-Selen-System, bei dem der Kohlenstoff und/oder das Selen nicht unter Kompression stehen, können aufweisen: verbesserten Elektronenfluss, reduzierten Widerstand gegen Elektronenfluss oder beides, was die Elektronenlieferung zu Selen und von den Selen-Anionen während des Ladens und Entladens einer wiederaufladbaren Batterie, die eine Kathode aufweist, die aus dem immobilisierten Selen besteht, erleichtern kann;(e) the carbon and / or the selenium can be under compression. Advantages of immobilized selenium, in which the carbon and / or the selenium are under compression, compared to a carbon-selenium system in which the carbon and / or the selenium are not under compression, can include: improved electron flow, reduced resistance to electron flow or both, which can facilitate electron delivery to selenium and from the selenium anions during charging and discharging of a rechargeable battery having a cathode composed of the immobilized selenium;
(f) das immobilisierte Selen kann Selen umfassen, das eine Aktivierungsenergie aufweist, die höher ist als die für herkömmliches (nicht immobilisiertes) Selen, damit das Selen aus dem immobilisierten Se-C-Kompositmaterialsystem entweicht. Bei einem Beispiel wurde die Aktivierungsenergie für nicht-immobilisiertes Selen (Se-Super-P-Kompositmaterialsystem) als 92 kJ/mol gemäß dem Verfahren ASTM E1641-16 bestimmt. Dagegen kann die Aktivierungsenergie für Selen in dem immobilisierten Selen, das Selen und Kohlenstoff umfasst, ≥ 95 kJ/mol, ≥ 98 kJ/mol, ≥ 101 kJ/mol, ≥ 104 kJ/mol, ≥ 107 kJ/mol oder ≥ 110 kJ/mol betragen. Bei einem anderen Beispiel kann die Aktivierungsenergie für Selen in dem immobilisierten Selen, das Selen und Kohlenstoff umfasst, ≥ 3 %, ≥ 6 %, ≥ 9 %, ≥ 12 %, ≥ 15 % oder ≥ 18 % > größer sein als für Selen in dem Se-Super-P-Kompositmaterial;(f) the immobilized selenium may comprise selenium which has an activation energy which is higher than that for conventional (non-immobilized) selenium in order for the selenium to escape from the immobilized Se-C composite material system. In one example, the activation energy for non-immobilized selenium (Se-Super-P composite material system) was determined to be 92 kJ / mol according to method ASTM E1641-16. In contrast, the activation energy for selenium in the immobilized selenium comprising selenium and carbon can be 95 kJ / mol, 98 kJ / mol, 101 kJ / mol, 104 kJ / mol, 107 kJ / mol or 110 kJ / mol. In another example, the activation energy for selenium in the immobilized selenium comprising selenium and carbon can be ≥ 3%, ≥ 6%, ≥ 9%, ≥ 12%, ≥ 15% or ≥ 18%> greater than for selenium in FIG the Se-Super-P composite material;
(g) das immobilisierte Selen kann Selen umfassen, das eine höhere Stoßfrequenz aufweist als nicht immobilisiertes Selen. Bei einem Beispiel wurde die Stoßfrequenz für nicht immobilisiertes Selen gemäß dem Verfahren ATSM E1641-16 als 2,27 × 105 bestimmt. Dagegen kann bei einem anderen Beispiel die Stoßfrequenz für Selen in immobilisiertem Selen, das Selen und Kohlenstoff umfasst, ≥ 2,5×105, ≥ 3,0×105, ≥ 3,5×105, ≥ 4,0×105, ≥ 4,5×105, ≥ 5,0×105, ≥ 5,5×105, ≥ 6,0×105 oder ≥ 8,0×105 betragen. Das immobilisierte Selen kann eine Stoßfrequenz ≥ 10 %, ≥ 30 %, ≥ 50 %, ≥ 80 %, ≥ 100 %, ≥ 130 %, ≥ 150 %, ≥ 180 % oder ≥ 200 % als die für nicht immobilisiertes Selen in einem Se-C-Kompositmaterial aufweisen; und(g) the immobilized selenium may comprise selenium which has a higher collision frequency than non-immobilized selenium. In one example, the shock frequency for non-immobilized selenium was determined to be 2.27 × 10 5 according to the ATSM E1641-16 method. On the other hand, in another example, the collision frequency for selenium in immobilized selenium comprising selenium and carbon may be ≥ 2.5 × 10 5 , ≥ 3.0 × 10 5 , ≥ 3.5 × 10 5 , ≥ 4.0 × 10 5 , ≥ 4.5 × 10 5 , ≥ 5.0 × 10 5 , ≥ 5.5 × 10 5 , ≥ 6.0 × 10 5 or ≥ 8.0 × 10 5 . The immobilized selenium can have a shock frequency ≥ 10%, ≥ 30%, ≥ 50%, ≥ 80%, ≥ 100%, ≥ 130%, ≥ 150%, ≥ 180% or ≥ 200% than that for non-immobilized selenium in a Se -C composite material; and
(h) das immobilisierte Selen kann Selen, das eine kinetische Geschwindigkeitskonstante umfasst, die ≤ 1:5, ≤ 1:10, ≤ 1:50, ≤ 1:100, ≤ 1:500 oder ≤ 1:1000 der Geschwindigkeitskonstante für nicht-immobilisiertes/herkömmliches Selen beträgt, umfassen. Bei einem Beispiel kann das immobilisierte Selen Selen umfassen, das eine Geschwindigkeitskonstante (bei 50 °C) von ≤ 1×10-10, ≤ 5×10-11, ≤ 1×10-11, ≤ 5×10-12 oder ≤ 5×10-13 aufweist.(h) the immobilized selenium can be selenium which comprises a kinetic rate constant that is ≤ 1: 5, ≤ 1:10, ≤ 1:50, ≤ 1: 100, ≤ 1: 500 or ≤ 1: 1000 of the rate constant for non- immobilized / conventional selenium. In one example, the immobilized selenium may comprise selenium which has a rate constant (at 50 ° C.) of 1 × 10 -10 , 5 × 10 -11 , 1 × 10 -11 , 5 × 10 -12 or 5 × 10 -13 .
Mit dem Kohlenstoff und/oder Selen des immobilisierten Selens unter Kompression, können die D-Bande und/oder die G-Bande des Raman-Spektrums für die Sp2-C-C-Bindungen des Kohlenstoffs (oder Kohlenstoffgerüsts, das von dem Kohlenstoff definiert wird) des immobilisierten Selens eine (positive) Rotverschiebung darlegen, zum Beispiel um ≥ 1 cm-1, ≥ 2 cm-1, ≥ 3 cm-1, ≥ 4 cm-1 oder ≥ 5 cm-1 von einem Kohlenstoff-Ausgangsmaterial.With the carbon and / or selenium of the immobilized selenium under compression, the D band and / or the G band of the Raman spectrum for the Sp 2 -CC bonds of the carbon (or carbon skeleton defined by the carbon) of the immobilized selenium demonstrate a (positive) red shift, for example by ≥ 1 cm -1 , ≥ 2 cm -1 , ≥ 3 cm -1 , ≥ 4 cm -1 or ≥ 5 cm -1 from a carbon starting material.
Mit dem Kohlenstoff und/oder Selen des immobilisierten Selens unter Kompression, kann das Selen eine (positive) Rotverschiebung von dem Raman-Peak des reinen Selens (235 cm-1) aufweisen, zum Beispiel um ≥ 4cm-1, ≥ 6 cm-1, ≥ 8 cm-1, ≥ 10 cm-1, ≥ 12 cm-1, ≥ 14 cm-1 oder ≥ 16 cm-1, wobei die Rotverschiebung Kompression auf den Selenteilchen nahelegen kann.With the carbon and / or selenium of the immobilized selenium under compression, the selenium can have a (positive) red shift from the Raman peak of pure selenium (235 cm -1 ), for example by ≥ 4 cm -1 , ≥ 6 cm -1 , ≥ 8 cm -1 , ≥ 10 cm -1 , ≥ 12 cm -1 , ≥ 14 cm -1 or ≥ 16 cm -1 , whereby the redshift may suggest compression on the selenium particles.
Das immobilisierte Selen kann eine elementare Form von Selen und/oder ein Selengemisch sein.The immobilized selenium can be an elemental form of selenium and / or a selenium mixture.
Das immobilisierte Selen, das Selen und Kohlenstoff umfasst, kann auch mit einem oder mehreren zusätzlichen Elementen aus der Gruppe
Das immobilisierte Selen kann ≥ 5 % Selen, ≥ 10 % Selen, ≥ 20 % Selen, ≥ 30 % Selen, ≥ 40 % Selen, ≥ 50 % Selen, ≥ 60 % Selen, oder ≥ 70 % oder einen höheren Prozentsatz an Selen beinhalten.The immobilized selenium can contain ≥ 5% selenium, ≥ 10% selenium, ≥ 20% selenium, ≥ 30% selenium, ≥ 40% selenium, ≥ 50% selenium, ≥ 60% selenium, or ≥ 70% or a higher percentage of selenium .
Das immobilisierte Selen kann optional ein anderes Element beinhalten, wie zum Beispiel Schwefel, Tellur usw.The immobilized selenium may optionally include another element such as sulfur, tellurium, etc.
Das immobilisierte Selen kann Raman-inaktiv oder Raman-aktiv sein. Falls es Raman-aktiv ist, kann das immobilisierte Selen eine relative Raman-Peak-Stärke bei 255±25 cm-1, bei 255±15 cm-1 oder bei 255±10 cm-1 aufweisen.The immobilized selenium can be Raman-inactive or Raman-active. If it is Raman-active, the immobilized selenium can have a relative Raman peak strength at 255 ± 25 cm -1 , at 255 ± 15 cm -1 or at 255 ± 10 cm -1 .
Das immobilisierte Selen kann Selen umfassen, das eine relative Raman-Peak-Stärke von ≥ 0,1 %, ≥ 0,5 %, ≥ 1 %, ≥ 3 % oder ≥ 5 % aufweist, wobei hierin die relative Raman-Peak-Stärke als die Fläche des Raman-Peaks bei 255 cm-1 bezüglich der Fläche des D-Bande-Peaks des Kohlenstoff-Raman-Spektrums definiert ist.The immobilized selenium can comprise selenium which has a relative Raman peak strength of 0.1%, 0.5%, 1%, 3% or 5%, here being the relative Raman peak strength is defined as the area of the Raman peak at 255 cm -1 with respect to the area of the D band peak of the carbon Raman spectrum.
Das Kohlenstoff, das das immobilisierte Selen umfasst, kann als ein Kohlenstoffgerüst für Selen-Immobilisation verwendet werden. Das Kohlenstoffgerüst kann Sp2-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen mit einer Raman-D-Bande bei 1365 + 100 cm-1 und G-Bande bei 1589 ± 100 cm-1; eine D-Bande bei 1365 + 70 cm-1 und eine G-Bande bei 1589 ± 70 cm-1; eine D-Bande bei 1365 ± 50 cm-1 und eine G-Bande bei 1589 ± 50 cm-1; eine D-Bande bei 1365 ± 30 cm-1 und eine G-Bande bei 1589 ± 30 cm-1; oder eine D-Bande bei 1365 + 20 cm-1 und eine G-Bande bei 1589 + 20 cm-1 liegend aufweisen.The carbon comprising the immobilized selenium can be used as a carbon skeleton for selenium immobilization. The carbon backbone can contain Sp 2 carbon-carbon bonds with a Raman D band at 1365 + 100 cm -1 and G band at 1589 ± 100 cm -1 ; a D band at 1365 + 70 cm -1 and a G band at 1589 ± 70 cm -1 ; a D band at 1365 ± 50 cm -1 and a G band at 1589 ± 50 cm -1 ; a D band at 1365 ± 30 cm -1 and a G band at 1589 ± 30 cm -1 ; or have a D band at 1365 + 20 cm -1 and a G band at 1589 + 20 cm -1 .
Der Kohlenstoff des immobilisierten Selens kann Sp2-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen beinhalten, die Raman-Peaks aufweisen, die eine D-Bande und eine G-Bande umfassen. Ein Verhältnis der Fläche der D-Bande zu dem G-Bande kann von 0,01 bis 100 von 0,1 bis 50 oder von 0,2 und 20 reichen.The carbon of the immobilized selenium may include Sp 2 carbon-carbon bonds that have Raman peaks including a D band and a G band. A ratio of the area of the D band to the G band can range from 0.01 to 100, from 0.1 to 50, or from 0.2 to 20.
Der Kohlenstoff des immobilisierten Selens kann Sp2-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen beinhalten, die Raman-Peaks aufweisen, die eine D-Bande und eine G-Bande umfassen. Jede der D-Bande und der G-Bande kann eine Verschiebung zu einer höheren Wellenzahl ≥ 1 cm-1, ≥ 2 cm-1 oder mehr aufweisen.The carbon of the immobilized selenium may include Sp 2 carbon-carbon bonds that have Raman peaks including a D band and a G band. Each of the D band and the G band may have a shift to a higher wavenumber ≥ 1 cm -1 , ≥ 2 cm -1 or more.
Der Kohlenstoff des immobilisierten Selens kann mit einem oder mehreren anderen Elementen der Tabelle des periodischen Systems dotiert werden.The carbon of the immobilized selenium can be doped with one or more other elements of the table of the periodic table.
Der Kohlenstoff des immobilisierten Selens kann porös sein. Die Porengrößenverteilung des Kohlenstoffgerüsts kann zwischen einem Ångström und einigen Mikrometern liegen. Die Porengrößenverteilung kann mindestens einen Peak aufweisen, der sich zwischen einem Ångström und 1000 Ångström, zwischen einem Ångström und 100 Ångström, zwischen einem Ångström und 50 Ångström, zwischen einem Ångström und 30 Ångström oder zwischen einem Ångström und 20 Ångström befindet. Die Porosität des Kohlenstoffgerüsts kann Porengrößenverteilungen mit mehr als einem Peak in den obenstehenden Bereichen aufweisen.The carbon of the immobilized selenium can be porous. The pore size distribution of the carbon skeleton can be between one Angstrom and a few micrometers. The pore size distribution may have at least one peak located between one Angstrom and 1000 Angstroms, between one Angstrom and 100 Angstroms, between one Angstrom and 50 Angstroms, between one Angstrom and 30 Angstroms or between one Angstrom and 20 Angstroms. The porosity of the carbon skeleton can have pore size distributions with more than one peak in the above ranges.
Der Kohlenstoff des immobilisierten Selens kann ein Porenvolumen zwischen 0,01 ml/g und 5 ml/g; zwischen 0,01 ml/g und 3 ml/g; zwischen 0,03 ml/g und 2,5 ml/g; oder zwischen 0,05 ml/g und 2,0 ml/g beinhalten.The carbon of the immobilized selenium can have a pore volume between 0.01 ml / g and 5 ml / g; between 0.01 ml / g and 3 ml / g; between 0.03 ml / g and 2.5 ml / g; or between 0.05 ml / g and 2.0 ml / g.
Der Kohlenstoff des immobilisierten Selens kann ein Porenvolumen (das eine Porengröße < 100 Ångström, < 50 Ångström, < 30 Ångström oder < 20 Ångström aufweist) beinhalten, das > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 % oder > 80 % des gesamten messbaren Porenvolumens ausmacht.The carbon of the immobilized selenium can have a pore volume (which has a pore size <100 Angstroms, <50 Angstroms, <30 Angstroms or <20 Angstroms) that is> 30%,> 40%,> 50%,> 60%,> 70 % or> 80% of the total measurable pore volume.
Der Kohlenstoff des immobilisierten Selens kann eine Oberfläche > 400 m2/g, > 500 m2/g, > 600 m2/g, > 700 m2/g, > 800 m2/g, > 900 m2/g oder > 1000 m2/g beinhalten.The carbon of the immobilized selenium can have a surface area> 400 m 2 / g,> 500 m 2 / g,> 600 m 2 / g,> 700 m 2 / g,> 800 m 2 / g,> 900 m 2 / g or > 1000 m 2 / g.
Der Kohlenstoff des immobilisierten Selens kann amorph sein und kann einen breiten Peak aufweisen, der an einem d-Abstand um 5,2 Ångström zentriert ist.The carbon of the immobilized selenium can be amorphous and can have a broad peak centered at a d-spacing around 5.2 angstroms.
Der Kohlenstoff des immobilisierten Selens kann eine beliebige Morphologie aufweisen, nämlich Plättchen, Kugel, Faser, Nadel, Röhre, unregelmäßig, zusammenhängend, agglomeriert, einzeln oder beliebige Feststoffpartikel. Plättchen, Faser, Nadel, Röhre oder eine Morphologie, die ein bestimmtes Seitenverhältnis aufweist, kann zum Erzielen eines besseren Kontakts zwischen Teilchen günstig sein, was in verbesserter elektrischer Leitfähigkeit (gegenüber immobilisiertem Selen, das aus einem unterschiedlichen Seitenverhältnis hergestellt ist) resultiert, was für eine elektrochemische Zelle, wie eine wiederaufladbare Batterie, günstig sein kann.The carbon of the immobilized selenium can have any desired morphology, namely platelets, spheres, fibers, needles, tubes, irregular, contiguous, agglomerated, single or any solid particles. Platelet, fiber, needle, tube, or a morphology that has a certain aspect ratio may be beneficial for achieving better contact between particles, resulting in improved electrical conductivity (versus immobilized selenium made from a different aspect ratio), which for an electrochemical cell, such as a rechargeable battery, can be inexpensive.
Der Kohlenstoff des immobilisierten Selens kann eine beliebige Teilchengröße aufweisen, mit einer mittleren Teilchengröße zwischen 1 und 9 Nanometer und 2 Millimeter, zwischen 1 und 9 Nanometer bis < 1000 Mikrometer oder zwischen 20 Nanometer und 100 Mikrometer.The carbon of the immobilized selenium can have any particle size, with an average particle size between 1 and 9 nanometers and 2 millimeters, between 1 and 9 nanometers to <1000 micrometers or between 20 nanometers and 100 micrometers.
Das Selen des immobilisierten Selens kann amorph sein, wie zum Beispiel durch Röntgen-Beugung bestimmt. Der Beugungs-Peak des Selens des immobilisierten Selens, das ein d-Abstand um 5,2 Ängström aufweisen kann, kann schwächer sein als der Beugungs-Peak für das Kohlenstoffgerüst, zum Beispiel 10 % schwächer, 20 % schwächer, 30 % schwächer oder 40 % schwächer.The selenium of the immobilized selenium can be amorphous, as determined, for example, by X-ray diffraction. The diffraction peak of the selenium of the immobilized selenium, which can have ad-spacing around 5.2 angstroms, can be weaker than the diffraction peak for the carbon skeleton, for example 10% weaker, 20% weaker, 30% weaker or 40% % weaker.
Bei einem Beispiel kann das Verfahren zum Herstellen des immobilisierten Selens beinhalten:In one example, the method of making the immobilized selenium can include:
(a) physisches Mischen von Kohlenstoff und Selen. Das physische Mischen kann durch (trockenes oder nasses) Kugelmühlenmahlen, (trockenes oder nasses) Mischen mit Mörser und Mörserstößel, Strahlmühlenmahlen, horizontales Mahlen, Attritionsmahlen, Mischen mit hoher Scherwirkung in Schlämme, herkömmliches Schlamm-Mischen mit einer Klinge usw. erfolgen.(a) physically mixing carbon and selenium. The physical mixing can be done by ball milling (dry or wet), mortar and pestle (dry or wet) mixing, jet milling, horizontal milling, attrition milling, high shear mixing into slurries, conventional slurry mixing with a blade, etc.
(b) das physisch gemischte Kohlenstoff und Selen des Schritts (a) können bis zu der Schmelztemperatur des Selens oder darüber erhitzt werden. Das Erhitzen des Gemischs aus Kohlenstoff und Selen kann bei Anwesenheit einer Inertgasumgebung erfolgen, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, Argon, Helium, Stickstoff usw. oder in einer Luft- oder reaktiven Umgebung.(b) The physically mixed carbon and selenium of step (a) can be heated to or above the melting temperature of the selenium. The heating of the mixture of carbon and selenium can be in the presence of an inert gas environment, such as, but not limited to, argon, helium, nitrogen, etc., or in an air or reactive environment.
(c) optional Homogenisieren oder Vermengen des erhitzten Kohlenstoffs und Selens, um Selen-Immobilisation zu erzielen.(c) optionally homogenizing or blending the heated carbon and selenium to achieve selenium immobilization.
(d) Abkühlen des immobilisierten Selens des Schritts (c) auf Umgebungs- oder Raumtemperatur.(d) cooling the immobilized selenium of step (c) to ambient or room temperature.
Bei einem anderen Beispiel kann das immobilisierte Selen durch Lösen von Selen auf Kohlenstoff gefolgt von Verdampfen vorbereitet werden. Das Lösemittel zum Lösen von Selen kann ein Alkohol, ein Ether, ein Ester, ein Keton, ein Kohlenwasserstoff, ein halogenierter Kohlenwasserstoff, ein stickstoffhaltiges Kompositmaterial, ein phosphorhaltiges Kompositmaterial, ein schwefelhaltiges Kompositmaterial, Wasser usw. sein.In another example, the immobilized selenium can be prepared by dissolving selenium on carbon followed by evaporation. The solvent for dissolving selenium may be an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing composite material, a phosphorus-containing composite material, a sulfur-containing composite material, water, and so on.
Bei einem anderen Beispiel kann das immobilisierte Selen durch Schmelzen von Selen auf Kohlenstoff, gefolgt von Entfernen von Extra- oder überschüssigem nicht-immobilisierten Selen zubereitet werden.In another example, the immobilized selenium can be prepared by melting selenium on carbon followed by removing extra or excess non-immobilized selenium.
Bei einem Beispiel kann das Verfahren zum Herstellen des immobilisierten Selens beinhalten:In one example, the method of making the immobilized selenium can include:
(a) Vermischen von Selen und Kohlenstoff unter trockenen oder nassen Bedingungen;(a) mixing selenium and carbon under dry or wet conditions;
(b) optional Trocknen des Gemischs des Schritts (a) bei einer hohen Temperatur;(b) optionally drying the mixture of step (a) at a high temperature;
(c) optional Pelletieren des getrockneten Gemischs des Schritts (b);(c) optionally pelletizing the dried mixture of step (b);
(d) Schmelzen des Selens in den Kohlenstoff, um das immobilisierte Selen zu erzeugen.(d) melting the selenium into the carbon to produce the immobilized selenium.
Immobilisiertes Selen kann als ein Kathodenmaterial für eine wiederaufladbare Batterie verwendet werden. Die Kathode kann einen anorganischen oder einen organischen Binder beinhalten. Der anorganische Binder kann aus einem natürlichen Produkt bestehen, wie zum Beispiel aus CMC, oder aus einem synthetischen Produkt, zum Beispiel aus einem SBR-Kautschuk-Latex. Die Kathode kann einen optionalen Promotor elektrischer Leitfähigkeit beinhalten, wie zum Beispiel von Graphit abstammende Teilchen, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoblätter, Carbon Blacks usw. Schließlich kann die Kathode einen Ladungskollektor beinhalten, wie zum Beispiel eine Aluminiumfolie, eine Kupferfolie, eine Kohlenstofffolie, ein Kohlenstoffgewebe oder andere metallische Folie.Immobilized selenium can be used as a cathode material for a rechargeable battery. The cathode can contain an inorganic or an organic binder. The inorganic binder can consist of a natural product, such as, for example, CMC, or of a synthetic product, for example, an SBR rubber latex. The cathode can include an optional promoter of electrical conductivity, such as particles derived from graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon nanosheets, carbon blacks, etc. Finally, the cathode can include a charge collector, such as an aluminum foil, a copper foil, a carbon foil, a carbon cloth or other metallic foil.
Das Verfahren zum Herstellen der Kathode kann das Beschichten eines immobilisierten selenhaltigen Schlamm auf den Ladungskollektor, gefolgt von Trocknen des Schlamm, der auf den Ladungskollektor aufgetragen wurde (zum Beispiel Lufttrocknen, Ofentrocknen, Vakuumofentrocknen usw.), beinhalten. Das immobilisierte Selen kann in den Schlamm dispergiert werden, der durch einen Mixer mit hoher Scherwirkung, einen herkömmlichen Mixer, einen Planetenmixer, einen Doppelplanetenmixer, eine Kugelmühle, einen vertikalen Attritor, eine horizontale Mühle usw. vorbereitet werden kann. Der Schlamm kann auf den Ladungskollektor gefolgt von Trocknen in Luft oder in Vakuum aufgetragen werden. Die beschichtete Kathode kann dann vor ihrer Verwendung in einer wiederaufladbaren Batterie verpresst oder walzgemahlen (oder kalandriert) werden.The method of making the cathode may include coating an immobilized selenium-containing slurry on the charge collector, followed by drying the slurry that has been applied to the charge collector (e.g., air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). The immobilized selenium can be dispersed in the slurry, which can be prepared by a high shear mixer, a conventional mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical attritor, a horizontal mill, and so on. The sludge can fall on the charge collector followed by drying in air or in vacuum. The coated cathode can then be pressed or roll milled (or calendered) prior to use in a rechargeable battery.
Eine wiederaufladbare Batterie kann durch Verwenden des immobilisierten Selens, das hierin beschrieben ist, hergestellt werden. Die wiederaufladbare Batterie kann eine Kathode beinhalten, die das immobilisierte Selen umfasst, eine Anode und einen Separator, der die Anode und die Kathode trennt. Die Anode, die Kathode und der Separator können in einen Elektrolyt, wie zum Beispiel in LiPF6, getaucht werden. Die Anode kann aus Lithium, Natrium, Silizium, Graphit, Magnesium, Zinn usw. bestehen.A rechargeable battery can be manufactured by using the immobilized selenium described herein. The rechargeable battery may include a cathode comprising the immobilized selenium, an anode, and a separator that separates the anode and the cathode. The anode, the cathode and the separator can be immersed in an electrolyte such as LiPF 6 . The anode can be made of lithium, sodium, silicon, graphite, magnesium, tin, etc.
Der Separator kann aus einem organischen Separator, einem anorganischen Separator oder einem Festelektrolytseparator bestehen. Der organische Separator kann ein Polymer umfassen, wie zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen, Polyester, ein halogeniertes Polymer, ein Polyether, ein Polyketon usw. Der anorganische Separator kann eine Glas- oder Quarzfaser oder einen Festelektrolytseparator umfassen.The separator can consist of an organic separator, an inorganic separator or a solid electrolyte separator. The organic separator can comprise a polymer such as polyethylene, polypropylene, polyester, a halogenated polymer, a polyether, a polyketone, etc. The inorganic separator can comprise a glass or quartz fiber or a solid electrolyte separator.
Der Elektrolyt kann Lithiumsalz, ein Natriumsalz oder ein anderes Salz aus der Gruppe IA, IIA und IIIA in einem organischen Lösemittel umfassen. Das organische Lösemittel kann aus einem organischen Carbonatgemisch, einem Ether, einem Alkohol, einem Ester, einem Kohlenwasserstoff, einem halogenierten Kohlenwasserstoff, einem lithiumhaltigen Lösemittel usw. bestehen.The electrolyte can comprise a lithium salt, a sodium salt or another salt from Group IA, IIA and IIIA in an organic solvent. The organic solvent can consist of an organic carbonate mixture, an ether, an alcohol, an ester, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a lithium-containing solvent, etc.
Die wiederaufladbare Batterie kann für Elektronik, ein elektrisches oder Hybridfahrzeug, eine Industrieanwendung, eine militärische Anwendung, wie eine Drohne, eine Luft-Raumfahrtanwendung, eine Marineanwendung usw. verwendet werden.The rechargeable battery can be used for electronics, an electric or hybrid vehicle, an industrial application, a military application such as a drone, an aerospace application, a marine application, and so on.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine elektrochemische Kapazität von ≥ 400 mAh/g aktiver Selenmenge, ≥ 450 mAh/g aktiver Selenmenge, ≥ 500 mAh/g aktiver Selenmenge, ≥ 550 mAh/g aktiver Selenmenge oder ≥ 600 mAh/g aktiver Selenmenge aufweisen.The rechargeable battery can have an electrochemical capacity of ≥ 400 mAh / g of active amount of selenium, ≥ 450 mAh / g of active amount of selenium, ≥ 500 mAh / g of active amount of selenium, ≥ 550 mAh / g of active amount of selenium or ≥ 600 mAh / g of active amount of selenium.
Die wiederaufladbare Batterie kann elektrochemisches Zyklisieren während ≥ 50 Zyklen, ≥ 75 Zyklen, ≥ 100 Zyklen, ≥ 200 Zyklen usw. erfahren.The rechargeable battery can experience electrochemical cycling for ≥ 50 cycles, ≥ 75 cycles, ≥ 100 cycles, ≥ 200 cycles, and so on.
Die wiederaufladbare Batterie kann mit 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 1,5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C oder schneller geladen und/oder entladen werden.The rechargeable battery can be charged and / or discharged at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine spezifische Kapazität der Batterie > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 % oder > 80 % der 2. spezifischen Entladekapazität bei einer Zyklisierungsrate von 0,1C nach dem Ausführen von Lade-Entlade-Zyklisieren mit hoher C-Rate (zum Beispiel 5 Zyklen mit 0,1C, 5 Zyklen mit 0,2C, 5 Zyklen mit 0,5C, 5 Zyklen mit 1C, 5 Zyklen mit 2C, 5 Zyklen mit 5C und 5 Zyklen mit 10C) behalten.The rechargeable battery can have a specific capacity of the battery> 30%,> 40%,> 50%,> 60%,> 70% or> 80% of the 2nd specific discharge capacity at a cycling rate of 0.1C after charging Discharge cycling at a high C rate (for example 5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles at 1C, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C and 5 cycles at 10C).
Die wiederaufladbare Batterie kann eine coulombsche Effizienz von ≥ 50 %, ≥ 60 %, ≥ 70 %, ≥ 80 % oder ≥ 90 % oder sogar etwa 100 % aufweisen. Die coulombsche Effizienz einer Batterie wird wie folgt definiert:
- Qout die Menge an Ladung ist, die aus der Batterie während eines Entladezyklus austritt.
- Qin die Menge an Ladung ist, die in die Batterie während eines Ladezyklus eintritt.
- Q out is the amount of charge leaked from the battery during a discharge cycle.
- Q in is the amount of charge that enters the battery during a charge cycle.
Die wiederaufladbare Batterie kann mit einer C-Rate von 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 1,5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C oder schneller geladen werden. Eine C-Rate ist ein Maß der Rate, mit der eine Batterie bezüglich ihrer maximalen Kapazität entladen wird. Eine Rate 1C bedeutet zum Beispiel, dass der Entladestrom die gesamte Batterie in 1 Stunde entladen wird. Für eine Batterie mit einer Kapazität von 100 Ah, entspricht das zum Beispiel einem Entladestrom von 100 A. Eine Rate 5C für dieselbe Batterie wäre 500A, und eine Rate 0,5C wäre 50 A.The rechargeable battery can be charged at a C rate of 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster. A C-rate is a measure of the rate at which a battery is discharged from its maximum capacity. For example, a rate of 1C means that the discharge current will discharge the entire battery in 1 hour. For a battery with a capacity of 100 Ah, for example, this corresponds to a discharge current of 100 A. A rate 5C for the same battery would be 500A, and a rate 0.5C would be 50 A.
Die Kathode der wiederaufladbaren Batterie kann ein oder mehrere Elemente einer Chalkogen-Gruppe umfassen, wie Selen, Schwefel, Tellur und Sauerstoff.The cathode of the rechargeable battery can comprise one or more elements of a chalcogen group, such as selenium, sulfur, tellurium and oxygen.
Die Anode der wiederaufladbaren Batterie kann mindestens ein Element aus Alkalimetall, Erdalkalimetallen und Metallen der Gruppe IIIA umfassen.The anode of the rechargeable battery may include at least one of alkali metal, alkaline earth metals, and Group IIIA metals.
Der Separator der wiederaufladbaren Batterie kann einen organischen Separator oder einen anorganischen Separator umfassen.The separator of the rechargeable battery may comprise an organic separator or an inorganic separator.
Der Elektrolyt der wiederaufladbaren Batterie kann mindestens ein Element aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Metallen der Gruppe IIIA umfassen; und ein Lösemittel des Elektrolyts kann ein organisches Lösemittel auf Kohlenstoff-, Ether- oder Ester-Basis umfassen.The electrolyte of the rechargeable battery may include at least one of alkali metals, alkaline earth metals, and Group IIIA metals; and a solvent of the electrolyte may comprise an organic solvent based on carbon, ether, or ester.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine spezifische Kapazität von ≥ 400 mAh/g, ≥ 450 mAh/g, ≥ 500 mAh/g, ≥ 550 mAh/g oder ≥ 600 mAh/g aufweisen.The rechargeable battery can have a specific capacity of ≥ 400 mAh / g, ≥ 450 mAh / g, ≥ 500 mAh / g, ≥ 550 mAh / g or ≥ 600 mAh / g.
Die wiederaufladbare Batterie kann elektrochemisches Zyklisieren während ≥ 50 Zyklen, ≥ 75 Zyklen, ≥ 100 Zyklen, ≥ 200 Zyklen usw. erfahren.The rechargeable battery can experience electrochemical cycling for ≥ 50 cycles, ≥ 75 cycles, ≥ 100 cycles, ≥ 200 cycles, and so on.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine spezifische Kapazität der Batterie > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 % oder > 80 % der 2. spezifischen Entladekapazität bei einer Zyklisierungsrate von 0,1C nach dem Ausführen von Lade-Entlade-Zyklisieren mit hoher C-Rate (5 Zyklen mit 0,1C, 5 Zyklen mit 0,2C, 5 Zyklen mit 0,5C, 5 Zyklen mit 1C, 5 Zyklen mit 2C, 5 Zyklen mit 5C und 5 Zyklen mit 10C) aufweisen.The rechargeable battery can have a specific capacity of the battery> 30%,> 40%,> 50%,> 60%,> 70% or> 80% of the 2nd specific discharge capacity at a cycling rate of 0.1C after charging High C-rate discharge cycling (5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles at 1C, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C and 5 cycles at 10C) exhibit.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine coulombsche Effizienz von ≥ 50 %, ≥ 60 %, ≥ 70 %, ≥ 80 % oder ≥ 90 % aufweisen.The rechargeable battery can have a Coulomb efficiency of ≥ 50%, ≥ 60%, ≥ 70%, ≥ 80% or ≥ 90%.
Hierin ist ein Kompositmaterial, das Selen und Kohlenstoff umfasst, offenbart, wobei das Kompositmaterial eine Plättchenmorphologie mit einem Seitenverhältnis von ≥ 1, ≥ 2, ≥ 5, ≥ 10 oder ≥ 20 aufweisen kann.A composite material comprising selenium and carbon is disclosed therein, wherein the composite material can have a platelet morphology with an aspect ratio of 1, 2, 5, 10 or 20.
Das Selen des immobilisierten Selens kann amorph sein, zum Beispiel wie durch Röntgen-Beugung bestimmt. Der Beugungs-Peak des Selens des immobilisierten Selens, das ein d-Abstandum 5,2 Ängström aufweisen kann, kann schwächer sein als der für ein Kohlenstoffgerüst, zum Beispiel 10 % schwächer, 20 % schwächer, 30 % schwächer oder 40 % schwächer als das Kohlenstoffgerüst.The selenium of the immobilized selenium can be amorphous, for example as determined by X-ray diffraction. The selenium diffraction peak of the immobilized selenium, which may have ad spacing around 5.2 angstroms, may be weaker than that for a carbon skeleton, for example 10% weaker, 20% weaker, 30% weaker, or 40% weaker than that Carbon skeleton.
Bei einem Beispiel kann das Verfahren zum Herstellen des Kompositmaterials beinhalten:In one example, the method of making the composite material may include:
(a) physisches Mischen von Kohlenstoff und Selen. Das physische Mischen kann durch (trockenes oder nasses) Kugelmühlenmahlen, (trockenes oder nasses) Mischen mit Mörser und Mörserstößel, Strahlmühlenmahlen, horizontales Mahlen, Attritionsmahlen, Mischen mit hoher Scherwirkung in Schlämme, herkömmliches Schlamm-Mischen mit einer Klinge usw. erfolgen;(a) physically mixing carbon and selenium. The physical mixing can be done by ball milling (dry or wet), mortar and pestle (dry or wet) mixing, jet milling, horizontal milling, attrition milling, high shear mixing into slurries, conventional slurry mixing with a blade, etc .;
(b) der physisch vermischte Kohlenstoff und Selen des Schritts (a) können auf die Schmelztemperatur von Selen oder höher erhitzt werden, und das Erhitzen kann in Anwesenheit einer Inertgasumgebung auftreten, wie zum Beispiel Argon, Helium, Stickstoff usw., oder in einer Luft- oder reaktiven Umgebung; und(b) the physically mixed carbon and selenium of step (a) can be heated to the melting temperature of selenium or higher, and the heating can occur in the presence of an inert gas environment such as argon, helium, nitrogen, etc., or in air - or reactive environment; and
(c) der erhitzte Kohlenstoff und Selen des Schritts (b) können als eine Unterstützung des Erzielens von Selen-Immobilisation homogenisiert oder vermengt werden.(c) the heated carbon and selenium of step (b) can be homogenized or blended as an aid in achieving selenium immobilization.
Bei einem anderen Beispiel kann das Kompositmaterial durch Lösen von Selen auf Kohlenstoff gefolgt von Verdampfung vorbereitet werden. Das Lösemittel zum Lösen von Selen kann einen Alkohol, einen Ether, einen Ester, ein Keton, einen Kohlenwasserstoff, einen halogenierten Kohlenwasserstoff, ein stickstoffhaltiges Kompositmaterial, ein phosphorhaltiges Kompositmaterial, ein schwefelhaltiges Kompositmaterial, Wasser usw. beinhalten.In another example, the composite material can be prepared by dissolving selenium on carbon followed by evaporation. The solvent for dissolving selenium may include an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing composite material, a phosphorus-containing composite material, a sulfur-containing composite material, water, and so on.
Das Kompositmaterial kann durch Schmelzen des Selens auf (oder in) das Kohlenstoff, gefolgt von Entfernen von Extra- oder überschüssigem nicht immobilisiertem Selen vorbereitet werden.The composite material can be prepared by melting the selenium on (or in) the carbon, followed by removal of extra or excess non-immobilized selenium.
Bei einem Beispiel kann ein Verfahren zum Herstellen des Kompositmaterials beinhalten:In one example, a method of making the composite material may include:
(a) Vermischen von Selen und Kohlenstoff unter trockenen oder nassen Bedingungen;(a) mixing selenium and carbon under dry or wet conditions;
(b) optional Trocknen des Gemischs des Schritts (a) bei einer hohen Temperatur;(b) optionally drying the mixture of step (a) at a high temperature;
(c) optional Pelletieren des getrockneten Gemischs des Schritts (b);(c) optionally pelletizing the dried mixture of step (b);
(d) Schmelzen des Selens in das Kohlenstoff, um das immobilisierte Selen zu erzeugen.(d) melting the selenium into the carbon to produce the immobilized selenium.
Das Kompositmaterial kann als ein Kathodenmaterial für eine Kathode einer wiederaufladbaren Batterie verwendet werden. Die Kathode kann einen anorganischen oder einen organischen Binder beinhalten. Der anorganische Binder kann ein natürliches Produkt sein, wie zum Beispiel CMC, oder ein synthetisches Produkt, zum Beispiel SBR-Kautschuk-Latex. Die Kathode kann einen optionalen Promotor elektrischer Leitfähigkeit beinhalten, wie zum Beispiel von Graphit abstammende kleine Teilchen, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoblätter, Carbon Blacks usw. Schließlich kann die Kathode einen Stromladungskollektor beinhalten, wie zum Beispiel eine Aluminiumfolie, eine Kupferfolie, eine Kohlenstofffolie, ein Kohlenstoffgewebe oder andere metallische Folie.The composite material can be used as a cathode material for a cathode of a rechargeable battery. The cathode can contain an inorganic or an organic binder. The inorganic binder can be a natural product such as CMC, or a synthetic product such as SBR rubber latex. The cathode can include an optional promoter of electrical conductivity, such as small particles derived from graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon nanosheets, carbon blacks, etc. Finally, the cathode can include a current charge collector, such as aluminum foil, copper foil, carbon foil, a Carbon fabric or other metallic foil.
Das Verfahren zum Herstellen der Kathode kann das Beschichten eines immobilisierten selenhaltigen Schlamm auf den Ladungskollektor gefolgt von Trocknen des Schlamm, der auf den Ladungskollektor aufgetragen wurde (zum Beispiel Lufttrocknen, Ofentrocknen, Vakuumofentrocknen usw.) beinhalten. Das immobilisierte Selen kann in den Schlamm dispergiert werden, der durch einen Mixer mit hoher Scherwirkung, einen herkömmlichen Mixer, einen Planetenmixer, einen Doppelplanetenmixer, eine Kugelmühle, einen vertikalen Attritor, eine horizontale Mühle usw. vorbereitet werden kann. Der Schlamm kann auf den Ladungskollektor gefolgt von Trocknen in Raumluft oder in einem Vakuum aufgetragen werden. Die beschichtete Kathode kann dann vor ihrer Verwendung in einer wiederaufladbaren Batterie verpresst oder walzgemahlen (oder kalandriert) werden.The method of making the cathode may involve coating an immobilized selenium-containing slurry on the charge collector followed by drying the slurry that has been applied to the charge collector (e.g., air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). The immobilized selenium can be dispersed in the slurry, which can be prepared by a high shear mixer, a conventional mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical attritor, a horizontal mill, and so on. The slurry can be applied to the charge collector followed by drying in room air or in a vacuum. The coated cathode can then be pressed or roll milled (or calendered) prior to use in a rechargeable battery.
Eine wiederaufladbare Batterie kann durch Verwenden des oben beschriebenen Kompositmaterials hergestellt werden. Die wiederaufladbare Batterie kann mit 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 1,5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C oder schneller geladen werden.A rechargeable battery can be manufactured by using the composite material described above. The rechargeable battery can be charged at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster.
Beispiel 13: Vorbereitung des immobilisierten Selens, das mit Schwefel dotiert ist, Elektrode und Batterien davonExample 13: Preparation of the immobilized selenium doped with sulfur, electrode and batteries thereof
In Übereinstimmung mit den Konzepten und Vorgehensweisen, die in Beispiel 10 beschrieben sind, wurden 5 atomare % (at%) Selen, 20 at% Selen, 35 at% Selen und 50 at% Selen separat durch Schwefel in der Synthese des immobilisierten, mit Schwefel dotierten Selens, das in der folgenden Tabelle 4 ausführlich dargelegt ist, ersetzt. Proben des mit Schwefel dotierten immobilisierten Selens wurden mit dem Kohlenstoffgerüst, das in Übereinstimmung mit den Konzepten und Vorgehensweisen, die in Beispiel 9 beschrieben sind, vorbereitet wurde, synthetisiert.
Tabelle 4
Die derart vorbereiteten Proben immobilisierten schwefeldotierten Selens wurden dann verwendet, um eine Anzahl von Kathoden
Die derart vorbereiteten Kathoden, die immobilisiertes schwefeldotiertes Selen umfassen, wurden bei diesem Beispiel dann verwendet, um Knopfzellenbatterien in Übereinstimmung mit den Konzepten und Vorgehensweisen, die in Beispiel 12 beschrieben sind, vorzubereiten.The cathodes so prepared, comprising immobilized sulfur-doped selenium, were then used in this example to prepare button cell batteries in accordance with the concepts and procedures described in Example 12.
Die zusammengefügten Knopfzellenbatterien wurden bei diesem Beispiel dann in dem Batterietestgerät, das in Beispiel 12 beschrieben ist, unter Befolgen derselben Testprotokolle, die auch in Beispiel 12 beschrieben sind, bei 0,1C und 1C Lade- und Entlade-Zyklisierungsraten getestet.The assembled coin cell batteries in this example were then tested in the battery tester described in Example 12 following the same test protocols described in Example 12 at 0.1C and 1C charge and discharge cycling rates.
Die elektrochemischen Zyklisierungsresultate bei 0,1C für Knopfzellenbatterien, die eine Kathode beinhalten, die aus der Selenkathode aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen besteht, die mit einer immobilisiertem schwefeldotiertem Selenprobe (Se50S50 in Table 4) hergestellt ist, sind in
Falls davon ausgegangen wird, dass Selen eine stöchiometrische spezifische Kapazität von 675 mAh/g bei der 0,1C-Zyklisierungsrate aufweist, würde die schwefelspezifische Kapazität als etwa 1.178 mAh/g betragend angenommen (was für Schwefel als gut betrachtet wird). Die coulombsche Effizienz von ≥ 95 %, ≥ 98 % oder sogar 100 % gibt an, dass keine erkennbare Menge an Schwefel zwischen Kathode und Anode pendelt. Schwefelspezies in der Batterie mit immobilisiertem schwefeldotiertem Selen funktionieren in einem Elektrolyt, der Carbonat umfasst, gut. Typischerweise wird von Schwefel nicht erwartet, dass er in einer Li-S-Batterie, die Carbonat als einen Elektrolyt aufweist, gut funktioniert; eine herkömmliche Li-S-Batterie verwendet typischerweise einen Elektrolyt, der auf Ether basiert. Auf Carbonat basierender Elektrolyt wird typischerweise in derzeitigen Lithium-Ion-Batterien verwendet. Auf Carbonat basierender Elektrolyt ist wirtschaftlicher und auf dem Markt viel einfacher verfügbar als Elektrolyt auf Etherbasis.If selenium is assumed to have a stoichiometric specific capacity of 675 mAh / g at the 0.1C cycling rate, the sulfur specific capacity would be assumed to be around 1,178 mAh / g (which is considered good for sulfur). The Coulomb efficiency of ≥ 95%, ≥ 98% or even 100% indicates that there is no discernible amount of sulfur oscillating between the cathode and anode. Sulfur species in the battery with immobilized sulfur-doped selenium work well in an electrolyte that includes carbonate. Typically, sulfur is not expected to work well in a Li-S battery that has carbonate as an electrolyte; a conventional Li-S battery typically uses an electrolyte based on ether. Carbonate-based electrolyte is typically used in current lithium-ion batteries. Carbonate-based electrolyte is more economical and much more readily available on the market than ether-based electrolyte.
Die elektrochemischen Zyklisierungsresultate bei der 1C-Zyklisierungsrate für Knopfzellenbatterien, die eine Kathode beinhalten, die aus der Selenkathode aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen besteht, die mit einer immobilisiertem schwefeldotiertem Selenprobe (Se50S50 in Table 4) hergestellt ist, sind in
Falls davon ausgegangen wird, dass Selen eine spezifische Kapazität von 625 mAh/g bei der 1C-Zyklisierungsrate aufweist, würde die schwefelspezifische Kapazität als etwa 966 mAh/g betragend angenommen (was auch unerwartet ist). Schwefel ist ein Isolator und weist eine sehr niedrige elektrische Leitfähigkeit auf. Typischerweise kann eine Li-S-Batterie mit einer schnellen Zyklisierungsrate, wie einer IC-Rate, nicht gut zyklisieren.If selenium is assumed to have a specific capacity of 625 mAh / g at the 1C cycling rate, the sulfur specific capacity would be assumed to be around 966 mAh / g (which is also unexpected). Sulfur is an insulator and has a very low electrical conductivity. Typically, a Li-S battery cannot cycle well at a fast cycling rate such as an IC rate.
Wie man sieht, überwindet, wenn immobilisiertes schwefeldotiertes Selen als ein Kathodenmaterial in einer wiederaufladbaren Batterie verwendet wird, es zwei grundlegende Probleme in Zusammenhang mit Li-S-Batterien, nämlich Pendeleffekt und niedrige Zyklisierungsrate. Wenn diese zwei Probleme gelöst sind, kann eine Batterie, die eine Kathode beinhaltet, die aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen besteht, eine hohe Energiedichte und hohe Leistungsdichte bei realen Anwendungen aufweisen.As can be seen, when immobilized sulfur-doped selenium is used as a cathode material in a rechargeable battery, it overcomes two fundamental problems associated with Li-S batteries, namely pendulum effect and low cycling rate. When these two problems are solved, a battery including a cathode made of immobilized sulfur-doped selenium can have high energy density and high power density in real applications.
Wie man in einem Beispiel sieht, kann ein System mit immobilisiertem schwefeldotiertem Selen oder eine solche Masse durch das Verfahren gebildet werden, das umfasst: (a) Vermischen von Selen, Kohlenstoff und Schwefel, um ein Selen-Kohlenstoff-Schwefelgemisch zu bilden; (b) Erhitzen des Gemischs des Schritts (a) auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur von Selen; und (c) Veranlassen, dass das erhitzte Gemisch des Schritts (b) auf Umgebungs- oder Raumtemperatur abkühlt, wodurch die Masse aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen gebildet wird.As seen in one example, an immobilized sulfur-doped selenium system or mass can be formed by the process comprising: (a) mixing selenium, carbon and sulfur to form a selenium-carbon-sulfur mixture; (b) heating the mixture of step (a) to a temperature above the melting temperature of selenium; and (c) causing the heated mixture of step (b) to cool to ambient or room temperature, thereby forming the mass of immobilized sulfur-doped selenium.
Die Masse des immobilisierten schwefeldotierten Selens des Schritts (c) kann Selen und Schwefel in einem Kohlenstoffgerüst umfassen.The bulk of the immobilized sulfur-doped selenium of step (c) can comprise selenium and sulfur in a carbon skeleton.
Schritt (a) kann unter einer trockenen oder einer nassen Bedingung erfolgen.Step (a) can be done under a dry or a wet condition.
Schritt (b) kann das Homogenisieren oder Vermengen des Gemischs beinhalten.Step (b) can involve homogenizing or blending the mixture.
Schritt (a) kann das Bilden des Selen-Kohlenstoff-Schwefel-Gemischs in einer Masse beinhalten. Schritt (b) kann das Erhitzen der Masse auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur von Selen beinhalten. Schritt (c) kann beinhalten, dass die Masse veranlasst wird oder dass es der Masse erlaubt wird, auf Umgebungs- oder Raumtemperatur abzukühlen.Step (a) can include forming the selenium-carbon-sulfur mixture in a bulk. Step (b) can include heating the mass to a temperature above the melting temperature of selenium. Step (c) may include causing the mass or allowing the mass to cool to ambient or room temperature.
Schritt (b) kann das Erhitzen des Gemischs während einer ausreichenden Zeit, damit Selen und Kohlenstoff und Schwefel vollständig oder teilweise reagieren, beinhalten.Step (b) may involve heating the mixture for a time sufficient for selenium and carbon and sulfur to react fully or partially.
Bei einem anderen Beispiel kann ein Verfahren zum Herstellen eines Systems oder einer Masse aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen beinhalten: (a) Bilden eines Kohlenstoffgerüsts; und (b) Schmelzen von Selen und Schwefel in das Kohlenstoffgerüst.In another example, a method of making a system or mass of immobilized sulfur-doped selenium may include: (a) forming a carbon backbone; and (b) melting selenium and sulfur into the carbon framework.
Bei einem anderen Beispiel kann ein Verfahren zum Bilden eines Systems oder einer Masse aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen beinhalten: (a) Vermischen von Selen und Kohlenstoff und Schwefel; und (b), im Anschluss an Schritt (a), Veranlassen, dass sich Selen und Schwefel auf dem Kohlenstoff lösen und dadurch das System oder die Masse aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen bilden.In another example, a method of forming a system or mass of immobilized sulfur-doped selenium may include: (a) mixing selenium and carbon and sulfur; and (b), following step (a), causing selenium and sulfur to dissolve on the carbon, thereby forming the system or mass of immobilized sulfur-doped selenium.
Ein Lösemittel zum Lösen des Selens und des Schwefels kann ein Alkohol, ein Ether, ein Ester, ein Keton, ein Kohlenwasserstoff, ein halogenierter Kohlenwasserstoff, ein stickstoffhaltiges Kompositmaterial, ein phosphorhaltiges Kompositmaterial, ein schwefelhaltiges Kompositmaterial oder Wasser sein. Das Lösemittel kann zu einem oder mehreren des Selens, des Schwefels oder des Kohlenstoffs vor dem Schritt (a), während des Schritts (a) oder während des Schritts (b) hinzugefügt werden.A solvent for dissolving the selenium and the sulfur can be an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing composite material, a phosphorus-containing composite material, a sulfur-containing composite material or water. The solvent can be added to one or more of the selenium, sulfur or carbon before step (a), during step (a), or during step (b).
Das Verfahren kann ferner (c) das Entfernen überschüssigen nicht immobilisierten Selens, nicht immobilisierten Schwefels oder beider aus dem System oder der Masse aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen beinhalten.The method may further include (c) removing excess non-immobilized selenium, non-immobilized sulfur, or both from the system or bulk of immobilized sulfur-doped selenium.
Es wird auch eine wiederaufladbare Batterie offenbart, die umfasst: eine Kathode, die aus immobilisiertem schwefeldotiertem Selen besteht, das auf einem elektrisch leitenden Substrat aufgebracht ist; einen Separator, der in direktem Kontakt mit dem elektrisch leitenden Substrat und in Kontakt mit dem immobilisierten schwefeldotierten Selen angeordnet ist, und eine Anode, die von der Kathode durch den Separator beabstandet ist.There is also disclosed a rechargeable battery comprising: a cathode comprised of immobilized sulfur-doped selenium deposited on an electrically conductive substrate; a separator disposed in direct contact with the electrically conductive substrate and in contact with the immobilized sulfur-doped selenium, and an anode spaced from the cathode by the separator.
Die wiederaufladbare Batterie kann ferner die Anode, die von dem Separator durch Lithium beabstandet ist, beinhalten. Bei einem Beispiel kann das Lithium die Form einer Lithiumfolie aufweisen.The rechargeable battery may further include the anode that is spaced from the separator by lithium. In one example, the lithium can be in the form of a lithium foil.
Die wiederaufladbare Batterie kann ferner die Kathode, den Separator, die Anode und das Lithium in einen Elektrolyt eingetaucht beinhalten.The rechargeable battery may further include the cathode, the separator, the anode, and the lithium immersed in an electrolyte.
Bei der wiederaufladbaren Batterie kann das immobilisierte schwefeldotierte Selen ein Selen-Kohlenstoff-Schwefel-Gemisch umfassen, wobei das Selen und der Schwefel in das Kohlenstoffgerüst geschmolzen wurden.In the rechargeable battery, the immobilized sulfur-doped selenium may comprise a selenium-carbon-sulfur mixture, the selenium and the sulfur having been melted into the carbon skeleton.
Bei der wiederaufladbaren Batterie kann der Separator aus einem organischen Material, einem anorganischen Material oder einem Festelektrolyt gebildet werden.In the rechargeable battery, the separator can be formed from an organic material, an inorganic material, or a solid electrolyte.
Die wiederaufladbare Batterie kann eine coulombsche Effizienz von ≥ 95 % aufweisen.The rechargeable battery can have a Coulomb efficiency of ≥ 95%.
Nach dieser Beschreibung eines Verfahrens zum Herstellen eines Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterials werden ein Verfahren zum Herstellen immobilisierten Selens und die Verwendung des immobilisierten Selens zum Beispiel in einer wiederaufladbaren Batterie, ein Verfahren zum Herstellen immobilisierten Selens in einem porösen Kohlenstoff mit der Anwesenheit eines wünschenswerten Niveaus an Sauerstoff-Arten und der Verwendung des immobilisierten Selens in einer wiederaufladbaren Batterie beschrieben.After describing a method for producing a selenium-carbon composite material, a method for producing immobilized selenium and using the immobilized selenium in, for example, a rechargeable battery, a method for producing immobilized selenium in a porous carbon with the presence of a desirable level will be discussed Oxygen types and the use of immobilized selenium in a rechargeable battery are described.
Zu beachten ist, dass Selen eines von Chalkogenen ist, die Schwefel, Selen, Tellur usw. umfassen. Die Beschreibungen in Zusammenhang mit Selen in der vorliegenden Offenbarung gelten gleichermaßen für den Rest von Chalkogenelementen, wie Schwefel und Tellur.It should be noted that selenium is one of the chalcogens that includes sulfur, selenium, tellurium, etc. The descriptions relating to selenium in the present disclosure apply equally to the remainder of chalcogen elements such as sulfur and tellurium.
Bei der vorliegenden Erfindung werden Selenatome oder -moleküle entweder in ihrer oxidiertem Form als ein Element (in einem geladenen Zustand in einer wiederaufladbaren Batterie) oder in ihrer reduzierten Form als Selenid (in einem entladenen Zustand in einer wiederaufladbaren Batterie) oxidiert, Selenatome werden innerhalb der Poren eines porösen Kohlenstoffs positioniert, was elektrochemische Reaktionen einer wiederaufladbaren Batterie zum ordnungsgemäßen Zyklisieren während Entladeprozessen und während Ladeprozessen erlaubt. Während eines Entladeprozesses wird ein elementares Selenatom (neutral, Se) an der Kathode reduziert und gewinnt zwei Elektronen, um ein Selenidanion (Se2-), das typischerweise als ein Salz existiert, Lithiumselenid, Li2Se, und sich immer noch an der Kathode befindet, zu werden. Die chemische Energie des Entladeprozesses wird effektiv in elektrische Energie der wiederaufladbaren Batterie umgewandelt, mit einem Mindestumwandlungsniveau in Wärme aufgrund der Anwesenheit des intrinsischen internen elektrischen Widerstands der Batterie. Während des Ladeprozesses einer wiederaufladbaren Batterie wird elektrische Energie auch effektiv in chemische Energie umgewandelt, weshalb ein Selenidanion in Li2Se-Form an der Kathode oxidiert wird und zwei Elektronen verliert, um ein elementares Selenatom zu bilden, das sich noch immer an der Kathode befindet. Falls Selen nicht in einem porösen Kohlenstoff immobilisiert wird, kann es sich in einer Kathode eine Zwischenprodukt-Selen-Art (typischerweise in einer Polyselenidform Sen2-) während des elektrochemischen Reduktions-/Oxidations-Prozesses (ReDox-Prozesses) bilden und sich in einem flüssigen Elektrolyt des Batteriesystems auflösen. Die aufgelöste Zwischenprodukt-Polyselenid-Art wird dann in dem flüssigen Elektrolyt von der Kathode durch einen Batterieseparator zu einer Anode transportiert, wo sie metallisches Lithium vorfindet, mit den metallischen Lithiumatomen reagiert und ein Salz, das aus Lithium und Selen besteht, auf der Oberfläche der Lithiumanode bildet. Die chemische Energie, die aus den Reaktionen von Lithium und Zwischenprodukt-Selen-Arten auf der Anode erzeugt wird, wird in Wärme an Stelle von elektrischer Energie umgewandelt, was höchst unerwünscht ist. Zusätzlich kann Selensalz, das auf der Anode gebildet wird, dann in ein Polyselenidanion zurückverwandelt werden, sogar teilweise, das dann in dem Elektrolyt der Batterie aufgelöst und zu der Kathode zurücktransportiert wird, wo es zusätzliche elektrische Energie verbraucht, indem es Elektronen erwirbt und zu elementarem Selen zurückverwandelt wird. Die Umwandlung elektrochemischer Energie von Selen in Wärme oder das Verbrauchen zusätzlicher elektrischer Energie sind, sogar falls die wiederaufladbare Batterie zyklisiert werden kann, aufgrund einer unerwünscht niedrigen Zyklisierungseffizienz unerwünscht. Zu bemerken ist, dass eine Batterie mit einer unerwünscht niedrigen Zyklisierungseffizienz oft nicht während einer wünschenswerten Anzahl von Zyklen ordnungsgemäß funktioniert.In the present invention, selenium atoms or molecules are oxidized either in their oxidized form as an element (in a charged state in a rechargeable battery) or in their reduced form as selenide (in a discharged state in a rechargeable battery), selenium atoms are within the Positioned pores of a porous carbon, allowing electrochemical reactions of a rechargeable battery to cycle properly during discharge processes and during charging processes. During a discharge process, an elemental selenium atom (neutral, Se) is reduced at the cathode and gains two electrons to form a selenide anion (Se 2- ), which typically exists as a salt, lithium selenide, Li 2 Se, and is still attached to the cathode located to be. The chemical energy of the discharge process is effectively converted to electrical energy of the rechargeable battery, with a minimum level of conversion to heat due to the presence of the battery's intrinsic internal electrical resistance. During the charging process of a rechargeable battery, electrical energy is also effectively converted into chemical energy, which is why a selenide anion in Li 2 Se form on the cathode is oxidized and loses two electrons to form an elemental selenium atom that is still on the cathode . If selenium is not immobilized in a porous carbon, it can An intermediate selenium species (typically in a polyselenide form Sen 2- ) is formed in a cathode during the electrochemical reduction / oxidation process (ReDox process) and dissolves in a liquid electrolyte of the battery system. The dissolved intermediate polyselenide species is then transported in the liquid electrolyte from the cathode through a battery separator to an anode, where it finds metallic lithium, reacts with the metallic lithium atoms and a salt consisting of lithium and selenium on the surface of the Lithium anode forms. The chemical energy generated from the reactions of lithium and intermediate selenium species on the anode is converted to heat instead of electrical energy, which is highly undesirable. Additionally, selenium salt that is formed on the anode can then be converted back, even partially, to a polyselenide anion, which is then dissolved in the battery's electrolyte and transported back to the cathode, where it consumes additional electrical energy by acquiring electrons and becoming elemental Selenium is converted back. Converting electrochemical energy from selenium to heat, or consuming additional electrical energy, even if the rechargeable battery can be cycled, is undesirable due to undesirably low cycling efficiency. It should be noted that a battery with undesirably low cycling efficiency will often not function properly for a desirable number of cycles.
Die vorliegende Erfindung verkörpert folglich, dass Selenimmobilisation in einem porösen Kohlenstoffgerüst wünschenswert ist, um zweckdienliche Zyklisierung einer wiederaufladbaren Batterie, die eine Lithiumanode, Selenkathode, einen Separator und einen Elektrolyt umfasst, zu erzielen. Selen wird in einem porösen Kohlenstoff immobilisiert und weist eine Aktivierungsenergie auf, die bei einem Beispiel > 95 kJ/Mol, > 98 kJ/Mol, > 101 kJ/Mol, > 104 kJ/Mol, > 107 kJ/Mol oder > 110 kJ/Mol betragen kann. Die Wechselwirkung von Selen und Kohlenstoff in dem immobilisierten Selen, das Selen und porösen Kohlenstoff umfasst, ist oft häufiger, weist bei einem Beispiel eine Stoßfrequenz > 2,5×105, > 3,0×105, > 3,5×105, > 4,0×105, > 4,5×105, > 5,0×105, > 5,5×105, > 6,0×105 oder > 8,0×105 auf. Die kinetische Geschwindigkeitskonstante (bei 50 °C) für das immobilisierte Selen, das Selen und porösen Kohlenstoff umfasst, beträgt bei einem Beispiel < 1×10-10, < 5×10-11, < 1×10-11, < 5×10-12 oder < 5×10-13. Das Kohlenstoffgerüst spielt eine wichtige Rolle bei der ordnungsgemäßen Immobilisation des Selens. Kohlenstoff, das eine bestimmte Menge an Mikroporosität aufweist (Porengröße von 20 Ängström oder kleiner), ist wünschenswert, um Selen räumlich innerhalb der Mikroporen des Kohlenstoffgerüsts einzuschließen, um Selenimmobilisation mit wünschenswerten Niveaus an Aktivierungsenergie, Stoßfrequenz und kinetischen Geschwindigkeitskonstanten zu erzielen. Die Anwesenheit bestimmter Mengen an Mesoporosität (Porengröße zwischen 20 Ängström und 500 Ängström) und/oder Makroporosität (Porengröße größer als 500 Ängström) in dem Kohlenstoffgerüst ist auch für den erfolgreichen Transport von Lithiumionen in die Kathode während des Batterieentladeprozesses und aus der Kathode während des Batterieladeprozesses wünschenswert, obwohl sie für die Immobilisation von Selen nicht kritisch ist. Die Menge an Mikroporosität, Mesoporosität oder Makroporosität wird typischerweise durch die Menge an Porenvolumen (ml) pro Gewichtseinheit (g) des Kohlenstoffgerüsts charakterisiert. Hohe Mengen an Porosität, einschließlich Mikroporosität, Mesoporosität und Makroporosität, können erforderlich sein, um ein hohes Niveau an Selen in dem porösen Kohlenstoff räumlich einzuschließen. Je mehr das Selen in das poröse Kohlenstoffgerüst (pro Gramm) geladen wird, desto mehr chemische Energie und elektrische Energie können während des Zyklisierungsprozesses einer wiederaufladbaren Batterie ineinander umgewandelt werden.The present invention thus embodies that selenium immobilization in a porous carbon framework is desirable in order to achieve useful cycling of a rechargeable battery comprising a lithium anode, selenium cathode, a separator and an electrolyte. Selenium is immobilized in a porous carbon and has an activation energy which, in one example, is> 95 kJ / mol,> 98 kJ / mol,> 101 kJ / mol,> 104 kJ / mol,> 107 kJ / mol or> 110 kJ / Mole can be. The interaction of selenium and carbon in the immobilized selenium, which comprises selenium and porous carbon, is often more frequent, in one example has a collision frequency> 2.5 × 10 5 ,> 3.0 × 10 5 ,> 3.5 × 10 5 ,> 4.0 × 10 5 ,> 4.5 × 10 5 ,> 5.0 × 10 5 ,> 5.5 × 10 5 ,> 6.0 × 10 5 or> 8.0 × 10 5 . The kinetic rate constant (at 50 ° C.) for the immobilized selenium, which comprises selenium and porous carbon, is <1 × 10 -10 , <5 × 10 -11 , <1 × 10 -11 , <5 × 10 in one example -12 or <5 × 10 -13 . The carbon skeleton plays an important role in the proper immobilization of selenium. Carbon that has a certain amount of microporosity (pore size of 20 angstroms or smaller) is desirable to spatially confine selenium within the micropores of the carbon skeleton to achieve selenium immobilization with desirable levels of activation energy, impact frequency, and kinetic rate constants. The presence of certain amounts of mesoporosity (pore size between 20 Angstroms and 500 Angstroms) and / or macroporosity (pore size greater than 500 Angstroms) in the carbon framework is also necessary for the successful transport of lithium ions into the cathode during the battery discharge process and out of the cathode during the battery charging process desirable although it is not critical to the immobilization of selenium. The amount of microporosity, mesoporosity or macroporosity is typically characterized by the amount of pore volume (ml) per unit weight (g) of the carbon framework. High amounts of porosity, including microporosity, mesoporosity and macroporosity, may be required to spatially confine a high level of selenium in the porous carbon. The more the selenium is loaded into the porous carbon structure (per gram), the more chemical energy and electrical energy can be converted into one another during the cycling process of a rechargeable battery.
Die Mengen an Mikroporosität für den porösen Kohlenstoff für die Selenimmobilisation können > 0,3 ml/g, > 0,4 ml/g oder > 0,5 ml/g betragen. Die Gesamtmengen an Porosität, einschließlich Mikroporosität, Mesoporosität und Makroporosität, betragen > 0,4 ml/g, > 0,5 ml/g und > 0,6 ml/g. Der Prozentsatz an Mikroporosität in der Gesamtporosität, einschließlich Mikroporosität, Mesoporosität und Mikroporosität, liegt zwischen 50 % und 99 %, 55 % und 97 % und 60 % und 95 %.The amounts of microporosity for the porous carbon for selenium immobilization can be> 0.3 ml / g,> 0.4 ml / g or> 0.5 ml / g. The total amounts of porosity, including microporosity, mesoporosity and macroporosity, are> 0.4 ml / g,> 0.5 ml / g and> 0.6 ml / g. The percentage of microporosity in the total porosity, including microporosity, mesoporosity and microporosity, is between 50% and 99%, 55% and 97% and 60% and 95%.
Ein kurzer Weg wird für den Lithiumtransport zwischen dem Bulk des Elektrolyts und der Stelle, an der Selen in den Mikroporen immobilisiert wird, vorgezogen, während die Anwesenheit von Mesoporosität und Makroporosität für erfolgreiche Transporte von Lithiumionen herein und heraus von Bedeutung sein kann, um auf Selen zuzugreifen, das in Mikroporen immobilisiert ist, was es den elektrochemischen Prozessen erlaubt, während des Entlade- und Ladeprozesses einer wiederaufladbaren Batterie ordnungsgemäß zu funktionieren. Eines der Teilchenmaße des porösen Kohlenstoffs kann bevorzugt klein sein, möglicherweise < 5 µm, < 2 µm, < 1 µm, < 0,5 µm oder < 0,2 µm: das Kohlenstoffteilchen kann relativ groß sein, mit untereinander verbundenen dünnen Wänden, oder kann in Bezug auf das Teilchen als ein Ganzes klein sein. Das Maß des porösen Kohlenstoffs kann durch ein Rasterelektronenmikroskop, ein Transmissionselektronenmikroskop, ein optisches Mikroskop, einen Laser-Streuungsteilchen-Größenanalysator usw. charakterisiert werden.A short path is preferred for lithium transport between the bulk of the electrolyte and the point where selenium becomes immobilized in the micropores, while the presence of mesoporosity and macroporosity can be important for successful transport of lithium ions in and out in order to make up for selenium that is immobilized in micropores, which allows the electrochemical processes to function properly during the process of discharging and charging a rechargeable battery. One of the particle dimensions of the porous carbon can preferably be small, possibly <5 µm, <2 µm, <1 µm, <0.5 µm or <0.2 µm: the carbon particle can be relatively large, with interconnected thin walls, or can be small with respect to the particle as a whole. The amount of porous carbon can be characterized by a scanning electron microscope, a transmission electron microscope, an optical microscope, a laser scattering particle size analyzer, and so on.
Selen wird in dem Raum der Mikroporen eines porösen Kohlenstoffteilchens, das eine Porosität aufweist, die Mikroporosität, Mesoporosität und Makroporosität beinhaltet, immobilisiert. Selen wird durch starke Wechselwirkungen zwischen Selen und Kohlenstoffgerüst innerhalb der Poren des porösen Kohlenstoffs immobilisiert. Poröser Kohlenstoff mit einer großen Oberfläche kann mehr aktive Stellen aufweisen, an welchen Selen mit dem Kohlenstoffgerüst in Wechselwirkung tritt. Der poröse Kohlenstoff bevorzugt eine BET-Oberfläche > 600 m2/g, > 800 m2/g, > 1.000 m2/g, > 1.200 m2/g oder > 1.400 m2/g.Selenium is immobilized in the micropore space of a porous carbon particle having a porosity including microporosity, mesoporosity and macroporosity. Selenium is strong through Interactions between selenium and carbon skeleton immobilized within the pores of the porous carbon. Porous carbon with a large surface area can have more active sites at which selenium interacts with the carbon skeleton. The porous carbon preferably has a BET surface area> 600 m 2 / g,> 800 m 2 / g,> 1,000 m 2 / g,> 1,200 m 2 / g or> 1,400 m 2 / g.
Selen wird in porösem Kohlenstoff effektiv durch chemische Wechselwirkungen zwischen den Selen-Arten und der Oberfläche des Kohlenstoffgerüsts immobilisiert. Die mit Sauerstoff verbundenen Funktionsgruppen in dem porösen Kohlenstoff können die wichtigen Arten sein, die starke chemische Wechselwirkungen mit Selen darlegen. Derart starke chemische Wechselwirkungen können in einer effektiven Immobilisation des Selens resultieren, in einer Steigerung der Aktivierungsenergie, einer Verringerung der kinetischen Geschwindigkeitskonstante und/oder einer Steigerung der Stoßfrequenz resultieren. Um wünschenswerte Niveaus an chemischen Wechselwirkungen zwischen Kohlenstoffgerüstatomen und Selenatomen oder -molekülen zu erzielen, müssen die Mengen an mit Sauerstoff verbundenen Gruppen oder Arten als Schnittflächen zwischen Kohlenstoff und Selen in dem porösen Kohlenstoff signifikant hoch genug sein, dass die Immobilisation von Selen für eine wiederaufladbare Batterie effektiv ist, die bei den elektrochemischen Entlade- und Ladezyklisierungsprozessen ordnungsgemäß funktionieren kann. Die Mengen an mit Sauerstoff verbundenen Arten oder Sauerstofffunktionsgruppe kann durch die Mengen an Sauerstoff gehalten in dem porösen Kohlenstoff, analysiert durch einen Sauerstoff Analysator (wie den LECO-Sauerstoff Analysator) charakterisiert werden. Der Sauerstoffgehalt des porösen Kohlenstoffs kann auch durch andere Instrumente, die ähnlich wie LECO-Instrumente funktionieren, charakterisiert werden, zum Beispiel Temperatur-programmierte Desorption (oder thermische gravimetrische Analyse, Thermal Gravimetric Analysis - TGA) mit einem Gasdetektor, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, einem Mass-Spec-Detektor, einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor usw., mit einer Option eines umfassenden Kühlfallenmechani smus.Selenium is effectively immobilized in porous carbon through chemical interactions between the selenium species and the surface of the carbon skeleton. The functional groups associated with oxygen in the porous carbon can be the important species that exhibit strong chemical interactions with selenium. Such strong chemical interactions can result in an effective immobilization of the selenium, in an increase in the activation energy, a reduction in the kinetic rate constant and / or an increase in the impact frequency. In order to achieve desirable levels of chemical interactions between carbon skeleton atoms and selenium atoms or molecules, the amounts of oxygen-linked groups or species as interfaces between carbon and selenium in the porous carbon must be significantly high enough that the immobilization of selenium for a rechargeable battery effective, which can function properly in the electrochemical discharge and charge cycling processes. The amounts of oxygen-associated species or oxygen functional group can be characterized by the amounts of oxygen held in the porous carbon analyzed by an oxygen analyzer (such as the LECO oxygen analyzer). The oxygen content of the porous carbon can also be characterized by other instruments that function similarly to LECO instruments, for example temperature-programmed desorption (or thermal gravimetric analysis, Thermal Gravimetric Analysis - TGA) with a gas detector, such as, but not limited to be a mass spec detector, a thermal conductivity detector, etc., with the option of a comprehensive cold trap mechanism.
Poröser Kohlenstoff zur Selenimmobilisation zieht die Mengen an Sauerstoffgehalt von > 2 %, > 3 %, > 5 % vor oder bevorzugter > 7 %.Porous carbon for selenium immobilization prefers the amounts of oxygen content of> 2%,> 3%,> 5% or more preferably> 7%.
Die Sauerstoff-Arten in dem porösen Kohlenstoff können durch Temperaturprogrammierte Desorption (Temperature-Programmed-Desorption - TPD), typischerweise CO2-bildende Sauerstoff-Arten, CO-bildende Sauerstoff-Arten und wasserbildende Sauerstoffarten kategorisiert und charakterisiert werden. Bei einem Fluss eines inerten Gases, wie Helium, Stickstoff oder Argon, als ein Trägergas, wird die Probe eines porösen Kohlenstoffs mit einer definierten Heizgeschwindigkeit auf eine Temperatur, die so hoch sein kann wie 1000 °C, Temperatur-Programm-erhitzt. Sauerstoff-Arten in der Probe porösen Kohlenstoffs werden bei unterschiedlicher Temperatur zerstört, indem CO2, CO und/oder Wasser gebildet werden, die durch das Trägergas eluiert werden. Für den porösen Kohlenstoff , das zur Selenimmobilisation verwendet wird, kann das Verhältnis der Sauerstoffmengen in Zusammenhang mit CO2-Bildung zu den Sauerstoffmengen in Zusammenhang mit CO-Bildung zwischen 0,5 bis 0,95, 0,15 bis 0,85 oder 0,2 bis 0,8 liegen; die Sauerstoffmenge in Zusammenhang mit CO2-Bildung kann größer sein als > 2 %, > 3 %, > 5 % oder bevorzugter > 7 %; die Sauerstoffmenge in Zusammenhang mit CO-Bildung kann größer sein als > 2 %, > 3 %, > 5 % oder bevorzugter > 7 %; die Sauerstoffmenge in Zusammenhang mit Wasserbildung kann größer sein als > 2 %, > 3 %, > 5 % oder bevorzugter > 7 %.The oxygen types in the porous carbon can be categorized and characterized by temperature-programmed desorption (TPD), typically CO 2 -generating oxygen types, CO-producing oxygen types, and water-generating oxygen types. When an inert gas such as helium, nitrogen or argon is flowing as a carrier gas, the sample of a porous carbon is heated at a defined heating rate to a temperature that can be as high as 1000 ° C, temperature-program-heated. Oxygen species in the sample of porous carbon are destroyed at different temperatures by forming CO 2 , CO and / or water, which are eluted by the carrier gas. For the porous carbon that is used for selenium immobilization, the ratio of the amounts of oxygen in connection with CO 2 formation to the amounts of oxygen in connection with CO formation can be between 0.5 to 0.95, 0.15 to 0.85 or 0 .2 to 0.8; the amount of oxygen in connection with CO 2 formation can be greater than>2%,>3%,> 5% or more preferably>7%; the amount of oxygen in connection with CO formation can be greater than>2%,>3%,> 5% or more preferably>7%; the amount of oxygen in connection with water formation can be greater than>2%,>3%,> 5% or more preferably> 7%.
Bei einem anderen Aspekt kann die Dichte an Sauerstoff-Arten (Mikromol pro Quadratmeter oder µMol/m2) des Kohlenstoffgerüsts für das Erzielen eines ausreichenden Niveaus an chemischen Wechselwirkungen zwischen der Kohlenstoffoberfläche und den Selenatomen kritisch sein, was in zufriedenstellender Immobilisation von Selen für ordnungsgemäßes Zyklisieren einer wiederaufladbaren Batterie resultiert. Der poröse Kohlenstoff für Selenimmobilisation bevorzugt Mengen an Sauerstoffgehalt von > 0,8 µMol/m2, >1,0 µMol/m2, >1,2 µMol/m2, >1,4 µMol/m2 oder bevorzugter> 1,6 µMol/m2; oder die Sauerstoffmenge in Zusammenhang mit CO2-Bildung CO2 beträgt > 0,8 µMol/m2, > 1,0 µMol/m2, > 1,2 µMol/m2, > 1,4 µMol/m2 oder bevorzugter > 1,6 µMol/m2: oder die Sauerstoffmengen in Zusammenhang mit CO-Bildung beträgt > 0,8 µMol/m2, > 1,0 µMol/m2, > 1,2 µMol/m2, > 1,4 µMol/m2 oder bevorzugter > 1,6 µMol/m2,In another aspect, the density of oxygen species (micromoles per square meter or µmol / m 2 ) of the carbon skeleton can be critical to achieving a sufficient level of chemical interactions between the carbon surface and the selenium atoms, resulting in satisfactory immobilization of selenium for proper cycling a rechargeable battery results. The porous carbon for selenium immobilization prefers amounts of oxygen content of> 0.8 µmol / m 2 ,> 1.0 µmol / m 2 ,> 1.2 µmol / m 2 ,> 1.4 µmol / m 2 or more preferably> 1, 6 µmol / m 2 ; or the amount of oxygen in connection with CO 2 formation CO 2 is> 0.8 µmol / m 2 ,> 1.0 µmol / m 2 ,> 1.2 µmol / m 2 ,> 1.4 µmol / m 2 or more preferably > 1.6 µmol / m 2 : or the amount of oxygen in connection with CO formation is> 0.8 µmol / m 2 ,> 1.0 µmol / m 2 ,> 1.2 µmol / m 2 ,> 1.4 µmol / m 2 or more preferably> 1.6 µmol / m 2 ,
Die Anwesenheit angemessener Mengen an Sauerstoff-Arten in dem Kohlenstoffgerüst scheint bei der Oxidationsstabilität des Se-C-Kompositmaterials kritische Rollen zu spielen. Unter Umgebungsbedingungen erscheint das Se-C-Kompositmaterial, das aus einem Kohlenstoffgerüst mit niedrigen Mengen an Sauerstoff-Arten hergestellt ist, leicht unter Umgebungsbedingungen zu oxidieren. Das frische Material solcher Se-C-Kompositmaterialien zeigt Temperatur-gravimetrische Verhaltensweisen ähnlich wie die für das Se-C-Kompositmaterial mit einem Kohlenstoffgerüst, das angemessene Mengen an Sauerstoff-Arten aufweist: es wurde jedoch mit Überraschung festgestellt, dass Se-C-Kompositmaterialien, die mit niedrigen Mengen an Sauerstoff-Arten hergestellt werden, unter Umgebungsbedingungen während etwa zwei Jahren und drei Monaten alterten, einen großen exothermen Gewichtsverlust bei Temperaturen um 200 bis 250 °C mit einem Gesamtgewichtsverlust an Se-C-Kompositmaterial zeigen, der die Selenmenge überschreitet, die auf der Kohlenstoff geladen wurde, wenn dieses frisch hergestellt wurden: bei einem anderen Beispiel scheint die Menge des Gewichtsverlusts bei diesen Temperaturen gut mit der Menge an Kohlenstoffgerüst in den Se-C-Kompositmaterialien zu korrelieren: je höher die Mengen an Kohlenstoffgerüst sind, desto größer ist der exotherme Gewichtsverlust bei Temperaturen zwischen 200 °C und 250 °C: bei einem anderen Beispiel steigen die Sauerstoffgehalte für gealterte (27 Monate) Se-C-Kompositmaterialien, die mit einem Kohlenstoffgerüst hergestellt werden, das niedrige Mengen an Sauerstoff-Arten aufweist, bis zu etwa 24 %: bei einem anderen Beispiel bemerkt man auch mit Interesse, dass die Dichte der gealterten Se-C-Kompositmaterialien, die aus dem Kohlenstoffgerüst, das niedrige Mengen an Sauerstoff-Arten aufweist, wesentlich reduziert ist. Ohne Einschränkung des Schutzbereichs oder Geists der vorliegenden Erfindung, kann der exotherme Gewichtsverlust mit der Oxidation des Kohlenstoff-Selen-Kompositmaterials durch die umgebenden Sauerstoff-Arten (Umgebungs-Sauerstoff und/oder Feuchtigkeit unter Umgebungsbedingungen) zusammenhängen, und/oder mit Oxidation von Kohlenstoff unterstützt durch umgebende Sauerstoff-Arten durch elementares Selen, was jeweils in der Bildung der oxidiertem Kohlenstoff-Arten resultiert: die Oxidation des Se-C-Kompositmaterials tritt möglicherweise nahe an Porenöffnungen des Kompositmaterials auf: Die neu geformten oxidierten Kohlenstoff-Arten nahe an Porenöffnungen können geschlossene Porosität bilden: die geschlossene Porosität ist dann für die sondierenden Moleküle des Heliumgases während Dichtemessungen nicht zugänglich, was in einer Verringerung der Dichte für gealterte Se-C-Kompositmaterialproben, die mit einem Kohlenstoffgerüst, das niedrige Mengen an Sauerstoff-Arten aufweist, resultieren würde. Die Zerfallsprodukte von bei Temperaturen zwischen 200 °C und 250 °C unter einem inerten Trägergas, wie Argon oder Stickstoff, oxidierten Kohlenstoff-Arten kann mit Kohlenstoff, Selen und/oder Sauerstoff zusammenhängen, als ein Beispiel Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlendiselenid, Kohlenoxiselenid usw. Es muss auch zur Kenntnis genommen werden, dass das frei stehende Kohlenstoffgerüst mit niedrigen Mengen an Sauerstoff-Arten unter Umgebungsbedingungen beständig ist. Kohlenstoff und/oder Selen in dem Se-C-Kompositmaterial, das mit einem Kohlenstoffgerüst hergestellt wird, das niedrige Mengen an Sauerstoff-Arten aufweist, erscheinen für Angriffe durch Umgebungs-Sauerstoff-Arten gemeinsam mit Selen anfällig zu sein. Solche Oxidationsinstabilität kann sich sehr wohl in schlechten elektrochemischen Zyklisierungsleistung einer wiederaufladbaren Batterie aus Li-Se niederschlagen; es ist möglich, dass das Kohlenstoffgerüst langsam von dem elementaren Selen und elektrochemischen Zyklisierungsumgebungen, gleich wie unter Umgebungsbedingungen, oxidiert wird. Eine Bildung oxidierter Kohlenstoff-Arten in einem Se-C-Kompositmaterial ist unerwünscht. Die Selenmenge in den oxidiertem Kohlenstoff-Arten nimmt eventuell nicht an dem elektrochemischen Zyklisieren einer wiederaufladbaren Batterie teil, was in einem permanenten Verlust an spezifischer Kapazität der wiederaufladbaren Batterie resultiert; das Kohlenstoffgerüst spielt auch Schlüsselrollen, neben dem Hosten von Selen für seine Immobilisation, dem Bereitstellen eines elektrisch leitenden Wegs für (1) das Liefern von Elektronen von der externen Schaltung zu elementarem Selen während des Entladeprozesses und (2) Gewinnen von Elektronen von Selenanionen (Se2-) zu der externen Schaltung während des Entladeprozesses. Falls Kohlenstoffteilmengen von dem elementaren Selen oxidiert werden, die oxidierte Kohlenstoff-Arten bilden, kann der elektrische Widerstand des Kohlenstoffgerüsts wesentlich steigen, so dass der elektrisch leitende Weg für die Elektronenlieferung und den Elektronengewinn während jedes elektrochemischen Zyklus übertragen wird, eventuell ein Niveau erreicht, an dem die wiederaufladbare Batterie nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert, ganz zu schweigen von den Verlusten an elektrischer Energie und chemischer Energie in Wärme, was in der Tat für eine wiederaufladbare Batterie bei Aspekten (1) niedriger Energieeffizienz und (2) Wärmemanagement unerwünscht ist.The presence of adequate amounts of oxygen species in the carbon framework appears to play critical roles in the oxidative stability of the Se-C composite. Under ambient conditions, the Se-C composite material made of a carbon skeleton with low amounts of oxygen species appears to be easily oxidized under ambient conditions. The fresh material of such Se-C composite materials shows temperature-gravimetric behaviors similar to those for the Se-C composite material with a carbon skeleton having adequate amounts of oxygen species: however, it was found with surprise that Se-C composite materials that are made with low amounts of oxygen species, aged under ambient conditions for about two years and three months, experienced a large exothermic weight loss at temperatures around 200 to 250 ° C with a Show total weight loss on Se-C composite exceeding the amount of selenium loaded on the carbon when freshly made: in another example, the amount of weight loss at these temperatures seems to correlate well with the amount of carbon skeleton in the Se-C -Correlate composite materials: the higher the amounts of carbon skeleton, the greater the exothermic weight loss at temperatures between 200 ° C and 250 ° C: in another example, the oxygen levels increase for aged (27 months) Se-C composite materials that can be produced with a carbon skeleton that has low amounts of oxygen species, up to about 24%: in another example, it is also noted with interest that the density of the aged Se-C composite materials made up of the carbon skeleton, the low amounts of oxygen species is significantly reduced. Without limiting the scope or spirit of the present invention, the exothermic weight loss may be related to the oxidation of the carbon-selenium composite material by the surrounding oxygen species (ambient oxygen and / or moisture under ambient conditions), and / or aided by oxidation of carbon by surrounding oxygen species through elemental selenium, which results in the formation of the oxidized carbon species in each case: the oxidation of the Se-C composite material may occur close to pore openings of the composite material: The newly formed oxidized carbon types close to pore openings can be closed Form porosity: the closed porosity is then inaccessible to the probing molecules of the helium gas during density measurements, which would result in a decrease in density for aged Se-C composite material samples, which would result with a carbon skeleton that has low amounts of oxygen species de. The decomposition products of carbon species oxidized at temperatures between 200 ° C and 250 ° C under an inert carrier gas such as argon or nitrogen can be related to carbon, selenium and / or oxygen, as an example carbon dioxide, carbon monoxide, carbon diselenide, carbon oxiselenide etc. It must also be noted that the free-standing carbon framework is persistent with low levels of oxygen species under ambient conditions. Carbon and / or selenium in the Se-C composite material made with a carbon skeleton having low levels of oxygen species appear to be susceptible to attack by ambient oxygen species along with selenium. Such oxidative instability may well translate into poor electrochemical cycling performance of a Li-Se rechargeable battery; it is possible for the carbon backbone to be slowly oxidized by the elemental selenium and electrochemical cycling environments, just as under ambient conditions. The formation of oxidized carbon types in a Se-C composite material is undesirable. The amount of selenium in the oxidized carbon species may not participate in the electrochemical cycling of a rechargeable battery, resulting in a permanent loss of specific capacity of the rechargeable battery; the carbon scaffold also plays key roles, besides hosting selenium for its immobilization, providing an electrically conductive pathway for (1) delivering electrons from the external circuit to elemental selenium during the discharge process, and (2) recovering electrons from selenium anions (Se 2- ) to the external circuit during the discharge process. If carbon fractions are oxidized by the elemental selenium that form oxidized carbon species, the electrical resistance of the carbon skeleton can increase significantly so that the electrically conductive pathway for electron delivery and gain is transferred, eventually reaching a level, during each electrochemical cycle that the rechargeable battery no longer functions properly, not to mention the losses of electrical energy and chemical energy in heat, which is in fact undesirable for a rechargeable battery in aspects of (1) low energy efficiency and (2) thermal management.
Dagegen zeigt das Se-C-Kompositmaterial, das mit einem Kohlenstoffgerüst hergestellt wird, das ein angemessenes Niveau an Sauerstoff-Arten aufweist, keine Änderung der Wärme-gravimetrischen Analyseverhaltensweisen (TGA-Verhaltensweisen) zwischen der frischen Probe und der einen bei Umgebungsbedingungen während etwa zweieinhalb Jahren gealterten; es besteht kein exothermer Gewichtsverlust bei einer Temperatur um 200 bis 250 °C; der Gesamtgewichtsverlust der TGA ist ähnlich dem Niveau an Selenbeladung (nach Gewicht), wenn es frisch hergestellt wurde; es besteht kein Gewinn an Sauerstoffgehalt und keine Verringerung an Dichte. Ein Se-C-Kompositmaterial mit einem Kohlenstoffgerüst, das angemessene Mengen an Sauerstoff-Arten aufweist, erzielt irgendwie ein Niveau an zufriedenstellender Selenimmobilisation durch Anwenden starker chemischer Wechselwirkungen zwischen Kohlenstoff und Selen mit Grenzflächen-Sauerstoff-Arten, was die Oxidationsbeständigkeit des Se-C-Kompositmaterials verbessert.In contrast, the Se-C composite made with a carbon skeleton having an adequate level of oxygen species shows no change in thermal gravimetric analysis (TGA) behaviors between the fresh sample and the one under ambient conditions for about two and a half Years of age; there is no exothermic weight loss at a temperature around 200 to 250 ° C; the total weight loss of the TGA is similar to the level of selenium loading (by weight) when freshly made; there is no gain in oxygen content and no decrease in density. A Se-C composite material with a carbon skeleton having adequate amounts of oxygen species somehow achieves a level of satisfactory selenium immobilization by applying strong chemical interactions between carbon and selenium with interfacial oxygen species, which increases the oxidation resistance of the Se-C- Composite material improved.
Effektive Selenimmobilisation in einem Kohlenstoffgerüst kann durch die Anwesenheit angemessener Mengen an Sauerstoff-Arten in dem Se-C-Kompositmaterial möglicherweise als eine Grenzflächen-Art erzielt werden, die starke chemische Wechselwirkungen zwischen Kohlenstoffgerüst und Selen (in irgendeiner chemischen Form) ermöglichen. Die Mengen an erwünschten Sauerstoff-Spezies in dem immobilisierten Selen-Kohlenstoff-Kompositmaterial kann von dem Niveau an Sauerstoff-Arten in der Kohlenstoffgerüst Quelle und von dem Niveau an Selenbeladung (nach Gewicht) in dem Se-C-Kompositmaterial abhängen. Für eine Selenbeladung von 50 % oder niedriger beträgt die Menge an den Sauerstoff-Arten in dem Se-C-Kompositmaterial > 0,63 mmol/g, > 0,94 mmol/g, > 1,56 mmol/g oder> 2,19 mmol/g; für eine Selenbeladung zwischen 50 % und 60 % (einschließlich 60 %), beträgt die Menge an den Sauerstoff-Arten in dem Se-C-Kompositmaterial > 0,5 mmol/g, > 0,75 mmol/g, > 1,25 mmol/g oder > 1,75 mmol/g; für eine Selenbeladung von 60 % oder darüber beträgt die Menge an Sauerstoff-Arten in dem Se-C-Kompositmaterial > 0,31 mmol/g, > 0,47 mmol/g, > 0,78 mmol/g oder > 1,09 mmol/g.Effective selenium immobilization in a carbon skeleton can be achieved by the presence of adequate amounts of oxygen species in the Se-C composite, possibly as an interface species that allows strong chemical interactions between the carbon skeleton and selenium (in any chemical form). The amounts of desired oxygen species in the immobilized selenium-carbon composite can depend on the level of oxygen species in the carbon skeleton source and the level of selenium loading (by weight) in the Se-C composite. For one Selenium loading of 50% or lower, the amount of oxygen types in the Se-C composite material is> 0.63 mmol / g,> 0.94 mmol / g,> 1.56 mmol / g or> 2.19 mmol /G; for a selenium loading between 50% and 60% (including 60%), the amount of the types of oxygen in the Se-C composite material is> 0.5 mmol / g,> 0.75 mmol / g,> 1.25 mmol / g or> 1.75 mmol / g; for a selenium loading of 60% or more, the amount of oxygen species in the Se-C composite material is> 0.31 mmol / g,> 0.47 mmol / g,> 0.78 mmol / g or> 1.09 mmol / g.
Zu bemerken ist, dass die angemessenen Mengen an Sauerstoff-Arten in dem Se-C-Kompositmaterial nicht mit den Sauerstoff-Arten zusammenhängen, die den exothermen Gewichtsverlust bei Temperaturen zwischen 200 °C und 250 °C involvieren. Der Sauerstoff in Zusammenhang mit dem exothermen Gewichtsverlust bei Temperaturen zwischen 200 °C und 250 °C kann sehr wohl aus der Nachoxidation des Se-C-Kompositmaterials unter Umgebungsbedingungen bei Sauerstoff-Arten wie Sauerstoff und/oder Feuchtigkeit in Luft resultieren.It should be noted that the appropriate amounts of oxygen species in the Se-C composite material are not related to the oxygen species involved in exothermic weight loss at temperatures between 200 ° C and 250 ° C. The oxygen in connection with the exothermic weight loss at temperatures between 200 ° C and 250 ° C can very well result from the post-oxidation of the Se-C composite material under ambient conditions with oxygen types such as oxygen and / or moisture in air.
Die Menge an Sauerstoff-Arten in dem porösen Kohlenstoff wird gewöhnlich während eines Herstellungsprozess des porösen Kohlenstoffs erzeugt, der typischerweise einen Karbonisierungssprozess umfasst, bei dem der Vorläufer in Kohlenstoff umgewandelt wird, typischerweise bei einer Temperatur niedriger als 700 °C, bevorzugter niedriger als 650 °C, noch bevorzugter weniger als 600 °C, gefolgt von einem Aktivierungsprozess, bei dem der Kohlenstoff in porösem Kohlenstoff aktiviert wird, typischerweise bei einer Temperatur größer als 700 °C, bevorzugter größer als 750 °C, vielleicht um 800 °C oder darüber. Porositätsmengen an porösem Kohlenstoff hängen von dem Aktivierungsgrad ab. Der Aktivierungsgrad wird durch Aktivierungstemperatur und Aktivierungszeit mit unterschiedlichen Aktivierungschemikalien, wie Wasserdampf, CO2, eine Lauge (wie NaOH, KOH usw.), ein Salz (wie K2CO3, Na2CO3, ZnCl2 usw.) gesteuert. Je stärker die Aktivierungsbedingungen sind, desto mehr Porosität wird für den porösen Kohlenstoff erzeugt. Die Aktivierung bei einer höheren Temperatur, wie etwa 1000 °C, und/oder während einer bestimmten Zeitspanne führt zu einem porösen Kohlenstoff, das ein höheres Porositätsniveau aufweist, was wünschenswert ist. Die Aktivierung bei einer höheren Temperatur und/oder während einer längeren Zeitspanne führt jedoch zu einem höheren Niveau an Sauerstoff-Arten-Verlust für einen porösen Kohlenstoff, was in einem niedrigeren Niveau an Sauerstoff-Arten in dem porösen Kohlenstoff resultiert, was unerwünscht ist. Ein höheres Niveau an Sauerstoff-Arten kann für den porösen Kohlenstoff durch seine Aktivierung bei einer relativ niedrigeren Temperatur und/oder während einer kürzeren Zeitspanne gewahrt werden, was in einer niedrigeren Porosität resultieren kann, was unerwünscht ist. Die vorliegende Offenbarung zieht den Geist der Erfindung in Zusammenhang mit dem Höhepunkt sowohl der Porosität Mengen als auch der Mengen an Sauerstoff-Arten für den porösen Kohlenstoff zur Selenimmobilisation mit einem wünschenswert hohen Niveau an Laden von Selen mit einem wünschenswert hohen Niveau an Immobilisation in Betracht, gekennzeichnet durch eine erhöhte Aktivierungsenergie, eine erhöhte Stoßfrequenz oder ein niedriges Niveau an kinetischer Geschwindigkeitskonstante.The amount of oxygen species in the porous carbon is usually generated during a manufacturing process of the porous carbon, which typically includes a carbonization process in which the precursor is converted to carbon, typically at a temperature lower than 700 ° C, more preferably lower than 650 ° C, more preferably less than 600 ° C, followed by an activation process in which the carbon in porous carbon is activated, typically at a temperature greater than 700 ° C, more preferably greater than 750 ° C, perhaps around 800 ° C or above. Porosity amounts of porous carbon depend on the degree of activation. The degree of activation is controlled by the activation temperature and activation time with different activation chemicals, such as water vapor, CO 2 , a lye (such as NaOH, KOH etc.), a salt (such as K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , ZnCl 2 etc.). The stronger the activation conditions, the more porosity is created for the porous carbon. Activation at a higher temperature, such as about 1000 ° C., and / or for a certain period of time results in a porous carbon having a higher level of porosity, which is desirable. Activation at a higher temperature and / or for a longer period of time, however, results in a higher level of oxygen species loss for a porous carbon, which results in a lower level of oxygen species in the porous carbon, which is undesirable. A higher level of oxygen species can be maintained for the porous carbon by its activation at a relatively lower temperature and / or for a shorter period of time, which can result in a lower porosity, which is undesirable. The present disclosure contemplates the spirit of the invention in connection with the peak of both the porosity amounts and the amounts of oxygen species for the porous carbon for selenium immobilization with a desirably high level of loading of selenium with a desirably high level of immobilization, characterized by an increased activation energy, an increased impact frequency or a low level of kinetic rate constant.
Wie in dem oben stehenden Absatz beschrieben, führt die Aktivierung bei einer höheren Aktivierungstemperatur und/oder während einer längeren Zeitspanne zu einem höheren Niveau an Verlust an Sauerstoff-Arten. Einer eines kompromittierenden Ansatzes kann bei einer relativ niedrigen Temperatur, wie zum Beispiel um 800 °C oder niedriger, und während einer relativ längeren Zeitspanne, wie als ein Beispiel 10 Minuten oder länger, aktiviert werden. Die vorliegende Erfindung verkörpert auch Nachbehandlungen für den porösen Kohlenstoff mit einem wünschenswert hohen Niveau an Porosität, das aus einem starken Aktivierungsprozess resultiert, der zu einer Verstärkung der Mengen an Sauerstoff-Arten in dem porösen Kohlenstoff führt. Solcher mit Sauerstoff-Arten verstärkter poröser Kohlenstoff weist dann wünschenswerte Niveaus sowohl an Porositätsmengen als auch an Mengen an Sauerstoff-Arten, wie in den vorhergehenden Absätzen beschrieben, auf.As described in the paragraph above, activation at a higher activation temperature and / or for a longer period of time results in a higher level of loss of oxygen species. One of a compromising approach can be activated at a relatively low temperature, such as around 800 ° C or lower, and for a relatively longer period of time, such as, for example, 10 minutes or longer. The present invention also embodies post-treatments for the porous carbon having a desirably high level of porosity that results from a severe activation process that leads to an increase in the amounts of oxygen species in the porous carbon. Such porous carbon reinforced with oxygen species then have desirable levels of both porosity and oxygen species levels as described in the preceding paragraphs.
Poröser Kohlenstoff kann mit einem Oxidationsmittel nachbehandelt werden. Das Oxidationsmittel kann eine sauerstoffhaltige Chemikalie sein. Die Nachbehandlung(en) porösen Kohlenstoffs können in einer flüssigen oder in einer Gasphase ausgeführt werden. Flüssigphasen-Nachbehandlungen des porösen Kohlenstoffs können in einer wässrigen Umgebung ausgeführt werden. Flüssigphasen-Nachbehandlungen porösen Kohlenstoffs können auch in einem organischen Lösemittel, das hydrophobe oder hydrophile Beschaffenheit aufweist, ausgeführt werden. Flüssigphasen-Nachbehandlungen porösen Kohlenstoffs können unter Salzschmelzbedingungen ausgeführt werden.Porous carbon can be post-treated with an oxidizing agent. The oxidizing agent can be an oxygen-containing chemical. The post-treatment (s) of porous carbon can be carried out in a liquid or in a gas phase. Liquid phase post treatments of the porous carbon can be carried out in an aqueous environment. Liquid phase post-treatments of porous carbon can also be carried out in an organic solvent that is hydrophobic or hydrophilic in nature. Liquid phase post-treatments of porous carbon can be carried out under molten salt conditions.
Die Nachbehandlungen porösen Kohlenstoffs können in der Flüssigkeit bei einer relativ niedrigen Temperatur, wie zum Beispiel beim Siedepunkt des flüssigen Mediums oder niedriger ausgeführt werden. Bei einem erhöhten Druck, der größer ist als ein Luftdruck, kann die Nachbehandlungstemperatur größer sein als der atmosphärische Siedepunkt des flüssigen Mediums. Unter Vakuum muss die Nachbehandlungstemperatur eventuell niedriger sein als der atmosphärische Siedepunkt des flüssigen Mediums.The post-treatments of porous carbon can be carried out in the liquid at a relatively low temperature, such as the boiling point of the liquid medium or lower. At an elevated pressure that is greater than air pressure, the aftertreatment temperature can be greater than the atmospheric boiling point of the liquid medium. Under vacuum, the post-treatment temperature may have to be lower than the atmospheric boiling point of the liquid medium.
Das Oxidationsmittel kann eine Stickstoffsäure, Wasserstoffperoxid, ein Persulfatsalz (als ein Beispiel Ammoniumpersulfat, Natriumpersulfat oder Kaliumpersulfat), ein Mangan-, Vanadium-, Chromsalz oder anderes Element, das mit einem Übergangsmetall zusammenhängt, mit einem hohen Oxidationsvalenzzustand, der Reduzieren erlaubt, sein. Das Oxidationsmittel kann Sauerstoff, Ozon oder ein organisches Peroxid sein.The oxidizing agent may be a nitric acid, hydrogen peroxide, a persulfate salt (as an example, ammonium persulfate, sodium persulfate or potassium persulfate), a manganese, vanadium, chromium salt, or other element related to a transition metal with a high oxidation valence state that allows reduction. The oxidizing agent can be oxygen, ozone, or an organic peroxide.
Die Nachbehandlungen des porösen Kohlenstoffs in einer wässrigen Umgebung können unter einer sauren Bedingung, einer Bedingung mit neutralem pH oder einer Laugenbedingung ausgeführt werden.The post-treatments of the porous carbon in an aqueous environment can be carried out under an acidic condition, a neutral pH condition, or an alkali condition.
Der nachbehandelte poröse Kohlenstoff kann gewaschen und getrocknet werden. Der getrocknete nachbehandelte poröse Kohlenstoff kann ferner bei einer erhöhten Temperatur (zum Beispiel > 150 °C, > 200 °C oder > 250 °C) unter statischer Bedingung, einem Gasfluss, vorzugsweise einem Inertgas, behandelt werden. Eine solche Wärmebehandlung kann die Verteilungen von Sauerstoff-Arten, die mit dem Bilden von CO2 zusammenhängen, Sauerstoff-Arten, die mit dem Bilden von CEO zusammenhängen, und Sauerstoff-Spezies, die mit H2O-Bildung zusammenhängen, ausgleichen.The post-treated porous carbon can be washed and dried. The dried, post-treated porous carbon can also be treated at an elevated temperature (for example> 150 ° C.,> 200 ° C. or> 250 ° C.) under a static condition, a gas flow, preferably an inert gas. Such heat treatment can balance the distributions of oxygen species associated with the formation of CO 2 , oxygen species associated with the formation of CEO, and oxygen species associated with H 2 O formation.
Die Nachbehandlungen porösen Kohlenstoffs können die Menge an Sauerstoff-Arten um > 30 %, > 50 %, > 100 % oder > 150 % verbessern.Post-treatments of porous carbon can improve the amount of oxygen species by> 30%,> 50%,> 100% or> 150%.
Es kann wünschenswerter sein, die Selenimmobilisation bei einer Temperatur auszuführen, die die Sauerstoff-Art wahrt, die als ein kritischer Ort dienen kann, der die chemischen Wechselwirkungen von Selen und Kohlenstoffgerüst verbessert. Die Temperatur des Schmelzens von Selen in die Poren porösen Kohlenstoffs kann an dem Schmelzpunkt von Selen oder darüber liegen. Durch Dotieren mit anderen Elementen, wie S, Te oder einigen anderen Verunreinigungen, kann der Schmelzpunkt von Selen gesenkt werden.It may be more desirable to carry out the selenium immobilization at a temperature that preserves the oxygen species, which can serve as a critical site that enhances the chemical interactions of the selenium and carbon skeleton. The temperature of melting selenium into the pores of porous carbon may be at or above the melting point of selenium. Doping with other elements such as S, Te, or some other impurities can lower the melting point of selenium.
Selen (mit oder ohne Dotierstoff) kann auf das Kohlenstoffgerüst durch ein Imprägnierungsverfahren geladen werden. Selen kann in einem Lösungsmittel gelöst werden, wobei eine Selenlösung gebildet wird. Die Selenlösung wird dann auf einen porösen Kohlenstoff imprägniert, gefolgt von Lösemittelentfernen durch Verdampfen, was das Selen innerhalb des porösen Kohlenstoffs zurücklässt. Ein solcher Imprägnierungsprozess kann zum Zweck des Erzielens zweckdienlicher Mengen an Selenladung wiederholt werden. Dieses Verfahren kann auch im Wesentlichen die Temperatur des Ladens von Selen auf den porösen Kohlenstoff auf ein Niveau senken, das niedriger ist als der Schmelzpunkt von Selen.Selenium (with or without a dopant) can be loaded onto the carbon skeleton through an impregnation process. Selenium can be dissolved in a solvent to form a selenium solution. The selenium solution is then impregnated onto a porous carbon, followed by solvent removal by evaporation, which leaves the selenium within the porous carbon. Such an impregnation process can be repeated for the purpose of obtaining useful amounts of selenium charge. This method can also substantially lower the temperature of loading selenium on the porous carbon to a level lower than the melting point of selenium.
Die Quelle zum Erzeugen des porösen Kohlenstoffs für Selenimmobilisation kann aus erneuerbaren Kohlenstoffquellen stammen, zum Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein, Biomasse, wie Zucker, Glucose, Stärke, Proteine, Sojamehl. Die Quelle zum Erzeugen des porösen Kohlenstoffs für Selenimmobilisation kann ein Salz sein, der Kohlenstoff enthält, wie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben. Die Quelle zum Erzeugen des porösen Kohlenstoffs für Selenimmobilisation kann eine Säure sein, die Kohlenstoff enthält, wie die Zitronensäure, Gluconsäure, Gerbsäure. Die Kohlenstoffquelle kann auch aus einer Chemikalie stammen, zum Beispiel Polyol oder ein Polymer wie Polyacrylnitril oder Polyphenol.The source for generating the porous carbon for selenium immobilization can come from renewable carbon sources, for example, but not limited to, biomass such as sugar, glucose, starch, proteins, soy flour. The source for generating the porous carbon for selenium immobilization can be a salt containing carbon as described in the previous sections. The source for generating the porous carbon for selenium immobilization can be an acid containing carbon such as citric acid, gluconic acid, tannic acid. The carbon source can also be derived from a chemical, for example polyol or a polymer such as polyacrylonitrile or polyphenol.
Beschreibung des Kohlenstoffherstellungsprozesses.Description of the carbon production process.
Das Kohlenstoffmaterial, das hierin beschrieben ist, kann mit einem Herstellungsverfahren erhalten werden, das die folgenden Schritte umfasst:
- (1) Mischen der unterschiedlichen Zutaten: inertes Salz, Aktivierungsmittel und Kohlenstoffvorläufer. Der Mischprozess kann einen Kugelmahlprozess oder einen Gefriertrocknungsprozess einer Lösung der unterschiedlichen Zutaten umfassen; und
- (2) Karbonisieren des Gemischs und inerte Atmosphäre in hoher Temperatur, dann Waschen mit heißem Wasser, um anorganische Salze zu entfernen, und Trocknen, um ein poröses 3D-Material zu erhalten, das aus untereinander verbundenen gekrümmten dünnen Kohlenstoffschichten besteht.
- (1) Mixing the different ingredients: inert salt, activating agent and carbon precursor. The mixing process can include a ball milling process or a freeze drying process of a solution of the different ingredients; and
- (2) Carbonizing the mixture and inert atmosphere in high temperature, then washing with hot water to remove inorganic salts, and drying to obtain a 3D porous material composed of interconnected curved thin carbon layers.
Bei Schritt (1) kann das inerte Salz aus einem Kaliumchlorid, Natriumchlorid oder NatriumCarbonat ausgewählt werden. Das Deaktivierungsmittel kann aus KaliumCarbonat, KaliumBicarbonat oder Kaliumoxalat ausgewählt werden. Der Kohlenstoffvorläufer kann aus den erneuerbaren Kohlenstoffquellen, die oben beschrieben sind, ausgewählt werden. Bei Schritt (2), kann die HochtemperaturKarbonisation bei 800 bis 900 X, wünschenswert 800 bis 850 X ausgeführt werden: Karbonisationszeit 1 bis 8 Stunden, wünschenswert 1 bis 4 Stunden.In step (1), the inert salt can be selected from a potassium chloride, sodium chloride or sodium carbonate. The deactivating agent can be selected from potassium carbonate, potassium bicarbonate or potassium oxalate. The carbon precursor can be selected from the renewable carbon sources described above. In step (2), the high temperature carbonization can be carried out at 800 to 900 X, desirably 800 to 850 X:
Die vorliegende Erfindung verkörpert zwei Hauptprozesse zum Herstellen porösen Kohlenstoffs aus untereinander verbundenen dünnen Wänden, die „selbstvorgelegt“ und „fremdvorgelegt“ sind.The present invention embodies two major processes for making porous carbon from interconnected thin walls that are "self-submitted" and "third-party".
Der Selbstvorlage-Prozess kann das Verwenden eines Salzes involvieren, der Kohlenstoff beinhaltet, und kann karbonisiert werden, als ein Beispiel Kaliumcitrat, Kaliumgluconat, Kaliumtartrat, Kaliumcitrat, Natriumcitrat usw. Wenn das Salz erhitzt wird, durchläuft es zunächst den Schmelzprozess, der Zersetzung begleitet, Wasser, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, leichte Kohlenwasserstoffe und einige teerähnliche klebrige und stinkende Öle bildet, die aus oxygenierten Kohlenwasserstoffen bestehen können; während des Fortschreitens der Zersetzung kann das Kation des ursprünglichen Salzes in einer löslichen Form mit Anion eines neu gebildeten Carbonats und/oder Oxalats und/oder einer anderen Form von Salz vorliegen; wenn die Konzentration des neu gebildeten Carbonats, Bicarbonats, Oxalats und/oder anderer Anionen einen Sättigungspunkt der Löslichkeit erreicht, beginnen die Übersättigungsbedingungen des neu gebildeten Carbonats, Bicarbonats, Oxalats und/oder anderer Anionen sich aufzubauen, während der Zersetzungsprozess weiter fortschreitet; wobei zu bemerken ist, dass Löslichkeitsübersättigung eines Salzes thermodynamisch so gut wie beständig ist; beim Erreichen eines Übersättigungpunkts, der nicht mehr (oder nicht länger) kinetisch beständig ist, resultiert es in Kristallisation des neu gebildeten Carbonat-, Bicarbonat, Oxalatsalzes und/oder anderen Anions. Ein organisches Carboxylatsalz, das eine Hydroxylgruppe umfasst (als ein Beispiel Kaliumcitrat, Kaliumgluconat, Kaliumtartrat usw.) kann ein Kristallisationsinhibitor sein; ein solcher Kristallisationsinhibitor erlaubt das Ausbilden eines höheren Niveaus an Übersättigung, was typischerweise zu einer großen Population von Kristalliten, die kleine Größe aufweisen, führt. Das neue kristallisierte Carbonat-, Bicarbonatsalz oder in einer anderen Form kann in sehr gleichmäßigen Teilchengrößen vorliegen. Während die Zersetzung fortsetzt, während die Temperatur steigt und/oder die Zeit fortschreitet, kann die Viskosität der Schmelze höher werden, was die Oberfläche der neu geformten Carbonat-, Bicarbonat-, Oxalatsalze und/oder anderen Formen von Salzen gleichmäßig beschichten kann. Dann verfestigt sich Kohlenstoff schließlich auf den Oberflächen der neugeformten Kristallite. Dieser Kohlenstoff-Vorlage-Prozess ist in dieser Offenbarung als ein Selbstvorlage-Prozess, ein Karbonisierungssprozess, beschrieben. Die Temperatur des Selbstvorlage-Prozesses kann unter 700 °C liegen. Ein solcher Selbstvorlage-Prozess kann durch rampenartiges Hochfahren der Temperatur mit einer konstanten Geschwindigkeit oder mit einer variierten Geschwindigkeit ausgeführt werden. Der Selbstvorlage-Prozess kann auch durch Konstanthalten der Heiztemperatur oder Einweichen genannt bei einer Temperatur von weniger als 700 °C oder darunter ausgeführt werden.The self-submission process can involve using a salt that contains carbon and can be carbonized, as an example potassium citrate, potassium gluconate, potassium tartrate, potassium citrate, sodium citrate, etc. When the salt is heated it first goes through the melting process that accompanies decomposition, Forms water, carbon dioxide, carbon monoxide, light hydrocarbons, and some tar-like sticky and smelly oils, which can consist of oxygenated hydrocarbons; as the decomposition proceeds, the cation of the original salt may be in a soluble form with an anion of a newly formed carbonate and / or oxalate and / or another form of salt; when the concentration of the newly formed carbonate, bicarbonate, oxalate and / or other anions reaches a saturation point of solubility, the supersaturation conditions of the newly formed carbonate, bicarbonate, oxalate and / or other anions begin to build up as the decomposition process continues; it should be noted that solubility supersaturation of a salt is thermodynamically as good as stable; when a supersaturation point is reached which is no longer (or no longer) kinetically stable, it results in crystallization of the newly formed carbonate, bicarbonate, oxalate salt and / or other anion. An organic carboxylate salt comprising a hydroxyl group (as an example, potassium citrate, potassium gluconate, potassium tartrate, etc.) can be a crystallization inhibitor; such a crystallization inhibitor allows a higher level of supersaturation to develop, which typically results in a large population of crystallites that are small in size. The new crystallized carbonate, bicarbonate salt or in another form can be present in very uniform particle sizes. As decomposition continues, as temperature increases and / or time proceeds, the viscosity of the melt can become higher which can evenly coat the surface of the newly formed carbonate, bicarbonate, oxalate salts and / or other forms of salts. Then carbon finally solidifies on the surfaces of the newly formed crystallites. This carbon submission process is described in this disclosure as a self submission process, a carbonization process. The temperature of the self-submission process can be below 700 ° C. Such a self-submission process can be carried out by ramping up the temperature at a constant rate or at a varied rate. The self-submission process can also be carried out by keeping the heating temperature constant or soaking at a temperature of less than 700 ° C or below.
Während die Temperatur steigt, erfährt das neu gebildete, Selbstvorlagedreidimensionale Kohlenstoff aus untereinander verbundenen dünnen Wänden einen Aktivierungsprozess durch die neu gebildeten Kristallite als eine Aktivierungschemikalie. Als ein Beispiel kann der Aktivierungsprozess im Wesentlichen auf der Hochtemperatur-Redoxreaktion zwischen Kohlenstoff und neu gebildeten Kristalliten, wie K2CO3 + C → K2O + 2CO, die bei etwa 700 °C oder darüber stattfindet, basieren. Der Kohlenstoffverbrauch kann in der Erzeugung von Porosität (insbesondere Mikroporosität) in Kohlenstoff resultieren, was zu der Bildung eines dreidimensionalen porösen Kohlenstoffs mit untereinander verbundenen dünnen Wänden führt. Die Aktivierungstemperatur kann bis zu 1100 °C betragen. Die rampenähnliche Geschwindigkeit kann von weniger als 1 °C/Min. bis 100 °C/Min. reichen. Ein Fluss eines inerten Trägergases, zum Beispiel Stickstoff oder Argon, kann für den Herstellungsprozess porösen Kohlenstoffs verwendet werden. Ein Reaktivgas, wie CO2 und Dampf, kann auch separat oder gemeinsam für die und während der Aktivierung verwendet werden.As the temperature rises, the newly formed, self-template three-dimensional carbon from interconnected thin walls undergoes an activation process by the newly formed crystallites as an activation chemical. As an example, the activation process may be based essentially on the high temperature redox reaction between carbon and newly formed crystallites, such as K 2 CO 3 + C → K 2 O + 2CO, which occurs at about 700 ° C or above. The consumption of carbon can result in the creation of porosity (particularly microporosity) in carbon, resulting in the formation of a three-dimensional porous carbon with interconnected thin walls. The activation temperature can be up to 1100 ° C. The ramp-like speed can be less than 1 ° C / min. up to 100 ° C / min. pass. A flow of an inert carrier gas, for example nitrogen or argon, can be used for the porous carbon manufacturing process. A reactive gas, such as CO 2 and steam, can also be used separately or together for and during the activation.
Es kann eine zusätzliche oder Sekundärreaktion auftreten, die zu dem Erzeugen der Porosität des Kohlenstoffs beitragen kann. Einige dieser Reaktionsprozesse können umfassen: i) die Vergasung von Kohlenstoff durch CO2, das während des Karbonisations- und/oder Aktivierungsprozesses erzeugt wird, ii) die Reduktion von Metalloxiden durch Kohlenstoff (als ein Beispiel K2O + C → CO + 2 K), iii) das Einfügen bestimmter neu gebildeter metallischer Arten (als ein Beispiel K) in Kohlenstoffschichten, oder iv) eine katalytische Wirkung assoziiert mit den Kationen, was insbesondere in dem Fall von Kalium relevant ist. Insbesondere ist die Vergasung des Kohlenstoffs relevant (C+CO2 = 2 CO) infolge des CO2, das während der Zersetzung des K2CO3 (K2CO3 → K2O + CO2), das nicht reagiert hat, erzeugt wird, das langsam bei einer Temperatur über 800 bis 850 °C auftritt.An additional or secondary reaction can occur that can contribute to creating the porosity of the carbon. Some of these reaction processes may include: i) the gasification of carbon by CO 2 generated during the carbonization and / or activation process, ii) the reduction of metal oxides by carbon (as an example K 2 O + C → CO + 2 K ), iii) the incorporation of certain newly formed metallic species (as an example K) in carbon layers, or iv) a catalytic effect associated with the cations, which is particularly relevant in the case of potassium. In particular, the gasification of the carbon is relevant (C + CO 2 = 2 CO) as a result of the CO 2 generated during the decomposition of the K 2 CO 3 (K 2 CO 3 → K 2 O + CO 2 ) that did not react which occurs slowly at a temperature above 800 to 850 ° C.
Ein Fremd-Vorlage-Prozess kann das Verwenden fremder Teilchen involvieren, zum Beispiel eines Deaktivierungsmittels (zum Beispiel eines Alkalimetallsalzes und Carbonats, wie K2CO3, eines Alkalimetallhydroxids, wie KOH), optional gemeinsam mit einem inerten Salz (zum Beispiel KCI, NaCl usw.), um ergiebige Porositätsmengen aus einer Kohlenstoffquelle zu erzeugen. Die fremden Teilchen können mit der Kohlenstoffquelle vor der Karbonisation oder nach der Karbonisation, bevorzugter vor dem Karbonisationsschritt, gemischt werden. Ein solches Mischen fremder Teilchen und der Kohlenstoffquelle kann durch physisches Mischen, optional gefolgt von mechanischem Mahlen, oder durch Rekristallisation der Kohlenstoffquelle gemeinsam mit der Chemikalie des fremden Teilchens aus einer wässrigen Lösung, einem wässrigen Schlamm oder Gegenstücken unter Verwenden eines organischen flüssigen Mediums erzielt werden. Der Trocknungsprozess für den Rekristallisationsprozess kann durch Verdampfen, Lufttrocknen, Ofentrocknen, Sprühtrocknen oder Gefriertrocknen erfolgen.A foreign template process can involve the use of foreign particles, for example a deactivating agent (for example an alkali metal salt and carbonate such as K 2 CO 3 , an alkali metal hydroxide such as KOH), optionally together with an inert salt (for example KCl, NaCl etc.) to produce abundant amounts of porosity from a carbon source. The foreign particles can be mixed with the carbon source before the carbonization or after the carbonization, more preferably before the carbonization step. Such mixing of foreign particles and the carbon source can be accomplished by physical mixing, optionally followed by mechanical milling, or by recrystallization of the carbon source along with the chemical of the foreign particle can be obtained from an aqueous solution, an aqueous slurry or counterparts using an organic liquid medium. The drying process for the recrystallization process can be carried out by evaporation, air drying, oven drying, spray drying or freeze drying.
Wenn das Gemisch bei dem Fremd-Vorlage-Prozess erhitzt wird, findet die Karbonisation-Aktivierung der Kohlenstoffquelle über einem Salz-Templat-Teilchen statt, ähnlich wie das, was in vorstehenden Absätzen über einen Selbstvorlage-Prozess beschrieben wurde. Während des Karbonisierungssprozesses kann die Kohlenstoffquelle irgendwie schmelzen und Zersetzungen erfahren, während die Temperatur steigt und die Zeit fortschreitet, wobei Nebenprodukte wie CO2, CO, Wasser, leichte Kohlenwasserstoffe und einige klebrige und dickflüssige schwere Kohlenwasserstoffe gebildet werden. Die Schmelzenviskosität kann zunehmen, und die Schmelze kann schließlich die Oberfläche der Fremdteilchen beschichten und sich darauf verfestigen, wobei eine Kohlenstoffbeschichtung mit untereinander verbundenen dünnen Wänden auf der Oberfläche der Fremdteilchen gebildet wird. Während die Temperatur weiterhin steigt, beginnt der Aktivierungsprozess und lässt Porosität entstehen, die im Wesentlichen auf der Hochtemperatur-Redoxreaktion, zum Beispiel K2CO3 + C → K2O + 2CO, die bei einer Temperatur um 700 °C oder darüber auftritt, basieren kann.When the mixture is heated in the foreign template process, the carbonization activation of the carbon source takes place over a salt template particle, similar to what was described in the previous paragraphs about a self-template process. During the carbonation process, the carbon source can somehow melt and decompose as the temperature rises and time goes on, forming byproducts such as CO 2 , CO, water, light hydrocarbons and some sticky and viscous heavy hydrocarbons. The melt viscosity may increase and the melt may eventually coat and solidify the surface of the foreign particles, forming an interconnected thin walled carbon coating on the surface of the foreign particles. As the temperature continues to rise, the activation process begins and creates porosity, which is essentially due to the high temperature redox reaction, for example K 2 CO 3 + C → K 2 O + 2CO, which occurs at a temperature around 700 ° C or above, can be based.
Als ein Beispiel, wenn die Fremdteilchen optional ein inertes Salz umfassen, als ein anderes Beispiel KCl, wird der Schmelzpunkt einer Aktivierungschemikalie, wie K2CO3,von 891 °C auf, als ein anderes Beispiel, etwa 630 °C gesenkt. Aufgrund der Bildung eines KCl-K2CO3-Flüssigphasensystems bei einer Temperatur um 630 °C oder ähnlich, kann die Aktivierung des Kohlenstoffs mit untereinander verbundenen dünnen Wänden merklich beschleunigt werden, möglicherweise aufgrund der verbesserten Reaktivität von K2CO3 mit den Karbonisiert Produkten (Kohlenstoff mit untereinander verbundenen dünnen Wänden), möglicherweise durch engere Kontakte zwischen der Aktivierungschemikalie (wie, in diesem Fall, K2CO3) und der Oberfläche des Kohlenstoffs mit untereinander verbundenen dünnen Wänden. Das kann nahelegen, dass der Fremd-Vorlage-Prozess mit fremden Teilchen, die eine Aktivierungschemikalie und, optional, ein inertes Salz umfassen, in der Tat eine funktionsfähige Reststrategie zum Erzielen der Synthese eines dreidimensionalen porösen Kohlenstoffs mit untereinander verbundenen dünnen Wänden mit ausreichenden Mengen an Porosität sein kann, während zweckdienliche Mengen an sauerstoffhaltigen Arten gewahrt werden (Aktivierung unter weniger schweren Bedingungen, das heißt bei einer niedrigeren Aktivierungstemperatur). Gleichzeitig kann die Oberfläche der Kohlenstoffoberfläche durch die geschmolzene KCl-K2CO3-Flüssigkeitsphase isoliert werden, was die sekundäre Reaktion des gebildeten CO2 und der des gebildeten porösen Kohlenstoffs mit untereinander verbundenen dünnen Wänden verhindert, möglicherweise durch Einschränken der Diffusion der gebildeten gasförmigen CO2-Moleküle zu der Oberfläche des verfestigten dreidimensionalen porösen Kohlenstoffs mit untereinander verbundenen dünnen Wänden, was zum Erreichen eines höheren Ertrags des porösen Kohlenstoffs mit untereinander verbundenen dünnen Wänden wünschenswert ist. Zusätzlich kann die „monolithische“ geschmolzene KCl-K2CO3-Flüssigkeitsphase auch die gasförmige Diffusion der abgegebenen Gase, wie flüchtiges Kohlenstoff, einschränken, was in einer Möglichkeit ihrer erneuten Abscheidung auf dem dreidimensionalen porösen Kohlenstoff mit untereinander verbundenen dünnen Wänden und einer Steigerung des Ertrags des porösen Kohlenstoffs mit untereinander verbundenen dünnen Wänden resultieren kann, was wünschenswert ist.As an example, when the foreign particles optionally comprise an inert salt, as another example KCl, the melting point of an activation chemical such as K 2 CO 3 is lowered from 891 ° C to, as another example, about 630 ° C. Due to the formation of a KCl-K 2 CO 3 liquid phase system at a temperature of around 630 ° C or similar, the activation of the carbon with interconnected thin walls can be significantly accelerated, possibly due to the improved reactivity of K 2 CO 3 with the carbonized products (Carbon with interconnected thin walls), possibly due to closer contacts between the activation chemical (such as, in this case, K 2 CO 3 ) and the surface of the carbon with interconnected thin walls. This may suggest that the foreign template process with foreign particles comprising an activation chemical and, optionally, an inert salt, is indeed a viable residual strategy for achieving the synthesis of a three-dimensional porous carbon with interconnected thin walls in sufficient quantities May be porosity while maintaining appropriate levels of oxygenated species (activation under less severe conditions, i.e. at a lower activation temperature). At the same time, the surface of the carbon surface can be isolated by the molten KCl-K 2 CO 3 liquid phase, which prevents the secondary reaction of the formed CO 2 and that of the formed porous carbon with interconnected thin walls, possibly by restricting the diffusion of the gaseous CO formed 2 molecules to the surface of the solidified three-dimensional porous carbon with interconnected thin walls, which is desirable for achieving a higher yield of the porous carbon with interconnected thin walls. In addition, the “monolithic” molten KCl-K 2 CO 3 liquid phase can also restrict the gaseous diffusion of the gases emitted, such as volatile carbon, which in one possibility of their redeposition on the three-dimensional porous carbon with interconnected thin walls and an increase in the Yield of the porous carbon with interconnected thin walls can result, which is desirable.
Beispiel 14. Dreidimensionaler poröser Kohlenstoff mit untereinander verbundenen dünnen Wänden: Nanomaterial: Kohlenstoffherstellung und -charakterisierungen - durch einen Fremd-Vorlage-Prozess: Gefriertrocknen des wässrigen Gemischs aus Kohlenstoffquelle wie Glucose, Aktivierungschemikalien wie K2CO3, und, optional einem inerten Salz wie KCl.Example 14. Three-dimensional porous carbon with interconnected thin walls: Nanomaterial: carbon production and characterizations - by an external template process: freeze-drying of the aqueous mixture of carbon source such as glucose, activation chemicals such as K 2 CO 3 , and, optionally, an inert salt such as KCl.
Nach dem Auflösen angemessener Mengen an KCl, K2CO3 und Glucose in vollentsalztem Wasser, wurde die Lösung mit flüssigem Stickstoff (-196 °C) eingefroren, dann zu einem Gefriertrockner transferiert und bei einer Temperatur von -50 °C und einem Druck von 0,06 mbar gefriergetrocknet, was in einem festen Gemisch aus KCI, K2CO3 und Glucose resultierte. Dann wurde das feste Gemisch bei 850 °C während 1 Stunde unter einer Inertatmosphäre karbonisiert und auf Raumtemperatur abgekühlt, gefolgt von Waschen mit heißem vollentsalztem Wasser, Filtern und Trocknen, was in einem dreidimensionalen porösen Kohlenstoff-Material mit untereinander verbundenen dünnen Wänden, das in
Die Oberfläche dieses dreidimensionalen porösen Kohlenstoff-Nanomaterials mit untereinander verbundenen dünnen Wänden, das aus Glucose abgeleitet wurde, ergab durch Messung 2.316 m2/g mit einem Gesamtporenvolumen von 1,04 cm3/g und einem Mikroporenvolumen von 0,90 cm3/g, mit etwa 86 % der Poren, die als Mikroporosität beschrieben sind, und etwa 14 % von Poren, die als Meso- und Makroporosität beschrieben sind. Die N2-Adsorptionsisotherme und die Porengrößenverteilungen des dreidimensionalen porösen Kohlenstoff-Nanomaterials mit untereinander verbundenen dünnen Wänden sind in
Bei einem anderen Beispiel wird Sojamehl an Stelle von Glucose verwendet. Aus
Die oben stehende Tabelle 5 zeigt eine Anzahl unterschiedlicher Beispiele des dreidimensionalen porösen Kohlenstoff-Nanomaterials mit untereinander verbundenen dünnen Wänden, das durch Fremd-Vorlage für unterschiedliche Kombinationen von Vorläufern hergestellt wird, Aktivierungs-/Vorlage-Mittel; Vorläufer-/Aktivierungs-/Vorlage-Mittel-Massenverhältnis; und Karbonisationsverhältnis - resultieren in den gezeigten unterschiedlichen Kombinationen von Textureigenschaften und chemischer Zusammensetzung, wobei VBET = Scheinoberfläche; Vp = Gesamtporenvolumen; und Vmikro = Mikroporenvolumen.Table 5 above shows a number of different examples of the three-dimensional porous carbon nanomaterial with interconnected thin walls made by foreign template for different combinations of precursors, activation / template agents; Precursor / activation / template agent mass ratio; and carbonation ratio - result in those shown different combinations of texture properties and chemical composition, where V BET = apparent surface; Vp = total pore volume; and Vmicro = micropore volume.
Beispiel: Dreidimensionales poröses Kohlenstoff-Nanomaterial mit untereinander verbundenen dünnen Wänden Herstellung des Kondensators und LeistungenExample: Three-dimensional porous carbon nanomaterial with interconnected thin walls. Manufacture of the capacitor and services
Die dreidimensionalen porösen Kohlenstoff-Nanomaterialien mit untereinander verbundenen dünnen Wänden in Beispiel 14 können als Elektroden in elektrochemischen Kondensatoren verwendet werden. Die Elektrode umfasst ein organisches Bindemittel, das zum Beispiel PTFE oder PVDF sein kann. Als eine Option beinhaltet die Elektrode auch einen Promotor elektrischer Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Carbon Black, Graphen, Nanoröhren usw. Bei einem typischen Beispiel wird ein Gemisch aus 85 Gew.-% aktiven Materials, 10 Gew.-% Bindemittel und 5 % Promotor elektrischer Leitfähigkeit vorbereitet.The three-dimensional porous carbon nanomaterials with interconnected thin walls in Example 14 can be used as electrodes in electrochemical capacitors. The electrode comprises an organic binder, which can be, for example, PTFE or PVDF. As an option, the electrode also includes an electrical conductivity promoter such as carbon black, graphene, nanotubes, etc. In a typical example, a mixture of 85 wt% active material, 10 wt% binder, and 5% promoter becomes electrical Conductivity prepared.
Das Herstellungsverfahren der Elektroden kann die Vorbereitung eines Schlamm der unterschiedlichen Bestandteile oder ihres Trockengemischs in einem Mörser beinhalten. Der Schlamm kann auf einen Stromsammler aufgebracht werden oder kann in selbsttragende Elektroden, wie Scheibenelektroden, geformt werden. Die Elektroden können dann vor ihrer Verwendung in einem elektrochemischen Kondensator gepresst oder gewalzt werden.The manufacturing process for the electrodes may involve preparing a slurry of the various components or their dry mixture in a mortar. The slurry can be applied to a current collector or can be formed into self-supporting electrodes such as disc electrodes. The electrodes can then be pressed or rolled in an electrochemical capacitor prior to use.
Ein symmetrischer elektrochemischer Kondensator kann unter Verwenden der oben beschriebenen Elektroden zusammengebaut werden. Zwei Elektroden mit derselben Masse und Stärke können verwendet werden. Die Stromsammler können aus Gold, rostfreiem Stahl, Aluminium, Nickel usw. in Abhängigkeit von dem verwendeten Elektrolyt hergestellt werden.A symmetrical electrochemical capacitor can be assembled using the electrodes described above. Two electrodes of the same mass and strength can be used. The current collectors can be made of gold, stainless steel, aluminum, nickel, etc. depending on the electrolyte used.
Der Elektrolyt kann eine wässrige Säurelösung sein, wie Schwefel- oder Chlorsäure, eine grundlegende Lösung, wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, ein Salz, wie Lithiumsulfat, Natriumsulfat, Kaliumsulfat usw.; der Elektrolyt kann eine organische Lösung sein, wie ein organisches Salz, zum Beispiel Tetramethylammonium-Tetrafluoroborat, Tetraethylammonium-Tetrafluoroborat, Tetrabutylammonium-Tetrafluoroborat usw.; oder eine organische Lösung, wie eine ionische Flüssigkeit, wie 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)Imid, 1-Butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)-Imid, 1-Ethyl-3-methylimidazolium-Tetrafluoroborat, 1-Butyl-3-methylimidazolium-Tetrafluoroborat, 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium Bis(trifluoromethylsulfonyl)Imid usw., oder eine reine ionische Flüssigkeit, wie oben erwähnt.The electrolyte can be an aqueous acid solution such as sulfuric or chloric acid, a basic solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide, a salt such as lithium sulfate, sodium sulfate, potassium sulfate, etc .; the electrolyte may be an organic solution such as an organic salt such as tetramethylammonium tetrafluoroborate, tetraethylammonium tetrafluoroborate, tetrabutylammonium tetrafluoroborate, etc .; or an organic solution, such as an ionic liquid such as 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1- Butyl 3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, etc., or a pure ionic liquid as mentioned above.
Der elektrochemische Kondensator kann mit 0,2 A/g, 0,5 A/g, 1 A/g, 5 A/g, 10 A/g, 20 A/g, 50 A/g oder schneller geladen werden. Die zusammengebauten elektrochemischen Kondensatoren wurden unter Verwenden eines computergesteuerten Potentiostats getestet. Die Tests bestanden aus zyklischen Voltammetrie-Experimenten (CV), elektrochemischen Impedanz-Spektroskopiestudien (EIS) und galvanostatischen Lade-/Entlade-Zyklisierungstests (CD- Zyklisierungstests). Die Zellspannung kann bis zu 1 V in einer sauren oder einer basischen Lösung betragen, bis zu 1,5 in einer wässrigen Salzlösung und bis zu 3 V in einer organischen und ionischen flüssigen Elektrolytlösung.The electrochemical capacitor can be charged at 0.2 A / g, 0.5 A / g, 1 A / g, 5 A / g, 10 A / g, 20 A / g, 50 A / g or faster. The assembled electrochemical capacitors were tested using a computer controlled potentiostat. The tests consisted of cyclic voltammetry (CV) experiments, electrochemical impedance spectroscopy studies (EIS) and galvanostatic charge / discharge cycling tests (CD cycling tests). The cell voltage can be up to 1 V in an acidic or a basic solution, up to 1.5 in an aqueous salt solution and up to 3 V in an organic and ionic liquid electrolyte solution.
bei einem Beispiel wird eine Lösung aus 1 M H2SO4 als Elektrolyt verwendet. Der elektrochemische Kondensator, der mit von Glucose abgeleitetem 3-dimensionalen porösen Kohlenstoff-Nanomaterial mit untereinander verbundenen dünnen Wänden hergestellt ist (glucosebasiert genannt), weist eine Zellkapazität von 57 F/g bei 0,2 A/g auf, und der elektrochemische Kondensator, der mit dreidimensionalem porösen Kohlenstoff-Nanomaterial mit untereinander verbundenen dünnen Wänden auf Sojamehlbasis hergestellt wurde (auch sojamehlbasiert genannt) weist eine Kapazität von 60 F/g auf. Bei einer ultragroßen Stromdichte von 110 A/g beträgt die Zellkapazität jeweils 24 und 31 F/g.in one example, a solution of 1 MH 2 SO 4 is used as the electrolyte. The electrochemical capacitor made with glucose-derived 3-dimensional porous carbon nanomaterial with interconnected thin walls (called glucose-based) has a cell capacity of 57 F / g at 0.2 A / g, and the electrochemical capacitor, made with three-dimensional porous carbon nanomaterial with interconnected thin walls based on soy flour (also called soy flour based) has a capacity of 60 F / g. At an ultra-high current density of 110 A / g, the cell capacity is 24 and 31 F / g, respectively.
Bei einem anderen Beispiel wird eine Lösung aus 1 M Li2SO4 als Elektrolyt verwendet. Der glucosebasierte elektrochemische Kondensator weist eine Zellkapazität von 37 F/g bei 0,2 A/g auf, und der sojamehlbasierte elektrochemische Kondensator von 39 F/g. Bei einer Stromdichte von 20 A/g beträgt die Zellkapazität jeweils 25 und 29 F/g.In another example, a solution of 1 M Li 2 SO 4 is used as the electrolyte. The glucose-based electrochemical capacitor has a cell capacity of 37 F / g at 0.2 A / g and the soy flour-based electrochemical capacitor of 39 F / g. At a current density of 20 A / g, the cell capacity is 25 and 29 F / g, respectively.
Bei einem anderen Beispiel wurde eine Lösung aus EMImTFSI in Acetonitril (1:1 Gew.-%) als einen Elektrolyt verwendet. Der glucosebasierte elektrochemische Kondensator weist eine Zellkapazität von 36 F/g bei 0,2 A/g auf, und der sojamehlbasierte elektrochemische Kondensator von 39 F/g. Bei einer Stromdichte von 30 A/g beträgt die Zellkapazität jeweils 28 und 30 F/g.In another example, a solution of EMImTFSI in acetonitrile (1: 1 wt%) was used as an electrolyte. The glucose-based electrochemical capacitor has a cell capacity of 36 F / g at 0.2 A / g, and the soy flour-based electrochemical capacitor of 39 F / g. At a current density of 30 A / g, the cell capacity is 28 and 30 F / g, respectively.
Ein Ragone-ähnlicher Kontakt der elektrochemischen Kondensatoren mit unterschiedlichen Elektrolyten ist in Figur X8 gezeigt. Die Robustheit der elektrochemischen Kondensatoren wurde durch Langzeit-Zyklisierung bei 5 bis 10 A/g über mehr als 5000 Zyklen getestet.A Ragone-like contact of the electrochemical capacitors with different electrolytes is shown in FIG. X8. The robustness of the electrochemical capacitors was tested by long-term cycling at 5 to 10 A / g for more than 5000 cycles.
Beispiel 16 Dreidimensionales poröses Kohlenstoff-Nanomaterial mit untereinander verbundenen dünnen Wänden: Kohlenstoffherstellung durch einen Fremd-Vorlage-Prozess, Mischen (optional gefolgt von Mahlen) der Kohlenstoffquelle, wie Zucker, Glucose, Sojamehl oder Sägespänen, Aktivierungschemikalie wie K2CO3 und, optional, ein inertes Salz wie KCl.Example 16 Three-dimensional porous carbon nanomaterial with interconnected thin walls: carbon production by an external template process, mixing (optionally followed by grinding) the carbon source, such as sugar, glucose, soy flour or sawdust, activation chemicals such as K 2 CO 3 and, optionally , an inert salt like KCl.
Zweckdienliche Mengen einer Kohlenstoffquelle, wie Zucker, Glucose, Sojamehl, Sägespäne (zum Beispiel Kiefersägespäne, Kirschensägespäne oder Eichensägespäne), eine Aktivierungschemikalie, wie K2CO3, und, optional, ein inertes Salz wie KCl, wurden in einen Includer gewogen, gefolgt von physischem Mischen, das mechanisches Mahlen involvieren kann, gefolgt von Transferieren in einen Schmelztiegel, der aus Keramik, Stahl, rostfreiem Stahl usw. hergestellt sein kann. Unter einem Inertgasfluss (der auch optional ist) wird das Gemisch mit einer rampenartigen Geschwindigkeit von weniger als 100 °C/Min. erhitzt, optional auf eine Durchwärmtemperatur gleich oder kleiner als 700 °C während einer Zeitspanne für Karbonisation, oder direkt auf eine Aktivierungstemperatur, die gleich oder größer ist als 700 °C, und Verweilen an der Temperatur während einer Zeitspanne für die Aktivierung. Während des rampenartigen Prozesses durchläuft die Kohlenstoffquelle einen Karbonisierungssprozess durch Zersetzung in CO, CO2, Wasser, leichte Kohlenwasserstoffe und schwere und dickflüssige ölige Kohlenwasserstoffe. Während des Aktivierungsprozesses können sich weiterhin CO, CO2, Wasser und flüchtige Kohlenstoffstoffe bilden.Appropriate amounts of a carbon source such as sugar, glucose, soy flour, sawdust (e.g., pine sawdust, cherry sawdust, or oak sawdust), an activation chemical such as K 2 CO 3 , and, optionally, an inert salt such as KCl, were weighed into an include, followed by physical mixing, which may involve mechanical grinding, followed by transferring to a crucible, which may be made of ceramic, steel, stainless steel, and so on. Under an inert gas flow (which is also optional) the mixture is ramped at a rate of less than 100 ° C / min. heated, optionally to a soak temperature equal to or less than 700 ° C during a period for carbonization, or directly to an activation temperature which is equal to or greater than 700 ° C, and dwell at the temperature for a period of time for the activation. During the ramp-like process, the carbon source goes through a carbonization process by decomposing into CO, CO 2 , water, light hydrocarbons, and heavy and viscous oily hydrocarbons. During the activation process, CO, CO 2 , water and volatile carbon materials can continue to form.
Nach dem Aktivieren wird das Gemisch mit Wasser gemischt, und optional mit einer Säure wie Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure usw. neutralisiert. Der Kohlenstoff-Schlamm wird dann gefiltert und mit Wasser auf ein Niveau gewaschen, das ein niedriges Niveau an elektrischer Leitfähigkeit aufweist, als ein Beispiel weniger als 5000 µS/cm, weniger als 3000 µS/cm, weniger als 1000 µS/cm und, optional, mit einem vollentsalzten oder destillierten Wasser, auf eine Leitfähigkeit von weniger als 300 µS/cm, weniger als 100 µS/cm oder sogar weniger als 50 µS/cm. Die gefilterten Kuchen können in einem Ofen zum Austrocknen des Wassers getrocknet werden.After activation, the mixture is mixed with water and optionally neutralized with an acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, etc. The carbon sludge is then filtered and washed with water to a level that has a low level of electrical conductivity, as an example less than 5000 µS / cm, less than 3000 µS / cm, less than 1000 µS / cm and, optionally , with fully demineralized or distilled water, to a conductivity of less than 300 µS / cm, less than 100 µS / cm or even less than 50 µS / cm. The filtered cakes can be dried in an oven to dry out the water.
Die daraus resultierenden dreidimensionalen porösen Kohlenstoff-Nanomaterialien mit untereinander verbundenen dünnen Wänden wurden mit Sauerstoffgehalt, SEM, XRD, Raman, TGA-DSC, N2- und CO2-BET- Oberflächen- und Porengrößenverteilungen charakterisiert.The resulting three-dimensional porous carbon nanomaterials with interconnected thin walls were characterized with oxygen content, SEM, XRD, Raman, TGA-DSC, N 2 and CO 2 BET surface and pore size distributions.
Die folgende Tabelle 6 zeigt eine Elementaranalyse der 3-dimensionalen porösen Kohlenstoff-Nanomaterialien mit untereinander verbundenen dünnen Wänden, wie 237-8 (selbstvorgelegter-Kohlenstoff synthetisiert aus Kaliumcitrat), 237-51A (selbstvorgelegter-Kohlenstoff aus Kaliumcitrat), SKK2 (fremdvorgelegter-Kohlenstoff) vs. Kohlenstoffs aus dem Handel, wie Elite C, verfügbar bei Calgon Kohlenstoff of Pittsburgh, Pennsylvania, USA; YP-50 verfügbar bei Kruray Co. Ltd in Osaka, Japan; Ketjen-Carbon Black, verfügbar bei Lion Specialty Chemicals Co. Ltd. in Tokyo, Japan; Maxsorb, verfügbar bei Kansai Coke and Chemicals Co. Ltd. in Hyogo, Japan.
Tabelle 6
Die oben stehende Tabelle zeigt zwei Kohlenstoffgruppen, wobei eine Gruppe die 3-dimensionalen porösen Kohlenstoff-Nanomaterialien mit untereinander verbundenen dünnen Wänden sind, wie 237-8 (Selbstvorlage-Kohlenstoff, synthetisiert aus Kaliumcitrat), 237-51A (Fremdvorlage-Kohlenstoff aus Glucose), 237-101D (Selbstvorlage-Kohlenstoff synthetisiert aus Kaliumcitrat) und SKK2 (Fremdvorlage-Kohlenstoff aus Zucker), die einen Sauerstoffgehalt größer als 1,5 Gew.-%, größer als 2,0 Gew.-%, größer als 3 Gew.-% oder größer als 4.0 Gew.-% aufweisen. XRD-Studien zeigen, dass die Kohlenstoffmaterialien in der oben stehenden Tabelle alle amorph sind. Raman-Studien zeigen, dass die Kohlenstoffmaterialien in der oben stehenden Tabelle auch amorphe Beschaffenheit aufweisen, indem sie amorphe Kohlenstoff-Signatur-Raman-Streuung sowohl am D-Peak als auch am G-Peak zeigen.The table above shows two carbon groups, one group being the 3-dimensional porous carbon nanomaterials with interconnected thin walls, such as 237-8 (self-supply carbon, synthesized from potassium citrate), 237-51A (external supply carbon from glucose) , 237-101D (self-original carbon synthesized from potassium citrate) and SKK2 (external original carbon from sugar), which have an oxygen content greater than 1.5% by weight, greater than 2.0% by weight, greater than 3% by weight. -% or greater than 4.0% by weight. XRD studies show that the carbon materials in the table above are all amorphous. Raman studies show that the carbon materials in the table above are also amorphous in nature by showing amorphous carbon signature Raman scattering at both the D-peak and the G-peak.
Der vorbereitete poröse Kohlenstoff mit untereinander verbundenen dünnen Wänden wird dann verwendet, um Selenimmobilisation vorzubereiten. Zweckdienliche Mengen an Selen und Kohlenstoff werden wie oben beschrieben gemischt, gefolgt von Schmelzen des Selens in den porösen Kohlenstoff mit untereinander verbundenen dünnen Wänden bei Anwesenheit hoher Niveaus an Sauerstoff-Arten, was in immobilisiertem Selen der vorliegenden Erfindung resultiert; wobei auf die vorstehende Beschreibung für den Herstellungsprozess immobilisierten Selens in der vorliegenden Offenbarung verwiesen wird. Das immobilisierte Selen wird dann durch Sauerstoffgehaltanalyse, XRD, Raman, SEM, TGA-DSC usw. charakterisiert.The prepared porous carbon with interconnected thin walls is then used to prepare selenium immobilization. Appropriate amounts of selenium and carbon are mixed as described above, followed by melting the selenium into the porous carbon with interconnected thin walls in the presence of high levels of oxygen species, resulting in the immobilized selenium of the present invention; reference being made to the above description for the manufacturing process of immobilized selenium in the present disclosure. The immobilized selenium is then characterized by oxygen content analysis, XRD, Raman, SEM, TGA-DSC, etc.
Tabelle Sauerstoffgehaltanalyse des immobilisierten Selens in den 3-dimensionalen porösen Kohlenstoff-Nanomaterialien mit untereinander verbundenen dünnen Wänden, die einen größer als 1,5 Gew.-%, größer als 2,0 Gew.-%, größer als 3% Gew.-%, oder größer als 4,0 Gew.-%, vs. das immobilisierte Kohlenstoff-Selen-Kompositmaterial, das mit handelsüblichen Kohlenstoffs vorbereitet wird, das einen Sauerstoffgehalt kleiner als 1,5%, kleiner als 2,0 Gew.-%, kleiner als 3% Gew.-%, kleiner als 4,0 Gew.-% aufweist.
Tabelle 7
Die oben stehende Tabelle 7 zeigt zwei unterschiedliche Gruppen immobilisierten Selens, eine Gruppe (Gruppe I genannt, nämlich Ketjen 600JD, 237-8, 237-51A, 237-67, 237-101D und SKK-2), die einen Sauerstoffgehalt aufweist, der in etwa eine Hälfte des Sauerstoffgehalts für die 3-dimensionalen porösen Kohlenstoffnanomaterialien mit untereinander verbundenen dünnen Wänden beträgt, von 1 % bis 10 %, von 1,5 % bis 9% oder von 2% to 8%, eine andere Gruppe (Gruppe II genannt, nämlich Elite C und Maxsorb MSP20X), die einen Sauerstoffgehalt aufweist, der mindestens das Fünffache des Sauerstoffgehalts des Kohlenstoffs aufweist, oder größer als 8%, größer als 9% oder größer als 10%. Zu bemerken ist, dass Ketjun-Kohlenstoff nicht poröser Kohlenstoff ist, dessen Kohlenstoff-Selen-Kompositmaterial als nicht-immobilisiertes Selen betrachtet wird, weshalb sein Sauerstoffgehalt sehr niedrig bleibt, kleiner als 1 %.Table 7 above shows two different groups of immobilized selenium, a group (called group I, namely Ketjen 600JD, 237-8, 237-51A, 237-67, 237-101D and SKK-2) that has an oxygen content that about one half of the oxygen content for the 3-dimensional porous carbon nanomaterials with interconnected thin walls is from 1% to 10%, from 1.5% to 9% or from 2% to 8%, another group (called group II namely Elite C and Maxsorb MSP20X), which has an oxygen content that is at least five times the oxygen content of carbon, or greater than 8%, greater than 9% or greater than 10%. It should be noted that Ketjun carbon is non-porous carbon, the carbon-selenium composite of which is considered to be non-immobilized selenium, so its oxygen content remains very low, less than 1%.
Die Sauerstoff-Arten in der Gruppe I immobilisierten Selens kann kritische Rollen als chemische Grenzflächengruppen bei der Immobilisation von Selen spielen, was starke Wechselwirkungen zwischen Kohlenstoff und Selen erlaubt, die in einer dichteren Packung der Selenatome oder Arten innerhalb der Poren der dreidimensionalen porösen Kohlenstoff-Nanomaterialien mit untereinander verbundenen dünnen Wänden resultieren, was sich in einer verbesserten Stoßfrequenz, die in Beispielen der vorliegenden Offenbarung gezeigt ist, niederschlagen kann. Solche Wechselwirkungen zwischen Kohlenstoffgerüst und Selenatomen oder chemischen Selen-Arten können sich ferner auch in einer höheren intrinsischen Dichte niederschlagen.The oxygen species in Group I immobilized selenium can play critical roles as chemical interfacial groups in the immobilization of selenium, which allows strong interactions between carbon and selenium, resulting in a closer packing of the selenium atoms or species within the pores of the three-dimensional porous carbon nanomaterials interconnected thin walls result, which can translate into an improved impact frequency shown in examples of the present disclosure. Such interactions between the carbon structure and selenium atoms or chemical selenium types can also be reflected in a higher intrinsic density.
Als ein Beispiel eine Probe des immobilisierten Selens, die aus dreidimensionalen porösen Kohlenstoff-Nanomaterialien mit untereinander verbundenen dünnen Wänden hergestellt ist, zum Beispiel Selbstvorlage-Kohlenstoff aus Kaliumcitrat synthetisiert, mit einem Verhältnis 50-50 (nach Gewicht) des Kohlenstoffs zu dem Selen. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass seine Dichte 3,42 g/cm3 beträgt. Man möge zur Kenntnis nehmen, dass Selen eine Dichte von 4,819 g/cm3 aufweist. Durch Verwenden von 4,819 g/cm3 wird die Kohlenstoffdichte in dem Kompositmaterial aus immobilisiertem Selen als etwa 2,8 g/cm3 berechnet. Zu bemerken ist auch, dass Diamant eine Dichte von 3,5 g/cm3 aufweist; Graphit eine Dichte von etwa 2,3 g/cm3 aufweist; und amorphes Kohlenstoff eine typische Dichte von etwa 2,0 g/cm3 aufweist.As an example, a sample of immobilized selenium made from three-dimensional porous carbon nanomaterials with interconnected thin walls, for example Self-template carbon synthesized from potassium citrate, with a 50-50 ratio (by weight) of the carbon to the selenium. Surprisingly, it was found that its density is 3.42 g / cm3. It should be noted that selenium has a density of 4.819 g / cm3. Using 4.819 g / cm3, the carbon density in the composite material of immobilized selenium is calculated to be about 2.8 g / cm3. It should also be noted that diamond has a density of 3.5 g / cm3; Graphite has a density of about 2.3 g / cm3; and amorphous carbon has a typical density of about 2.0 g / cm3.
Das immobilisierte Selen wird dann verwendet, um eine Kathode einer wiederaufladbaren Batterie durch Mischen zweckdienlicher Mengen an immobilisiertem Selen, einem wässrigen oder organischen Medium und mindestens einem Bindemittel, wie oben beschrieben, herzustellen, gefolgt von Beschichten auf einen Ladungssammler, als ein Beispiel Aluminiumfolie, was in einer Kathode resultiert, die immobilisiertes Selen umfasst. Für den Herstellungsprozess einer Kathode, die immobilisiertes Selen umfasst, möge man die oben stehende Beschreibung in der vorliegenden Offenbarung heranziehen.The immobilized selenium is then used to prepare a cathode of a rechargeable battery by mixing appropriate amounts of immobilized selenium, an aqueous or organic medium and at least one binder as described above, followed by coating on a charge collector, as an example aluminum foil, what results in a cathode comprising immobilized selenium. For the manufacturing process of a cathode which comprises immobilized selenium, one should use the above description in the present disclosure.
Die daraus resultierende Kathode, die immobilisiertes Selen umfasst, wird dann verwendet, um eine wiederaufladbare Batterie mit einer Anode, als ein Beispiel Lithium, einem Separator und einem Elektrolyt zusammenzufügen. Für den Zusammenbauprozess einer wiederaufladbaren Batterie, die eine Kathode umfasst, die immobilisiertes Selen umfasst, möge man die oben stehende Beschreibung in der vorliegenden Offenbarung heranziehen.The resulting cathode, comprising immobilized selenium, is then used to assemble a rechargeable battery with an anode, as an example lithium, a separator and an electrolyte. For the assembly process of a rechargeable battery that includes a cathode that includes immobilized selenium, refer to the description above in the present disclosure.
Die daraus resultierende Kohlenstoffprobe kann ferner bei einem Elektrodenherstellungsprozess für einen Kondensator einer wiederaufladbaren Batterie verwendet werden.The resulting carbon sample can also be used in an electrode manufacturing process for a capacitor of a rechargeable battery.
Die Beispiele wurden unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben. Änderungen und Abänderungen können sich für andere Personen bei der Lektüre und beim Verstehen der oben stehenden Beispiele ergeben. Die oben stehenden Beispiele dürfen daher nicht als die Offenbarung einschränkend ausgelegt werden.The examples have been described with reference to the accompanying figures. Changes and modifications may arise for other people when reading and understanding the above examples. The above examples should therefore not be construed as limiting the disclosure.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 15434655 [0001]US 15434655 [0001]
- US 62/802929 [0001]US 62/802929 [0001]
- CN 104393304 A [0004]CN 104393304 A [0004]
- CN 104201389 B [0005]CN 104201389 B [0005]
- US 2012/0225352 [0044, 0045]US 2012/0225352 [0044, 0045]
- US 2015/0064575 [0046]US 2015/0064575 [0046]
- US 2016/0020491 [0047]US 2016/0020491 [0047]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- „A New Class of Lithium and Sodium Rechargeable Batteries Based on Selen and Selen-Sulfur as a Positive Electrode“, Ali Abouimrane, Damien Dambournet, Kerena W. Chapman, Peter J. Chupa, Wei Wang und Khalil Amine, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4505-4508 [0048]"A New Class of Lithium and Sodium Rechargeable Batteries Based on Selenium and Selenium-Sulfur as a Positive Electrode", Ali Abouimrane, Damien Dambournet, Kerena W. Chapman, Peter J. Chupa, Wei Wang and Khalil Amine, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4505-4508 [0048]
- „A Free-Standing and Ultralong-life Lithium-Selen Battery Cathode Enabled by 3D Mesoporous Kohlenstoff/Graphene Hierachical Architecture“, Kai Han, Zhao Liu, Jingmei Shen, Yuyuan Lin, Fand Dai und Hongqi Ye, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 455-463 [0049]"A Free-Standing and Ultralong-life Lithium-Selenium Battery Cathode Enabled by 3D Mesoporous Carbon / Graphene Hierachical Architecture", Kai Han, Zhao Liu, Jingmei Shen, Yuyuan Lin, Fand Dai and Hongqi Ye, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 455-463 [0049]
- „Micro- and Mesoporous Carbide-Derived Kohlenstoff-Selen Cathodes for High-Performance Lithium Selen Batteries", Jung Tai Lee, Hyea Kim, Marin Oschatz, Dong-Chan Lee, Feixiang Wu, Huan-Ting Lin, Bogdan Zdyrko, Wan I1 Chao, Stefan Kaskel und Gleb Yushin, Adv. Energy Mater. 2014, 1400981 [0050]"Micro- and Mesoporous Carbide-Derived Carbon-Selenium Cathodes for High-Performance Lithium Selenium Batteries", Jung Tai Lee, Hyea Kim, Marin Oschatz, Dong-Chan Lee, Feixiang Wu, Huan-Ting Lin, Bogdan Zdyrko, Wan I1 Chao , Stefan Kaskel and Gleb Yushin, Adv. Energy Mater. 2014, 1400981 [0050]
- „High-Performance Lithium Selen Battery with Se/Microporous Kohlenstoff Composite Cathode and Carbonate-Based Electrolyte", Chao Wu, Lixia Yuan, Zhen Li, Ziqi Yi, Rui Zeng, Yanrong Li und Yunhui Huang, Sci. China Mater. 2015, 58, 91-97 [0051]"High-Performance Lithium Selenium Battery with Se / Microporous Carbon Composite Cathode and Carbonate-Based Electrolyte", Chao Wu, Lixia Yuan, Zhen Li, Ziqi Yi, Rui Zeng, Yanrong Li and Yunhui Huang, Sci. China Mater. 2015, 58 , 91-97 [0051]
- „Advanced Se-C Nanocomposites: a Bifunctional Electrode Material for both Li-Se and Li-ion Batteries", Huan Ye, Ya-Xia Yin, Shuai-Feng Zhang und Yu-Guo Guo, J. Mater. Chem. A., 23. Mai 2014 [0052]"Advanced Se-C Nanocomposites: a Bifunctional Electrode Material for both Li-Se and Li-ion Batteries", Huan Ye, Ya-Xia Yin, Shuai-Feng Zhang and Yu-Guo Guo, J. Mater. Chem. A., May 23, 2014 [0052]
- „Lithium Iodide as a Promising Electrolyte Additive for Lithium-Sulfur Batteries: Mechanisms of Performance Enhancement", Feixiang Wu, Jung Tae Lee, Naoki Nitta, Hyea Kim, Oleg Borodin und Gleb Yushin, Adv. Mater. 2015, 27, 101-108 [0053]"Lithium Iodide as a Promising Electrolyte Additive for Lithium-Sulfur Batteries: Mechanisms of Performance Enhancement", Feixiang Wu, Jung Tae Lee, Naoki Nitta, Hyea Kim, Oleg Borodin and Gleb Yushin, Adv. Mater. 2015, 27, 101-108 [0053]
- „A Se/C Composite as Cathode Material for Rechargeable Lithium Batteries with Good Electrochemical Performance", Lili Li, Yuyang Hou, Yaqiong Yang, Minxia Li, Xiaowei Wang und Yuping Wu, RSC Adv., 2014, 4, 9086-9091 [0054]"A Se / C Composite as Cathode Material for Rechargeable Lithium Batteries with Good Electrochemical Performance", Lili Li, Yuyang Hou, Yaqiong Yang, Minxia Li, Xiaowei Wang and Yuping Wu, RSC Adv., 2014, 4, 9086-9091 [0054 ]
- „Elemental Selen for Electrochemical Energy Storage", Chun-Peng Yang, Ya-Xia Yin und Yu-Guo Guo, J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 256-266 [0055]"Elemental Selenium for Electrochemical Energy Storage", Chun-Peng Yang, Ya-Xia Yin and Yu-Guo Guo, J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 256-266 [0055]
-
„Selen@mesoporous Kohlenstoff Composite with Superior Lithium and Sodium Storage Capacity", Chao Luo, Yunhua Xu, Yujie Zhu, Yihang Liu, Shiyou Zheng, Ying Liu, Alex Langrock und Chunsheng Wang, ACSNANO, Band 7, Nr. 9, 8003-8010 [0056]"Selenium @ mesoporous carbon composite with Superior Lithium and Sodium Storage Capacity", Chao Luo, Yunhua Xu, Yujie Zhu, Yihang Liu, Shiyou Zheng, Ying Liu, Alex Langrock and Chunsheng Wang, ACSNANO,
Volume 7, No. 9, 8003- 8010 [0056] - A. M. Zaitsev, Optical Properties of Diamond, 2001, Springer und (2) S. Prawer, R. J. Nemanich, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2537-2565 [0086]A. M. Zaitsev, Optical Properties of Diamond, 2001, Springer and (2) S. Prawer, R. J. Nemanich, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2537-2565 [0086]
- Jacek Jagiello, Conchi Ania, Jose B. Parra und Cameron Cook, Kohlenstoff 91, 2015, Seiten 330 bis 337 [0087]Jacek Jagiello, Conchi Ania, Jose B. Parra and Cameron Cook, Carbon 91, 2015, pages 330 to 337 [0087]
Claims (11)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201962802929P | 2019-02-08 | 2019-02-08 | |
US62/802,929 | 2019-02-08 | ||
PCT/US2020/017509 WO2020163864A1 (en) | 2019-02-08 | 2020-02-10 | Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, and uses in a rechargeable battery |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE112020000025T5 true DE112020000025T5 (en) | 2021-01-28 |
Family
ID=71947900
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE112020000018.4T Ceased DE112020000018T5 (en) | 2019-02-08 | 2020-02-10 | IMMOBILIZED CHALCOGEN AND ITS USE IN A RECHARGEABLE BATTERY |
DE112020000025.7T Pending DE112020000025T5 (en) | 2019-02-08 | 2020-02-10 | IMMOBILIZED SELENIUM IN A POROUS CARBON WITH THE PRESENCE OF OXYGEN AND USES IN A RECHARGEABLE BATTERY |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE112020000018.4T Ceased DE112020000018T5 (en) | 2019-02-08 | 2020-02-10 | IMMOBILIZED CHALCOGEN AND ITS USE IN A RECHARGEABLE BATTERY |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
JP (4) | JP7420719B2 (en) |
KR (4) | KR20230059844A (en) |
CN (2) | CN111868973A (en) |
DE (2) | DE112020000018T5 (en) |
GB (3) | GB2585578B (en) |
WO (2) | WO2020163864A1 (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11784303B2 (en) | 2015-09-22 | 2023-10-10 | Ii-Vi Delaware, Inc. | Immobilized chalcogen and use thereof in a rechargeable battery |
US11588149B2 (en) | 2015-09-22 | 2023-02-21 | Ii-Vi Delaware, Inc. | Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery |
US11870059B2 (en) | 2017-02-16 | 2024-01-09 | Consejo Superior De Investigaciones Cientificas (Csic) | Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery |
CA3107294A1 (en) * | 2020-02-07 | 2021-08-07 | Ii-Vi Delaware, Inc. | Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery |
CN115231550B (en) * | 2022-08-05 | 2024-02-06 | 中国新型建材设计研究院有限公司 | Preparation method and application of porous carbon material |
Family Cites Families (26)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4245991B2 (en) * | 2003-06-25 | 2009-04-02 | 帝人株式会社 | Solid polymer electrolyte, membrane using the same, catalyst electrode layer, membrane / electrode assembly, and fuel cell |
US20060183165A1 (en) * | 2005-02-15 | 2006-08-17 | Zhang Sean X | Combination of chemical differentiators and their applications in mass sensing-based chemical sensor systems |
US7824578B2 (en) * | 2005-09-15 | 2010-11-02 | Lg Chem, Ltd. | Additives for non-aqueous electrolytes and electrochemical device using the same |
TWI304803B (en) * | 2005-09-15 | 2009-01-01 | Lg Chemical Ltd | Additives for non-aqueous electrolytes and electrochemical device using the same |
EP2084105A4 (en) * | 2006-10-18 | 2011-07-27 | Agency Science Tech & Res | Method of functionalizing a carbon material |
JP5292742B2 (en) | 2007-08-21 | 2013-09-18 | 凸版印刷株式会社 | Fuel cell using solid acid and method for producing solid acid |
US8765223B2 (en) * | 2008-05-08 | 2014-07-01 | Air Products And Chemicals, Inc. | Binary and ternary metal chalcogenide materials and method of making and using same |
WO2010027337A1 (en) * | 2008-09-08 | 2010-03-11 | Nanyang Technological University | Electrode materials for metal-air batteries, fuel cells and supercapacitors |
US8758584B2 (en) * | 2010-12-16 | 2014-06-24 | Sensor Innovations, Inc. | Electrochemical sensors |
JP5589821B2 (en) * | 2010-12-20 | 2014-09-17 | 株式会社豊田中央研究所 | Electric storage device and method for manufacturing electrode active material |
US9005808B2 (en) * | 2011-03-01 | 2015-04-14 | Uchicago Argonne, Llc | Electrode materials for rechargeable batteries |
JP6266519B2 (en) * | 2011-08-30 | 2018-01-24 | コーネル・ユニバーシティーCornell University | Metal and ceramic nanofibers |
CN105244476A (en) | 2014-06-11 | 2016-01-13 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | Nitrogen-doped graphene-coated nanometer sulfur cathode composite material, and preparation method and applications thereof |
CN104393304B (en) * | 2014-11-13 | 2017-08-25 | 清华大学深圳研究生院 | Lithium selenium cell positive electrode and preparation method thereof and lithium selenium cell |
JP6756742B2 (en) | 2015-06-05 | 2020-09-16 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングRobert Bosch Gmbh | Sulfur-carbon composites containing microporous carbon nanosheets for lithium-sulfur batteries and the process for preparing them |
CN105070892B (en) * | 2015-09-22 | 2018-03-06 | 中国科学院化学研究所 | A kind of preparation method and application of selenium carbon complex |
US10734638B2 (en) * | 2015-09-22 | 2020-08-04 | Ii-Vi Delaware, Inc. | Immobilized selenium, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery |
US11588149B2 (en) * | 2015-09-22 | 2023-02-21 | Ii-Vi Delaware, Inc. | Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery |
US11316166B2 (en) * | 2015-12-30 | 2022-04-26 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Functionalization of carbon for embedding in chalcogen particles to enhance electronic conductivity |
KR20180114151A (en) * | 2016-02-17 | 2018-10-17 | 투-식스 인코포레이티드 | Immobilized selenium, its preparation, and use of immobilized selenium in a rechargeable battery |
CN105932252B (en) * | 2016-06-03 | 2018-10-02 | 东华大学 | A kind of sulphur selenizing molybdenum/carbon nano tube compound material and its preparation and application |
US10199637B2 (en) * | 2016-06-07 | 2019-02-05 | Nanotek Instruments, Inc. | Graphene-metal hybrid foam-based electrode for an alkali metal battery |
CN106602010B (en) * | 2016-12-12 | 2019-05-10 | 江华中科能源科技有限公司 | The preparation method and application of graphene coated sulphur selenium co-impregnation porous carbon positive electrode |
US11870059B2 (en) * | 2017-02-16 | 2024-01-09 | Consejo Superior De Investigaciones Cientificas (Csic) | Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery |
US11515540B2 (en) * | 2018-04-09 | 2022-11-29 | Global Graphene Group, Inc. | Alkali metal-selenium secondary battery containing a graphene foam-protected selenium cathode |
US20190312261A1 (en) * | 2018-04-09 | 2019-10-10 | Nanotek Instruments, Inc. | Production process for a graphene foam-protected selenium cathode and an alkali metal-selenium secondary battery containing same |
-
2020
- 2020-02-10 WO PCT/US2020/017509 patent/WO2020163864A1/en active Application Filing
- 2020-02-10 KR KR1020237014277A patent/KR20230059844A/en not_active Application Discontinuation
- 2020-02-10 DE DE112020000018.4T patent/DE112020000018T5/en not_active Ceased
- 2020-02-10 JP JP2020531635A patent/JP7420719B2/en active Active
- 2020-02-10 WO PCT/US2020/017516 patent/WO2020163869A1/en active Application Filing
- 2020-02-10 JP JP2020538795A patent/JP7253559B2/en active Active
- 2020-02-10 KR KR1020237013746A patent/KR102647675B1/en active IP Right Grant
- 2020-02-10 CN CN202080001976.4A patent/CN111868973A/en active Pending
- 2020-02-10 KR KR1020207025438A patent/KR102528313B1/en active IP Right Grant
- 2020-02-10 CN CN202080001648.4A patent/CN112105582B/en active Active
- 2020-02-10 KR KR1020207025459A patent/KR102528307B1/en active Application Filing
- 2020-02-10 GB GB2014022.4A patent/GB2585578B/en active Active
- 2020-02-10 GB GB2110880.8A patent/GB2598837B/en active Active
- 2020-02-10 GB GB2307728.2A patent/GB2617281B/en active Active
- 2020-02-10 DE DE112020000025.7T patent/DE112020000025T5/en active Pending
-
2023
- 2023-03-27 JP JP2023050115A patent/JP2023093466A/en active Pending
-
2024
- 2024-01-11 JP JP2024002449A patent/JP2024054113A/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR102528313B1 (en) | 2023-05-03 |
WO2020163869A1 (en) | 2020-08-13 |
CN112105582B (en) | 2024-02-09 |
GB202014022D0 (en) | 2020-10-21 |
GB202110880D0 (en) | 2021-09-08 |
CN112105582A (en) | 2020-12-18 |
KR20230058191A (en) | 2023-05-02 |
DE112020000018T5 (en) | 2020-11-19 |
KR20200118465A (en) | 2020-10-15 |
KR102528307B1 (en) | 2023-05-03 |
JP2022519396A (en) | 2022-03-24 |
JP7253559B2 (en) | 2023-04-06 |
GB2598837B (en) | 2023-09-13 |
GB2585578A (en) | 2021-01-13 |
GB2617281B (en) | 2024-03-06 |
GB2598837A (en) | 2022-03-16 |
GB202307728D0 (en) | 2023-07-05 |
JP2022501292A (en) | 2022-01-06 |
JP2023093466A (en) | 2023-07-04 |
KR102647675B1 (en) | 2024-03-15 |
GB2617281A (en) | 2023-10-04 |
JP7420719B2 (en) | 2024-01-23 |
JP2024054113A (en) | 2024-04-16 |
CN111868973A (en) | 2020-10-30 |
GB2585578B (en) | 2023-07-12 |
WO2020163864A1 (en) | 2020-08-13 |
KR20230059844A (en) | 2023-05-03 |
KR20200116980A (en) | 2020-10-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102018106901B4 (en) | Process for producing microporous and hierarchically porous carbon | |
DE112020000025T5 (en) | IMMOBILIZED SELENIUM IN A POROUS CARBON WITH THE PRESENCE OF OXYGEN AND USES IN A RECHARGEABLE BATTERY | |
US11515518B2 (en) | Immobilized selenium, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery | |
DE60037609T2 (en) | Electrode materials with increased surface conductivity | |
EP3179543B1 (en) | Carbonaceous material for negative electrode of non-aqueous electrolyte secondary battery | |
KR102304885B1 (en) | The immobilization selenium, and the use of the immobilization selenium in the manufacturing method thereof and recharging battery | |
US20230216027A1 (en) | Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery | |
WO2019009333A1 (en) | Carbon material for negative electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries, non-aqueous electrolyte secondary battery negative electrode, non-aqueous electrolyte secondary battery, and carbon material production method | |
EP3063811B1 (en) | Carbon-coated lithium sulphide | |
WO2014023680A1 (en) | Method for producing carbon-coated metal-doped zinc oxide particles and the use thereof | |
DE112018000205B4 (en) | A METHOD FOR PRODUCING A HIGH PERFORMANCE LITHIUM TITANATE ANODE MATERIAL FOR LITHIUM-ION BATTERY APPLICATIONS | |
US11870059B2 (en) | Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery | |
DE102021102874A1 (en) | IMMOBILIZED SELENIUM IN A POROUS CARBON IN THE PRESENCE OF OXYGEN, AND A METHOD OF MANUFACTURING AND USING IMMOBILIZED SELENIUM IN A RECHARGEABLE BATTERY | |
US20220407049A1 (en) | Immobilized selenium, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery | |
JP2013041806A (en) | Negative electrode material for lithium ion battery, and lithium ion secondary battery including the same | |
JP7176110B2 (en) | Thermally expanded reduced graphene oxide, method for producing the same, sulfur-carbon composite containing the same, and lithium secondary battery | |
EP4203109A1 (en) | Conductive carbon, method for producing same, method for producing conductive carbon mixture containing said conductive carbon, and method for producing electrode using said conductive carbon or conductive carbon mixture | |
DE102014106002A1 (en) | Electrode material for sodium-based electrochemical energy storage | |
DE102014211611A1 (en) | A process for producing a lithium sulfide composite and a lithium-sulfur battery containing a lithium sulfide-carbon composite |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication |