JP2021007097A - Method for forming immobilized selenium and secondary battery - Google Patents

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Abstract

To provide a secondary battery capable of charging or discharging at a high rate, excellent in cycle stability and including immobilized selenium, and a method for forming the immobilized selenium.SOLUTION: The secondary battery comprises: a cathode constituted of immobilized selenium arranged on a conductive base material; a separator arranged to directly contact the immobilized selenium; and an anode. The method for forming an immobilized selenium system or an immobilized selenium body comprises the steps of: (a) mixing selenium with carbon; and (b) forming the immobilized selenium system or the immobilized selenium body by dissolving the selenium on the carbon/in the carbon.SELECTED DRAWING: Figure 14

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2016年2月17日、2016年7月19日、及び2016年7月27日にそれぞれ出願された米国仮出願第62/296,286号、第62/364,113号、及び第62/367,314号の優先権を主張し、その開示が参照により本明細書の全体に組み込まれる。
Cross-references to related applications This application is filed on February 17, 2016, July 19, 2016, and July 27, 2016, respectively, US Provisional Applications 62 / 296, 286, 62/364, respectively. , 113, and 62 / 367,314 claim priority, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety.

発明の分野
本出願は、高エネルギー密度のリチウム二次電池の分野に関する。より詳細には、本出願は、炭素−セレンナノ複合材料の製造方法及びその用途に関する。本発明は、セレン及び炭素を含む固定化セレンにも関する。本発明は、固定化セレンの製造方法及び実用性にも関する。固定化セレンの使用の1つは、二次電池におけるものである。本発明は、高レート(例えば、10Cレート)において最小レベルの容量減衰で充放電サイクルを実施でき、さらに0.1Cレートといった低レートで充電されたときに、比容量などの電気化学的性能を十分に回復できる二次電池にも関する。
Field of Invention This application relates to the field of high energy density lithium secondary batteries. More specifically, the present application relates to a method for producing a carbon-selenium nanocomposite and its use. The present invention also relates to immobilized selenium containing selenium and carbon. The present invention also relates to a method for producing immobilized selenium and practicality. One of the uses of immobilized selenium is in secondary batteries. The present invention can perform a charge / discharge cycle at a high rate (eg, 10C rate) with the minimum level of capacitance attenuation, and when charged at a low rate such as 0.1C rate, it provides electrochemical performance such as specific capacitance. It also concerns secondary batteries that can be fully recovered.

関連技術の説明
エネルギーに対する人間の需要が増大することに伴って、リチウム−硫黄電池及びリチウム−セレン電池といった高質量比エネルギーと高体積エネルギー密度とを備えた二次電池が、広範な関心を集めてきた。硫黄及びセレンといった周期律表の6A族元素は、リチウムとの電気化学反応工程において二電子反応機構を示す。セレンの理論質量エネルギー比容量(675mAh/g)は、硫黄の斯かる容量(1675mAh/g)よりも低いにもかかわらず、セレンは、硫黄(2.07g/cm)よりも、高い密度(4.82g/cm)を有する。従って、セレンの理論体積エネルギー密度(3253mAh/cm)は、硫黄の理論体積エネルギー密度(3467mAh/cm)に近い。同時に、硫黄と比較して、電気的に絶縁材料に近く、セレンは、電気的に半導電性であり、比較的良好な導電性を示す。従って、硫黄と比較して、セレンは、比較的高い負荷レベルでも、比較的高い活性レベルと、比較的良好な使用効率とを示すことができ、高エネルギー及び高電力密度の電池システムを導くこととなる。加えて、セレン−炭素複合体は、導電率において硫黄−炭素複合体を超えるさらなる改良点を有することができ、高活性の電極材料が得られる。
Description of Related Technologies As human demand for energy increases, secondary batteries with high mass specific energy and high volumetric energy density, such as lithium-sulfur batteries and lithium-sulene batteries, have received widespread interest. I came. Group 6A elements of the periodic table, such as sulfur and selenium, exhibit a two-electron reaction mechanism in the electrochemical reaction process with lithium. Although the theoretical mass-energy specific capacity of selenium (675 mAh / g) is lower than that of sulfur (1675 mAh / g), selenium has a higher density (2.07 g / cm 3 ) than sulfur (2.07 g / cm 3 ). It has 4.82 g / cm 3 ). Thus, the theoretical volumetric energy density of selenium (3253mAh / cm 3) is close to the theoretical volumetric energy density of sulfur (3467mAh / cm 3). At the same time, compared to sulfur, it is electrically closer to an insulating material, and selenium is electrically semi-conductive and exhibits relatively good conductivity. Therefore, compared to sulfur, selenium can exhibit relatively high activity levels and relatively good utilization efficiencies, even at relatively high load levels, leading to high energy and high power density battery systems. It becomes. In addition, the selenium-carbon composite can have further improvements over the sulfur-carbon composite in conductivity, resulting in a highly active electrode material.

中国特許第104393304A号に記載されているように、セレン化水素ガスがグラフェン分散液を通過することによって、溶媒熱が酸化グラフェンをグラフェンに還元する一方で、セレン化水素をセレンに酸化する。そのように製造された、セレングラフェン電極材料と、1.5Mのリチウムビス(トリフルオロメタンスルホン)イミド(LiTFSI)/1,3−ジオキソラン(DOL)+ジメチルエーテル(DME)(体積比1:1)のエーテル電解液系との組み合わせでは、充電比容量は、最初のサイクルで640 mA h/g(セレン理論比容量に接近)に達する。しかしながら、充放電過程で、ポリセレニドイオンが電解液に溶解し、相当量のシャトル効果を示し、その後の容量低下の原因となる。同時に、この工程で使用されるグラフェン酸化物原料を製造するための手順は、複雑であり、工業生産には適していない。 As described in Chinese Patent No. 104393304A, the hydrogen selenide gas passes through the graphene dispersion, so that the heat of the solvent reduces graphene oxide to graphene, while oxidizing hydrogen selenide to selenium. The selenium graphene electrode material thus produced and 1.5 M lithium bis (trifluoromethanesulfone) imide (LiTFSI) / 1,3-dioxolane (DOL) + dimethyl ether (DME) (volume ratio 1: 1). In combination with an ether electrolyte system, the charge specific volume reaches 640 mA h / g (approaching the theoretical specific volume of selenium) in the first cycle. However, in the charge / discharge process, polyselenide ions are dissolved in the electrolytic solution, exhibiting a considerable amount of shuttle effect, which causes a subsequent decrease in capacity. At the same time, the procedure for producing the graphene oxide raw material used in this process is complicated and unsuitable for industrial production.

中国特許第104201389A号は、セレンを組み込んだ窒素含有の層状多孔質炭素複合物の集電体を用いた、リチウムセレン電池の正極材料を開示している。窒素含有の層状多孔質炭素複合物の集電体を製造するときに、窒素含有の導電性ポリマーを、まず紙片の表面に堆積又は成長させ、続いて、アルカリ活性化と高温炭化とを施し、それ自体を支持するネットワーク構造としての炭素繊維を有する、窒素含有の層状多孔質炭素複合物の集電体を得る。そして、このような窒素含有の層状多孔質炭素の複合集電体に、さらにセレンを組み込む。導電性ポリマーを製造するための堆積プロセスは複雑であり、フィルムを形成又は成長させるための工程は、制御困難である。その製造プロセスは、複雑であり、望ましくない高コストに関係する。 Chinese Patent No. 1042013389A discloses a positive electrode material for a lithium selenium battery using a current collector of a nitrogen-containing layered porous carbon composite incorporating selenium. When producing a current collector of a nitrogen-containing layered porous carbon composite, a nitrogen-containing conductive polymer is first deposited or grown on the surface of a piece of paper, followed by alkali activation and high temperature carbonization. A current collector of a nitrogen-containing layered porous carbon composite having carbon fibers as a network structure supporting itself is obtained. Then, selenium is further incorporated into such a composite current collector of nitrogen-containing layered porous carbon. The deposition process for producing conductive polymers is complex and the process for forming or growing a film is difficult to control. The manufacturing process is complex and involves undesired high costs.

さらに、電子機器(エレクトロニクス)、電気/ハイブリッド自動車、航空宇宙産業/ドローン、潜水艦、並びにその他の産業、軍事、及び民生用途において、高レートで充放電できる性能を備えた、長寿命、高エネルギー密度、及び高出力密度の二次電池が要求されている。リチウムイオン電池は、上記用途における二次電池の例である。しかしながら、より優れた能力及びサイクル性能の需要は、リチウムイオン電池では満たされていない。リチウムイオン電池における技術が成熟したためである。 In addition, long life, high energy density with high rate charge / discharge performance in electronics, electrical / hybrid vehicles, aerospace / drones, submarines, and other industrial, military, and consumer applications. , And a secondary battery with high output density is required. The lithium ion battery is an example of a secondary battery in the above application. However, the demand for better capacity and cycle performance is not met by lithium-ion batteries. This is because the technology for lithium-ion batteries has matured.

酸素原子は、原子量16を有し、二電子の移動能力を有する。リチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度の電池を製造する目的で研究されてきた。電池が、アノードとしての金属リチウム又は金属ナトリウムと対になった酸素カソードを含む場合、電池は、最大の化学量論的エネルギー密度を有する。しかしながら、Li//Na−酸素電池における技術的問題の大部分は、依然として解決されていない。 The oxygen atom has an atomic weight of 16 and has the ability to move two electrons. Lithium-ion secondary batteries have been studied for the purpose of producing high energy density batteries. If the battery contains an oxygen cathode paired with metallic lithium or metallic sodium as the anode, the battery has the highest stoichiometric energy density. However, most of the technical problems in Li // Na-oxygen batteries remain unsolved.

硫黄元素も、酸素族に属し、金属リチウム又は金属ナトリウムのアノードと対になったときに2番目に高いエネルギー密度(酸素に続く)を有する。リチウム−硫黄電池又はナトリウム−硫黄電池が、広く研究されている。しかしながら、Li−S又はNa−S電池放電工程の間に形成されるポリスルフィドイオン(中間体)は、電解液中に溶解し、カソードからアノードへと移動する。アノードに到達すると、ポリスルフィドアニオンは、金属リチウム又は金属ナトリウムと反応して、電池システムにとって望ましくないエネルギー密度の損失をもたらす。加えて、硫黄は絶縁体であり、最低レベルの導電性を達成するためでも、高い充填度合いの炭素材料を必要とする。硫黄の電気伝導度が極めて低いため、Li/Na−S二次電池は、高レートでの放電又は充電が非常に困難である。 Element sulfur also belongs to the oxygen group and has the second highest energy density (following oxygen) when paired with the anode of metallic lithium or metallic sodium. Lithium-sulfur batteries or sodium-sulfur batteries have been extensively studied. However, the polysulfide ions (intermediate) formed during the Li-S or Na-S battery discharge step dissolve in the electrolyte and move from the cathode to the anode. Upon reaching the anode, the polysulfide anion reacts with metallic lithium or metallic sodium, resulting in an undesired loss of energy density for the battery system. In addition, sulfur is an insulator and requires a high degree of filling carbon material, even to achieve the lowest levels of conductivity. Due to the extremely low electrical conductivity of sulfur, Li / Na—S secondary batteries are very difficult to discharge or charge at high rates.

本明細書では、高い黒鉛化度を有する二次元炭素ナノ材料の製造方法を開示する。二次元炭素ナノ材料とセレンとを組み合わせることによって、炭素−セレン複合材料が得られ、リチウムを含むアノード材料と対をなすカソード材料として用いられ、高いエネルギー密度と安定した電気化学的特性とを有するリチウムセレン電池が得られる。パウチ型セル電池をさらに組み立てるために、同様の工程を使用でき、パウチセルも、優れた電気化学的特性を示す。 This specification discloses a method for producing a two-dimensional carbon nanomaterial having a high degree of graphitization. By combining two-dimensional carbon nanomaterials and selenium, a carbon-selenium composite material is obtained, which is used as a cathode material paired with an anode material containing lithium, and has high energy density and stable electrochemical properties. A lithium selenium battery can be obtained. A similar process can be used to further assemble the pouch-type cell battery, and the pouch cell also exhibits excellent electrochemical properties.

容易に入手可能な原料を用いて、また、単純な製造手順によって、セレン−炭素複合材料を製造する方法も、開示される。 Also disclosed are methods of making selenium-carbon composites using readily available raw materials and by simple manufacturing procedures.

以下の工程を含む製造方法から、本明細書に記載のセレン−炭素複合材料を得ることができる。 The selenium-carbon composite material described herein can be obtained from a production method that includes the following steps.

(1)アルカリ金属有機塩又はアルカリ土類金属有機塩を高温炭化した後、希塩酸又は他の酸で洗浄し、乾燥させて二次元炭素材料を得る。 (1) An alkali metal organic salt or an alkaline earth metal organic salt is carbonized at a high temperature, washed with dilute hydrochloric acid or another acid, and dried to obtain a two-dimensional carbon material.

(2)工程(1)で得られた二次元炭素材料を有機溶液中のセレンと混合し、加熱して有機溶媒を蒸発させ、次に、二次元炭素材料を用いて多段階の昇温勾配法及び均熱法によってセレンの複合化を実施して、炭素−セレン複合体を得る。 (2) The two-dimensional carbon material obtained in step (1) is mixed with selenium in an organic solution, heated to evaporate the organic solvent, and then a multi-step temperature rise gradient using the two-dimensional carbon material. Selenium compounding is carried out by the method and the soaking method to obtain a carbon-selenium complex.

工程(1)において、アルカリ金属有機塩は、クエン酸カリウム、グルコン酸カリウム、及びスクロース酸ナトリウムのうちの1種又は複数種から選択され得る。アルカリ土類金属有機塩は、グルコン酸カルシウム及びスクロース酸カルシウムの一方又は両方から選択され得る。高温炭化は、600〜1000℃、好ましくは700〜900℃で行うことができる。炭化時間は、1〜10時間、好ましくは3〜5時間である。 In step (1), the alkali metal organic salt can be selected from one or more of potassium citrate, potassium gluconate, and sodium sucrose. The alkaline earth metal organic salt can be selected from one or both of calcium gluconate and calcium sucrose. High temperature carbonization can be carried out at 600 to 1000 ° C., preferably 700 to 900 ° C. The carbonization time is 1 to 10 hours, preferably 3 to 5 hours.

工程(2)において、有機溶媒は、エタノール、ジメチルスルホキシド(DMSO)、トルエン、アセトニトリル、N、N−ジメチルホルムアミド(DMF)、四塩化炭素、及びジエチルエーテル、又は酢酸エチルの1種又は複数種から選択され得る。多段階の昇温勾配及び均熱の部分(セクション)は、200℃と300℃との間、好ましくは220℃と280℃との間の温度へ、2〜10℃/分、好ましくは5〜8℃/分の昇温速度が参照され、その後、3〜10時間、好ましくは3〜4時間均熱処理する。次に400〜600℃、好ましくは430〜460℃まで加熱し続け、続いて10〜30時間、好ましくは15〜20時間均熱処理する。 In step (2), the organic solvent is from one or more of ethanol, dimethylsulfoxide (DMSO), toluene, acetonitrile, N, N-dimethylformamide (DMF), carbon tetrachloride, and diethyl ether, or ethyl acetate. Can be selected. The multi-step heating gradient and soaking part (section) is between 200 ° C and 300 ° C, preferably between 220 ° C and 280 ° C, 2-10 ° C / min, preferably 5-5. A heating rate of 8 ° C./min is referred to, followed by soaking for 3 to 10 hours, preferably 3 to 4 hours. Next, heating is continued to 400 to 600 ° C., preferably 430 to 460 ° C., followed by soaking heat treatment for 10 to 30 hours, preferably 15 to 20 hours.

本明細書において、上記の炭素−セレン複合材料を含むリチウム−セレン二次電池も開示される。リチウムセレン二次電池は、リチウム含有アノードと、セパレータと、電解液(電解質)とをさらに含み得る。 Also disclosed herein are lithium-selenium secondary batteries containing the carbon-selenium composites described above. The lithium selenium secondary battery may further include a lithium-containing anode, a separator, and an electrolyte (electrolyte).

リチウム含有アノードは、金属リチウム、リチウム化黒鉛アノード材料、及びリチウム化ケイ素炭素アノード材料(黒鉛とケイ素−炭素アノード材料とリチウムアノードとを集結させて半電池を作製して放電し、リチウム化黒鉛アノード及びリチウム化ケイ素炭素アノードの材料を調製する)であってもよい。セパレータ(膜)は、限定されないが、セルガード(Celgard)膜、ワットマン(Whatman)膜、セルロース膜、又はポリマー膜といった市販の膜であり得る。電解液は、カーボネート電解液、エーテル電解液、及び、イオン性液体の1種又は複数種であり得る。 The lithium-containing anode is prepared by assembling metallic lithium, a graphite graphite anode material, and a silicon carbon anode material (graphite, a silicon-carbon anode material, and a lithium anode to prepare a half cell, and discharging the anode to form a lithium graphite anode. And prepare the material for the silicon carbon anode). The separator can be, but is not limited to, a commercially available membrane such as a Celgard membrane, Whatman membrane, cellulose membrane, or polymer membrane. The electrolytic solution may be one or more of a carbonate electrolytic solution, an ether electrolytic solution, and an ionic liquid.

カーボネート電解液は、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、及び、プロピレンカーボネート(PC)からの1種又は複数種から選択され得る。溶質は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)、過塩素酸リチウム(LiClO)、及びリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)からの1種又は複数種から選択され得る。 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). The solute is one of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI). Or it can be selected from a plurality of types.

エーテル電解液において、溶媒は、1,3−ジオキソラン(DOL)、エチレングリコールジメチルエーテル(DME)、及びトリエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)からの1種又は複数種が選択され、溶質は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)、過塩素酸リチウム(LiClO)、及びリチウムビスフルオロスルホニルイミド(LiFSI)からの1種又は複数種が選択され得る。 In the ether electrolytic solution, the solvent is selected from one or more of 1,3-dioxolane (DOL), ethylene glycol dimethyl ether (DME), and triethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), and the solute is phosphorus hexafluorophosphate. One or more may be selected from lithium acid (LiPF 6 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and lithium bisfluorosulfonylimide (LiFSI).

イオン性液体において、イオン性液体は、[EMIm]NTf2(1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメタンスルホンイミド塩)、[Pyl3]NTf2(N−プロピル−N−メチルピロリジンビストリフルオロメタンスルホンイミド塩)、[PP13]NTf2(N−プロピル−メチルピペリジンアルコキシ−N−ビストリフルオロメタンスルホンイミド塩)からの1種又は複数種のイオン性液体である。また。溶質は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(LiTFSI)、過塩素酸リチウム(LiClO)、及びリチウムビスフルオロスルホニルイミド(LiFSI)からの1種又は複数種が選択され得る。 In the ionic liquid, the ionic liquid is [EMIm] NTf2 (1-ethyl-3-methylimidazolium bistrifluoromethanesulfonimide salt), [Pyl3] NTf2 (N-propyl-N-methylpyrrolidin bistrifluoromethanesulfonimide). Salt), one or more ionic liquids from [PP13] NTf2 (N-propyl-methylpiperidine alkoxy-N-bistrifluoromethanesulfonimide salt). Also. Solutes may be one or more from lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and lithium bisfluorosulfonylimide (LiFSI). The species can be selected.

本明細書では、炭素セレン複合材料を含むパウチ型のリチウム−セレンセル電池も開示する。 The present specification also discloses a pouch-type lithium-selenium cell battery containing a carbon selenium composite material.

本明細書に開示されたセレン炭素複合材料を製造する方法に関して、従来技術と比較して、二次元炭素材料は、原料が容易に入手でき低コストであり、製造方法が単純で、実用性が高く、大量生産に適しているという利点を有し、得られたセレン炭素複合材料は、優れた電気化学特性を示す。 Regarding the method for producing the selenium carbon composite material disclosed in the present specification, as compared with the prior art, the two-dimensional carbon material has a raw material that is easily available and low cost, and the production method is simple and practical. With the advantages of being expensive and suitable for mass production, the resulting selenium carbon composite exhibits excellent electrochemical properties.

セレン及び炭素骨格を含む固定化セレン(固定化セレン体)も、本明細書に開示されている。固定化セレンは、以下の少なくとも1つを含む。(a)固定化セレン系から離脱するために、≧9.5kJ/モル、≧9.7kJ/モル、≧9.9kJ/モル、≧10.1kJ/モル、≧10.3kJ/モル、又は≧10.5kJ/モルの運動エネルギーに達するための十分なエネルギーをセレン粒子が獲得する必要がある。(b)固定化セレン系から離脱するための十分なエネルギーをセレン粒子が獲得するために、490℃以上、≧500℃、≧510℃、≧520℃、≧530℃、≧540℃、≧550℃、又は≧560℃の温度が必要である。(c)炭素骨格は、≧500m/g、≧600m/g、≧700m/g、≧800m/g、≧900m/g、又は≧1,000m/gの表面積(20オングストローム未満の細孔)を有する。(d)炭素骨格は、総表面積の20%以下、15%以下、10%以下、5%以下、3%以下、2%以下、1%以下の表面積(20オングストロームと1,000オングストロームとの間の細孔について)を有する。 Immobilized selenium (immobilized selenium form) containing selenium and a carbon skeleton is also disclosed herein. Immobilized selenium comprises at least one of the following: (A) ≧ 9.5 kJ / mol, ≧ 9.7 kJ / mol, ≧ 9.9 kJ / mol, ≧ 10.1 kJ / mol, ≧ 10.3 kJ / mol, or ≧ in order to withdraw from the immobilized selenium system. Selenium particles need to acquire sufficient energy to reach a kinetic energy of 10.5 kJ / mol. (B) 490 ° C. or higher, ≧ 500 ° C., ≧ 510 ° C., ≧ 520 ° C., ≧ 530 ° C., ≧ 540 ° C., ≧ 550 in order for the selenium particles to obtain sufficient energy to break away from the immobilized selenium system. A temperature of ° C. or ≧ 560 ° C. is required. (C) The carbon skeleton has a surface area (20 angstrom) 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. Has less than a pore). (D) The carbon skeleton has a surface area of 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less, 3% or less, 2% or less, and 1% or less of the total surface area (between 20 angstroms and 1,000 angstroms). (About the pores of).

本明細書では、固定化セレンを含む、カソード又は二次電池も開示される。セレンは、これに限定されないが、硫黄などの他の元素でドープされてもよい。 Also disclosed herein are cathode or secondary batteries, including immobilized selenium. Selenium may be doped with other elements such as, but not limited to, sulfur.

また、本明細書では、≧1、≧2、≧5、≧10、又は≧20のアスペクト比を有する血小板形態を含む、セレン及び炭素を含有する複合体も開示される。 Also disclosed herein are complexes containing selenium and carbon, including platelet forms having aspect ratios of ≧ 1, ≧ 2, ≧ 5, ≧ 10, or ≧ 20.

また、本明細書では、≧1、≧2、≧5、≧10、又は≧20のアスペクト比を有する血小板形態を含み且つセレンと炭素とを含む、複合体を備えたカソードも開示される。本明細書では、上記のアスペクト比を有する血小板形態を含み且つセレンと炭素とを含む、複合体を備えた二次電池も開示される。 Also disclosed herein are cathodes comprising a complex comprising platelet morphology with aspect ratios of ≧ 1, ≧ 2, ≧ 5, ≧ 10, or ≧ 20, and containing selenium and carbon. Also disclosed herein is a secondary battery comprising a complex comprising platelet morphology with the above aspect ratios and containing selenium and carbon.

また、本明細書では、カソード、アノード、セパレータ、及び電解液を含む二次電池も開示される。二次電池は、0.1C、0.2C、0.5C、1C、1.5C、2C、3C、4C、5C、6C、7C、8C、9C、10C、又はそれよりも速く充電され得る。カソードは、セレン、硫黄、テルル、及び酸素などのカルコゲン族(酸素族)の少なくとも1種の元素を含み得る。アノードは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、及びIIIA族金属(1種若しくは複数種)の少なくとも1種の元素を含み得る。セパレータは、表面が必要に応じて改質され得る有機セパレータ又は無機セパレータを含み得る。電解液は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、及び、IIIA族金属(1種若しくは複数種)の少なくとも1種の元素を含み得る。電解液中の溶媒は、カーボネート系、エーテル系、又はエステル系の有機溶媒を含み得る。 Also disclosed herein are secondary batteries that include a cathode, anode, separator, and electrolyte. The secondary 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 may contain at least one element of the chalcogen group (oxygen group) such as selenium, sulfur, tellurium, and oxygen. The anode may contain at least one element of an alkali metal, an alkaline earth metal, and a Group IIIA metal (s). The separator may include an organic or inorganic separator whose surface can be modified as needed. The electrolytic solution may contain at least one element of an alkali metal, an alkaline earth metal, and a Group IIIA metal (s). The solvent in the electrolytic solution may include a carbonate-based, ether-based, or ester-based organic solvent.

二次電池は、400mAh/g以上、450mAh/g以上、500mAh/g以上、550mAh/g以上、又は600mAh/g以上の比容量を有してもよい。二次電池は、50サイクル以上、75サイクル以上、100サイクル以上、200サイクル以上などの、電気化学サイクルを受けることができてもよい。二次電池は、高Cレート充放電サイクル(例えば、0.1Cで5サイクル、0.2Cで5サイクル、0.5Cで5サイクル、1Cで5サイクル、2Cで5サイクル、5Cで5サイクル、及び10Cで5サイクル)を行った後の、0.1Cのサイクルレートにおいて、2回目の放電比容量の、30%よりも大きい、40%よりも大きい、50%よりも大きい、60%よりも大きい、70%よりも大きい、又は80%よりも大きい、電池比容量を保ってもよい。二次電池は、≧50%、≧60%、≧70%、≧80%、又は≧90%のクーロン効率を有してもよい。二次電池は、電子機器、電気自動車又はハイブリッド自動車、産業用途、ドローンなどの軍事用途、航空宇宙用途、海洋用途などにおいて、使用することができる。 The secondary battery may have a specific capacity of 400 mAh / g or more, 450 mAh / g or more, 500 mAh / g or more, 550 mAh / g or more, or 600 mAh / g or more. The secondary battery may be capable of undergoing an electrochemical cycle such as 50 cycles or more, 75 cycles or more, 100 cycles or more, 200 cycles or more. The secondary battery has a high C rate charge / discharge cycle (for example, 0.1C for 5 cycles, 0.2C for 5 cycles, 0.5C for 5 cycles, 1C for 5 cycles, 2C for 5 cycles, 5C for 5 cycles, And 5 cycles at 10C), at a cycle rate of 0.1C, the second discharge ratio capacity is greater than 30%, greater than 40%, greater than 50%, greater than 60%. The battery specific capacity, which is larger, greater than 70%, or greater than 80%, may be maintained. The secondary battery may have a coulombic efficiency of ≧ 50%, ≧ 60%, ≧ 70%, ≧ 80%, or ≧ 90%. The secondary battery can be used in electronic devices, electric vehicles or hybrid vehicles, industrial applications, military applications such as drones, aerospace applications, marine applications, and the like.

図1は、実施例1における炭素材料の50,000倍の走査型電子顕微鏡写真である。FIG. 1 is a scanning electron micrograph of 50,000 times the carbon material in Example 1. 図2は、実施例1におけるリチウムセレン電池の0.1C充放電曲線である。FIG. 2 is a 0.1C charge / discharge curve of the lithium selenium battery in Example 1. 図3は、比較例2におけるリチウムセレン電池の0.1C充放電曲線である。FIG. 3 is a 0.1C charge / discharge curve of the lithium selenium battery in Comparative Example 2. 図4は、実施例1のパウチ型のセル電池の光学画像である。FIG. 4 is an optical image of the pouch-type cell battery of Example 1. 図5は、実施例1のパウチ型のセル電池の0.05C充放電曲線である。FIG. 5 is a 0.05 C charge / discharge curve of the pouch-type cell battery of Example 1. 図6は、固定化セレンの製造方法のフロー図である。FIG. 6 is a flow chart of a method for producing immobilized selenium. 図7は、実施例9のプロセスによって製造された炭素骨格の走査型電子顕微鏡観察像である。FIG. 7 is a scanning electron microscope observation image of the carbon skeleton produced by the process of Example 9. 図8は、実施例9のプロセスによって製造された炭素骨格のX線回折図である。FIG. 8 is an X-ray diffraction pattern of the carbon skeleton produced by the process of Example 9. 図9は、実施例9のプロセスによって製造された炭素骨格のラマンスペクトルである。FIG. 9 is a Raman spectrum of the carbon skeleton produced by the process of Example 9. 図10Aは、実施例9のプロセスによって製造された炭素骨格の累積及び漸増表面積のグラフである。FIG. 10A is a graph of the cumulative and increasing surface area of the carbon skeleton produced by the process of Example 9. 図10Bは、実施例9のプロセスによって製造された炭素骨格の累積及び漸増細孔容積のグラフである。FIG. 10B is a graph of cumulative and increasing pore volume of the carbon skeleton produced by the process of Example 9. 図11Aは、実施例10のプロセスによって製造された固定化セレンについてのTGA分析のグラフである。FIG. 11A is a graph of TGA analysis for immobilized selenium produced by the process of Example 10. 図11Bは、Se−Super P炭素及びSe黒鉛を用いて実施例10のプロセスによって製造された非固定化セレン試料のTGA分析のグラフである。FIG. 11B is a graph of TGA analysis of a non-immobilized selenium sample prepared by the process of Example 10 using Se-Super P carbon and Se graphite. 図11Cは、アルゴンガス流の下において、16℃/分及び10℃/分の昇温速度で、Se−SuperP炭素(図11B)を用いて製造された非固定化セレン試料のTGA分析のグラフである。FIG. 11C is a graph of TGA analysis of non-immobilized selenium samples prepared with Se-SuperP carbon (FIG. 11B) at 16 ° C./min and 10 ° C./min heating rates under an argon gas stream. Is. 図11Dは、非固定化セレン(Se−SuperP複合体−実線)、及び、実施例10のプロセスによって製造された2つの異なる固定化セレンの試料(228−110(点線)及び115−82−2(破線))についての、速度定数のグラフである。FIG. 11D shows samples of non-immobilized selenium (Se-SuperP complex-solid line) and two different immobilized selenium produced by the process of Example 10 (228-110 (dotted line) and 115-82-2). (Dashed line)) is a graph of the rate constant. 図12は、実施例10のプロセスによって製造された固定化セレンのラマンスペクトルのグラフである。FIG. 12 is a graph of Raman spectra of immobilized selenium produced by the process of Example 10. 図13は、実施例10のプロセスによって製造された固定化セレンのX線回折パターンのグラフである。FIG. 13 is a graph of the X-ray diffraction pattern of the immobilized selenium produced by the process of Example 10. 図14は、実施例10のプロセスによって製造された固定化セレンのSEM画像である。FIG. 14 is an SEM image of the immobilized selenium produced by the process of Example 10. 図15は、実施例11又は実施例13のプロセスに従って製造されたカソードを含むコイン型セル電池の分解図である。FIG. 15 is an exploded view of a coin-type cell battery including a cathode manufactured according to the process of Example 11 or 13. 図16は、実施例12のプロセスによって製造され図15に示された種類の、第1リチウム−セレンコイン型セル電池(0.1C)(図16A−左)と、第2リチウム−セレンコイン型セル電池(0.1C及びその後1C)(図16A−右)のサイクル試験結果のグラフである。FIG. 16 shows a first lithium-selenium coin type cell battery (0.1C) (FIG. 16A-left) and a second lithium-selenium coin type cell battery of the type shown in FIG. 15 manufactured by the process of Example 12. It is a graph of the cycle test result of the cell battery (0.1C and then 1C) (FIG. 16A-right). 図17は、実施例12のプロセスによって製造された図15に示される種類のリチウム−セレンコイン型セル電池についての、異なるサイクルレートにおけるサイクル試験のグラフである。FIG. 17 is a graph of cycle tests at different cycle rates for the lithium-selenium coin type cell batteries of the type shown in FIG. 15 manufactured by the process of Example 12. 図18は、実施例13に従って製造された図15に示される種類のリチウム−硫黄−ドープセレンコイン型セル電池についての、ポリマーセパレータを用いた0.1Cサイクル試験結果のグラフである。FIG. 18 is a graph of 0.1 C cycle test results using a polymer separator for the lithium-sulfur-doped selenium coin type cell battery of the type shown in FIG. 15 manufactured according to Example 13. 図19は、実施例13に従って製造された図15に示される種類のリチウム−硫黄−ドープセレンコイン型セル電池についての、ポリマーセパレータを用いた1Cサイクル試験結果のグラフである。FIG. 19 is a graph of 1C cycle test results using a polymer separator for the lithium-sulfur-doped selenium coin type cell battery of the type shown in FIG. 15 manufactured according to Example 13.

具体例に関連させて、本発明を以下にさらに説明することとなる。特に言及のない限り、以下の実施例における試験方法は、すべて従来の通りである。試薬及び材料はすべて市販品から入手可能である。 The present invention will be further described below in connection with a specific example. Unless otherwise stated, all test methods in the following examples are conventional. All reagents and materials are available from commercial products.

実施例1:
(A)セレン炭素複合材料の製造
粉砕及び製粉後、適当量のクエン酸カリウムを、不活性雰囲気下において800℃で5時間焼成し、室温まで冷却する。希塩酸で洗浄して中性pHにする。濾過して乾燥させ、二次元炭素ナノ材料(図1)を得る。50:50の質量比となるように、二次元炭素材料とセレンとを秤量し、次に、セレンのエタノール溶液と均一に撹拌及び混合する。溶媒を蒸発させた後、乾燥オーブンで混合物を乾燥する。乾燥した混合物を240℃まで5℃/分で加熱し、そして、3時間均熱処理した。続いて、450℃まで5℃/分で昇温し続ける。20時間均熱処理した。室温まで冷却して、セレン炭素複合材料を得た。
Example 1:
(A) Production of selenium carbon composite material After pulverization and milling, an appropriate amount of potassium citrate is fired at 800 ° C. for 5 hours in an inert atmosphere and cooled to room temperature. Wash with dilute hydrochloric acid to neutral pH. It is filtered and dried to obtain a two-dimensional carbon nanomaterial (Fig. 1). The two-dimensional carbon material and selenium are weighed to a mass ratio of 50:50 and then uniformly stirred and mixed with an ethanol solution of selenium. After evaporating the solvent, the mixture is dried in a drying oven. The dried mixture was heated to 240 ° C. at 5 ° C./min and heat treated for 3 hours. Subsequently, the temperature is continuously raised to 450 ° C. at 5 ° C./min. It was heat-treated for 20 hours. Cooling to room temperature gave a selenium carbon composite.

(B)セレン炭素複合カソード(正極)の作製
上記のごとく製造したセレン炭素複合体と、カーボンブラックSuper−P(TIMCAL)と、バインダCMC/SBR(質量比1:1)とを、水とともに混合し、混練、被覆、乾燥、及び他の手順によって、セレン炭素複合カソードを得る。
(B) Preparation of selenium carbon composite cathode (positive electrode) The selenium carbon composite produced as described above, carbon black Super-P (TIMCAL), and binder CMC / SBR (mass ratio 1: 1) are mixed with water. The selenium carbon composite cathode is obtained by kneading, coating, drying, and other procedures.

(C)リチウム−セレン電池の組み立て
上記のごとく作製したセレン炭素複合カソードと、アノードとしてのリチウム箔と、セパレータとしてのセルガード膜と、電解液としてのEC/DMC中の1M LiPFとによって、リチウムセレンコイン型セル電池と、リチウムセレンパウチ型セル電池(図4)とを組み立てた。
(C) Assembly of Lithium-Selenium Battery Lithium by the selenium carbon composite cathode prepared as described above, the lithium foil as the anode, the cell guard film as the separator, and 1M LiPF 6 in EC / DMC as the electrolytic solution. A selenium coin type cell battery and a lithium selenium pouch type cell battery (Fig. 4) were assembled.

(D)リチウム−セレン電池の試験
充放電装置を使用して、リチウム−セレンコイン型セル電池とリチウムセレンパウチ型セル電池とについて、定電流−充放電試験を行う。試験電圧範囲は、1.0Vと3.0Vとの間であり、試験温度は、25℃である。放電比容量及び充放電電流のレベルは、セレンの質量に基づいて標準的に計算される。充放電電流は0.1C又は0.05Cである。リチウムセレンコインの充放電曲線を図2に示し、特定の試験結果を以下の表1に示す。リチウムセレンパウチ型セル電池の試験結果を図5に示す。
(D) Lithium-Selenium Battery Test A constant current-charge / discharge test is performed on a lithium-selenium coin type cell battery and a lithium selenium pouch type cell battery using a charging / discharging device. The test voltage range is between 1.0V and 3.0V and the test temperature is 25 ° C. The specific volume of discharge and the level of charge / discharge current are calculated as standard based on the mass of selenium. The charge / discharge current is 0.1C or 0.05C. The charge / discharge curve of the lithium selenium coin is shown in FIG. 2, and the specific test results are shown in Table 1 below. The test results of the lithium selenium pouch type cell battery are shown in FIG.

実施例2:
二次元炭素のために炭化された原料がクエン酸ナトリウムであることを除き、条件は実施例1と同じである。電池の試験結果を以下の表1に要約する。
Example 2:
The conditions are the same as in Example 1, except that the raw material carbonized for two-dimensional carbon is sodium citrate. The battery test results are summarized in Table 1 below.

実施例3:
二次元炭素のために炭化された原料がグルコン酸カリウムであることを除き、条件は実施例1と同じである。電池の試験結果を以下の表1に要約する。
Example 3:
The conditions are the same as in Example 1, except that the raw material carbonized for two-dimensional carbon is potassium gluconate. The battery test results are summarized in Table 1 below.

実施例4:
炭素材料の高温炭化温度が650℃であることを除き、条件は実施例1と同じである。電池の試験結果を以下の表1に要約する。
Example 4:
The conditions are the same as in Example 1 except that the high temperature carbonization temperature of the carbon material is 650 ° C. The battery test results are summarized in Table 1 below.

実施例5:
乾燥した混合物を5℃/分で300℃まで昇温し、この温度で3時間均熱処理したことを除き、条件は実施例1と同じである。電池の試験結果を以下の表1に要約する。
Example 5:
The conditions are the same as in Example 1 except that the dried mixture was heated to 300 ° C. at 5 ° C./min and heat treated at this temperature for 3 hours. The battery test results are summarized in Table 1 below.

実施例6:
乾燥した混合物を5℃/分で240℃まで昇温し、この温度で3時間均熱処理した後、600℃まで昇温を続け、次に、この一定温度で20時間、均熱処理したことを除き、条件は実施例1と同じである。電池の試験結果を以下の表1に要約する。
Example 6:
Except that the dried mixture was heated to 240 ° C. at 5 ° C./min, soaked at this temperature for 3 hours, then continued to be heated to 600 ° C., and then soothed at this constant temperature for 20 hours. , The conditions are the same as in Example 1. The battery test results are summarized in Table 1 below.

実施例7:
リチウム−セレン電池が、リチウムアノードシートに代えてリチウム化黒鉛アノードを用いて梱包されたことを除き、条件は実施例1と同じである。電池の試験結果を以下の表1に要約する。
Example 7:
The conditions are the same as in Example 1, except that the lithium-selenium battery was packaged with a graphite anode lithium oxide instead of the lithium anode sheet. The battery test results are summarized in Table 1 below.

実施例8:
リチウム−セレン電池が、リチウムアノードシートに代えてリチウム化ケイ素炭素アノードを用いて梱包されたことを除き、条件は実施例1と同じである。電池の試験結果を以下の表1に要約する。
Example 8:
The conditions are the same as in Example 1, except that the lithium-selenium battery was packaged with a silicon-carbon anode in place of the lithium anode sheet. The battery test results are summarized in Table 1 below.

比較例1:
原料としてポリアクリロニトリルを使用したことを除き、条件は実施例1と同じである。電池の試験結果を以下の表1に要約する。
Comparative Example 1:
The conditions are the same as in Example 1 except that polyacrylonitrile was used as a raw material. The battery test results are summarized in Table 1 below.

比較例2:
セレン及び炭素の複合体を製造するために1段階の化合法を使用することを除き、条件は実施例1と同じである。この例では、乾燥したセレン炭素混合物を5℃/分で500℃まで昇温し、この温度で23時間均熱処理して、セレン炭素複合材料を得た。このようにして得られたセレン炭素複合材料から作られた電池の充放電曲線を図3に示す。電池の試験結果を以下の表1に要約する。
Comparative Example 2:
The conditions are the same as in Example 1, except that a one-step compounding method is used to produce the selenium and carbon composite. In this example, the dried selenium carbon mixture was heated to 500 ° C. at 5 ° C./min and heat-treated at this temperature for 23 hours to obtain a selenium carbon composite material. The charge / discharge curve of the battery made of the selenium carbon composite material thus obtained is shown in FIG. The battery test results are summarized in Table 1 below.

このように記載した、セレン炭素複合材料の製造方法、固定化セレンの製造方法、及び、例えば二次電池における固定化セレンの使用を、説明することとなる。 The method for producing a selenium carbon composite material, the method for producing immobilized selenium, and the use of immobilized selenium in, for example, a secondary battery will be described as described above.

セレンは、酸素及び硫黄と同族の元素、即ち、元素の周期律表の第6族である。セレンは、導電率が十分に高い点で、酸素及び硫黄よりも有利であり得る。米国特許出願公開第2012/0225352号は、良好な容量とサイクル能力とを有する、Li−セレン二次電池及びNa−セレン二次電池を製造することを開示している。しかしながら、ある水準のポリセレニドアニオンは、そのような電池のカソードとアノードとの間を往復し、実使用において実質的に改良されることを要する、付加的な電気化学的作動をもたらす。この分野に関連する文献には、以下が挙げられる。 Selenium is an element of the same family as oxygen and sulfur, that is, the sixth group of the periodic table of elements. Selenium can be advantageous over oxygen and sulfur in that it has a sufficiently high conductivity. U.S. Patent Application Publication No. 2012/0225352 discloses the manufacture of Li-selenium secondary batteries and Na-selenium secondary batteries with good capacity and cycle capability. However, certain levels of polyserenide anions reciprocate between the cathode and anode of such batteries, resulting in additional electrochemical operation that requires substantial improvement in practical use. References related to this area include:

“Electrode Materials for Rechargeable Batteries”, Ali Aboulmrane and Khalil Amine, US Patent Application 2012/0225352, Sept. 6, 2012. “Electrode Materials for Rechargeable Batteries”, Ali Aboulmrane and Khalil Amine, US Patent Application 2012/0225352, Sept. 6, 2012.

“Lithium-Selenium Secondary Batteries Having non-Flammable Electrolyte”, Hui He, Bor Z. Jang, Yanbo Wang, and Aruna Zhamu, US Patent Application 2015/0064575, March 5, 2015. “Lithium-Selenium Secondary Batteries Having non-Flammable Electrolyte”, Hui He, Bor Z. Jang, Yanbo Wang, and Aruna Zhamu, US Patent Application 2015/0064575, March 5, 2015.

“Electrolyte Solution and Sulfur-based or Selenium-based Batteries including the Electrolyte Solution”, Fang Dai, Mei Cai, Qiangfeng Xiao, and Li Yang, US Patent Application 2016/0020491, Jan. 21, 2016. “Electrolyte Solution and Sulfur-based or Selenium-based Batteries including the Electrolyte Solution”, Fang Dai, Mei Cai, Qiangfeng Xiao, and Li Yang, US Patent Application 2016/0020491, Jan. 21, 2016.

“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. “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.

“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. “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.

“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 Il Chao, Stefan Kaskel, and Gleb Yushin, Adv. Energy Mater. 2014, 1400981. “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 Il Chao , Stefan Kaskel, and Gleb Yushin, Adv. Energy Mater. 2014, 1400981.

“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. “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.

“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. “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.

“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. “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.

“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. “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.

“Elemental Selenium for Electrochemical Energy Storage”, Chun-Peng Yang, Ya-Xia Yin, and Yu-Guo Guo, J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 256-266. “Elemental Selenium for Electrochemical Energy Storage”, Chun-Peng Yang, Ya-Xia Yin, and Yu-Guo Guo, J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 256-266.

“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, Vol. 7, No. 9, 8003-8010. “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, Vol. 7, No. 9, 8003-8010.

セレンと炭素とを含む固定化セレンも本明細書に開示される。固定化セレンは、元素状態のセレン又は化合物状態のセレンを含むことができる。セレンは、限定されないが、硫黄などの他の元素でドープされてもよい。固定化セレンは、電池のカソードとアノードとの間を往復することなく、電気化学的に適切に機能する元素セレン原子の局在化を可能にする。セレンの固定化は、元素セレン原子が放電工程中に2つの電子を獲得すること、また、セレン分子/原子が固定化されている位置で、セレン化物アニオンを形成することを可能にする。次に、セレン化物アニオンは、充電工程中に2つの電子を放出して、元素セレン原子を形成することができる。従って、固定化セレンは、化学量論レベルまで可能な比容量を有する二次電池のための電気化学的活性剤として働くことができ、≧95%、≧98%、又は100%もの高さのクーロン効率を有することができ、そして、大幅に改良された持続可能なサイクル能力を実現させることができる。 Immobilized selenium, including selenium and carbon, is also disclosed herein. Immobilized selenium can include elemental selenium or compound selenium. Selenium may be doped with other elements, such as, but not limited to, sulfur. Immobilized selenium allows the localization of an electrochemically functioning elemental selenium atom without going back and forth between the cathode and anode of the battery. Immobilization of selenium allows the elemental selenium atom to acquire two electrons during the discharge process and to form a selenium anion at the position where the selenium molecule / atom is immobilized. The selenium anion can then emit two electrons during the charging process to form an elemental selenium atom. Thus, immobilized selenium can act as an electrochemical activator for secondary batteries with specific capacities possible up to stoichiometric levels, as high as ≧ 95%, ≧ 98%, or even 100%. It can have Coulomb efficiency and can achieve significantly improved sustainable cycle capacity.

固定化セレンを用いて製造された電池において、充電中の元素セレン原子とセレン化物アニオンとの電気化学的挙動は、望ましくは適切に機能するプロセスである。Sp炭素−炭素結合を有する炭素骨格は、D−バンド炭素によって抑制されるG−バンドグラフェン様局所ネットワークにわたって共役6員環芳香族π結合の全体に分布した非局在化電子を有する。電位の存在下で、そのような非局在化電子は、炭素骨格にわたる電気抵抗がほとんどないか又は全くない状態で、流れることがある。セレンの固定化は、炭素骨格のSp炭素−炭素結合を圧縮することもでき、より強い炭素−炭素結合をもたらし、炭素骨格ネットワーク内における改善された電子伝導性を引き起こす可能性がある。同時に、セレンの固定化は、セレン粒子の圧縮も引き起こし、セレン−セレンの化学的及び物理的なより強い相互作用をもたらし、固定化セレン粒子間の電気伝導性を向上させ得る。セレンの固定化によって炭素−炭素結合及びSe−Se結合の両方が強化されると、炭素骨格が結合できる安定化セレン部分の存在に加えて、圧縮によって炭素−セレン相互作用も高められる。セレンの当該部分は、安定化されたセレン部分を炭素骨格がうまく固定化するための界面層としてはたらくことができる。従って、炭素骨格と固定化セレンとの間において最小の電気抵抗で電子が流れることができ、電気化学的充電/放電工程が二次電池において効率的に機能できる。これによって、同様に、二次電池は、ほぼ化学量論的な比容量を維持することができ、電池の電気化学的性能の損失レベルが低くありながら、ほとんどあらゆる実用的レートでのサイクル特性を有する。 In batteries manufactured with immobilized selenium, the electrochemical behavior of the elemental selenium atom and the selenium anion during charging is preferably a properly functioning process. A carbon skeleton with Sp 2- carbon-carbon bonds has delocalized electrons distributed throughout the conjugated 6-membered ring aromatic π bond over a G-band graphene-like local network suppressed by D-band carbon. In the presence of an electric potential, such delocalized electrons may flow with little or no electrical resistance across the carbon skeleton. Immobilization of selenium, Sp 2 carbon of the carbon skeleton - can also be compressed carbon bond, stronger carbon - bring carbon bond, can cause electron conductivity which is improved in the carbon skeleton network. At the same time, selenium immobilization can also cause compression of the selenium particles, resulting in stronger chemical and physical interactions between selenium and selenium, which can improve electrical conductivity between the immobilized selenium particles. When both carbon-carbon and Se-Se bonds are strengthened by selenium immobilization, the carbon-selenium interaction is enhanced by compression, in addition to the presence of stabilized selenium moieties to which the carbon skeleton can be bound. The portion of selenium can serve as an interface layer for the carbon skeleton to successfully immobilize the stabilized selenium moiety. Therefore, electrons can flow between the carbon skeleton and the immobilized selenium with the minimum electrical resistance, and the electrochemical charging / discharging process can function efficiently in the secondary battery. This also allows the rechargeable battery to maintain near stoichiometric specific capacity, providing cycle characteristics at almost any practical rate while having a low level of loss in the electrochemical performance of the battery. Have.

炭素骨格は、多孔質であってもよく、別の成分でドープされていてもよい。炭素骨格の細孔径分布は、サブオングストロームから数ミクロンまでの間の範囲であってもよく、又は、その細孔径分布は、探査分子として窒素、アルゴン、CO、又は他の吸着剤を使用することによって細孔径分布装置が特性を示すことができる細孔径までの範囲でもよい。炭素骨格の空隙は、以下の少なくとも1つの範囲にピークを有する細孔径分布を含んでもよい。それは、サブオングストロームと1000オングストロームとの間、又は、1オングストロームと100オングストロームとの間、又は、1オングストロームと50オングストロームとの間、又は、1オングストロームと30オングストロームとの間、及び/又は、1オングストロームと20オングストロームとの間である。炭素骨格の空隙は、前述のごとく記載された範囲内に1よりも多いピークを有する細孔径分布を有する細孔をさらに含んでもよい。固定化セレンは、細孔径が小さい炭素骨格に有利であり、ここでは、最小電気抵抗で電子が迅速に伝達及び収集され、二次電池においてセレンが電気化学的により適切に機能できる。小さい細孔径は、より多くの炭素骨格表面積も提供でき、ここでは、セレンの第1部分が、セレン固定化の第2部分のための第1界面層を形成できる。さらに、炭素骨格中に所定割合で中サイズの細孔が存在し且つ所定割合で大サイズの細孔が存在することは、バルク溶媒媒体から小さな細孔領域への溶媒リチウムイオンの効果的な送達にも有益となる可能性があり、この細孔領域では、リチウムイオンは、協調的な溶媒分子を失い、セレン化リチウムの固相において輸送される可能性がある。 The carbon skeleton may be porous or may be doped with another component. The pore size distribution of the carbon backbone may range from subangstroms to a few microns, or the pore size distribution uses nitrogen, argon, CO 2 or other adsorbents as exploration molecules. This may be in the range up to the pore size at which the pore size distribution device can exhibit characteristics. The voids in the carbon skeleton may include a pore size distribution with peaks in at least one of the following ranges: It is between sub-angstroms and 1000 angstroms, or between 1 angstroms and 100 angstroms, or between 1 angstroms and 50 angstroms, or between 1 angstroms and 30 angstroms, and / or 1 angstroms. And 20 angstroms. The voids in the carbon skeleton may further include pores having a pore size distribution with more than one peak within the range described above. Immobilized seleton is advantageous for carbon skeletons with small pore diameters, where electrons are rapidly transferred and collected with minimal electrical resistance, allowing selenium to function more electrochemically in secondary batteries. The smaller pore size can also provide more carbon skeleton surface area, where the first portion of selenium can form the first interface layer for the second portion of selenium immobilization. Furthermore, the presence of medium-sized pores in a predetermined proportion and the presence of large-sized pores in a predetermined proportion in the carbon skeleton effectively delivers the solvent lithium ions from the bulk solvent medium to the small pore regions. Lithium ions can also be beneficial in this pore region, losing coordinated solvent molecules and being transported in the solid phase of lithium selenium.

炭素骨格の細孔容積は、0.01mL/gもの低さでもよく、5mL/gもの大きさでもよく、0.01mL/gと3mL/gとの間であってもよく、又は、0.03mL/gと2.5mL/gとの間、又は、0.05mL/gと2.0mL/gとの間であってもよい。100オングストローム未満、又は50オングストローム未満、又は30オングストローム未満、又は20オングストローム未満の細孔径を有する細孔容積は、窒素、CO、アルゴン、及び他の探査ガス分子を用いたBET装置を使用して測定できる測定可能な総細孔容積の、30%より大きく、又は40%より大きく、又は50%より大きく、又は60%より大きく、又は70%より大きく、又は80%より大きくてもよい。測定された上記炭素のBET表面積は、400m/gより大きくてもよく、又は500m/gより大きくてもよく、又は600m/gより大きくてもよく、又は700m/gより大きくてもよく、又は800m/gより大きくてもよく、又は900m/gより大きくてもよく、又は1000m/gより大きくてもよい。 The pore volume of the carbon skeleton may be as low as 0.01 mL / g, as large as 5 mL / g, between 0.01 mL / g and 3 mL / g, or 0. It may be between 03 mL / g and 2.5 mL / g, or between 0.05 mL / g and 2.0 mL / g. Pore volumes with pore diameters of less than 100 angstroms, or less than 50 angstroms, or less than 30 angstroms, or less than 20 angstroms, using a BET device with nitrogen, CO 2 , argon, and other exploration gas molecules. The total measurable pore volume may be greater than 30%, greater than 40%, greater than 50%, greater than 60%, greater than 70%, or greater than 80%. The measured BET surface area of the carbon may be greater than 400 m 2 / g, greater than 500 m 2 / g, greater than 600 m 2 / g, or greater than 700 m 2 / g. It may be larger than 800 m 2 / g, larger than 900 m 2 / g, or larger than 1000 m 2 / g.

炭素は、実質的に非晶質であってもよく、又は、約5オングストロームのd−間隔を中心とする非常に広いピークの特性を有してもよい。 The carbon may be substantially amorphous or may have very wide peak properties centered on a d-spacing of about 5 angstroms.

炭素は、D−バンド及びG−バンドを特徴としてラマンピークシフトを有する、Sp炭素−炭素結合を含んでもよい。一例では、炭素のSp炭素−炭素結合は、ラマンスペクトルにおいて、約296±50cm−1のFWHMを有し1364±100cm−1を中心とするD−バンドと、約96±50cm −1のFWHMを有し1589±100cm−1を中心とするG−バンドと、を特徴とする。G−バンドに対するD−バンドの面積の比は、0.01から100までの範囲、又は、0.1から50までの範囲、又は、0.2から20までの範囲であってもよい。 Carbon has a Raman peak shift as characterized D- band and G- band, Sp 2 carbon - may contain carbon bond. In one example, Sp 2 carbon carbon - carbon bond, in the Raman spectrum, and D- band centered at 1364 ± 100 cm -1 have a FWHM of approximately 296 ± 50 cm -1, about 96 ± 50 cm -1 FWHM It is characterized by a G-band centered on 1589 ± 100 cm -1 . The ratio of the area of the D-band to the G-band may be in the range 0.01 to 100, 0.1 to 50, or 0.2 to 20.

炭素は、任意の形態、即ち、例えば、血小板状、球状、繊維状、針状、管状、不規則形状、相互接続された形状、凝集した形状、離散した形状、又は、任意の固体粒子であってもよい。所定の大きさのアスペクト比を有する、血小板状、繊維状、針状、管状、又は、ある種の形態は、良好な粒子間接触を達成するために有利である可能性があり、これが、より良好な導電性をもたらし、二次電池の性能を高め得る。 Carbon can be of any form, eg, platelet-like, spherical, fibrous, needle-like, tubular, irregular, interconnected, aggregated, discrete, or any solid particle. You may. Platelet-like, fibrous, needle-like, tubular, or certain forms with a given size aspect ratio may be advantageous for achieving good interparticle contact, which is more It can provide good conductivity and enhance the performance of the secondary battery.

炭素は、1ナノメートルから数ミリメートルまで、又は、数ナノメートルから1000ミクロン未満まで、又は、20nmから100ミクロンまでのメジアン粒子径を有する、任意の粒子径のものであってもよい。 The carbon may be of any particle size, having a median particle size of 1 nanometer to a few millimeters, or a few nanometers to less than 1000 microns, or 20 nm to 100 microns.

炭素骨格の性質は、セレンの固定化に影響を及ぼす可能性があり、炭素骨格表面とセレン粒子との間の相互作用は、二次電池の性能に影響を及ぼす可能性がある。炭素骨格におけるSp炭素の配置によって、Se固定化の達成を助けることができる。小さい炭素骨格細孔からのSp炭素が好ましい可能性があり、本明細書の実施例9で説明されるように、NLDFT表面積法によって定量化できる。20オングストローム未満の炭素骨格細孔からの表面積は、≧500m/g、≧600m/g、≧700m/g、≧800m/g、≧900m/g、又は≧1,000m/gであってもよい。20オングストロームと1000オングストロームと間の炭素骨格細孔からの表面積は、炭素骨格の総表面積の、20%以下、15%以下、10%以下、5%以下、3%以下、2%以下、又は1%以下であってもよい。 The nature of the carbon skeleton can affect the immobilization of selenium, and the interaction between the carbon skeleton surface and the selenium particles can affect the performance of the secondary battery. The placement of Sp 2 carbons in the carbon skeleton can help achieve Se immobilization. Small may Sp 2 carbon atoms is preferred possibility from carbon skeleton pores, as described in Example 9 herein, can be quantified by NLDFT surface area method. The surface area of the carbon skeleton pores less than 20 angstroms, ≧ 500m 2 / g, ≧ 600m 2 / g, ≧ 700m 2 / g, ≧ 800m 2 / g, ≧ 900m 2 / g, or ≧ 1,000 m 2 / It may be g. The surface area from the carbon skeleton pores between 20 angstroms and 1000 angstroms is 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less, 3% or less, 2% or less, or 1 of the total surface area of the carbon skeleton. It may be less than or equal to%.

固定化セレンは、以下のセレン蒸発の定義を参照して、元素セレンよりも高い温度で蒸発するセレンを含むことができる。Se−Super P複合体中の元素セレンは、480℃の温度で、その質量の50%を失い、Se/黒鉛複合体中の元素セレンは、471℃の温度で、含有セレンの50%までその質量を失う。固定化セレンは、480℃よりも高い温度、例えば、≧490℃、≧500℃、≧510℃、≧520℃、≧530℃、≧540℃、≧550℃、≧560℃、≧570℃、又は≧580℃若しくはそれよりも高い温度で、その質量の50%を失う。固定化セレン系における結合力及び/又は分子間力から抜け出して、気相へ離脱するために、固定化セレン中のセレンは、≧9.5kJ/モル、≧9.7kJ/モル、≧9.9kJ/モル、≧10.1kJ/モル、≧10.3kJ/モル、又は≧10.5kJ/モル若しくはそれよりも多い運動エネルギーを必要とする可能性がある。一例において、気化する固定化セレンの最終部分は、炭素骨格から離脱するために、≧11,635ジュール/モル(≧660℃)の運動エネルギーを必要とすることがあり、また、セレン固定化に重要である可能性があり、炭素骨格と固定化セレン分子の大部分と間の界面材料としてはたらく可能性がある。従って、≧11,635ジュール/モルの運動エネルギーを必要とするセレンの当該部分は、界面セレンと称される。固定化セレンにおける界面セレンの量は、総固定化セレンの≧1.5%、≧2.0%、≧2.5%、又は、3.0%であってもよい。 Immobilized selenium can include selenium that evaporates at a higher temperature than elemental selenium, with reference to the definition of selenium evaporation below. The elemental selenium in the Se-Super P complex loses 50% of its mass at a temperature of 480 ° C, and the elemental selenium in the Se / graphite composite has its up to 50% of its content at a temperature of 471 ° C. Lose mass. Immobilized selenium has temperatures higher than 480 ° C, such as ≧ 490 ° C, ≧ 500 ° C, ≧ 510 ° C, ≧ 520 ° C, ≧ 530 ° C, ≧ 540 ° C, ≧ 550 ° C, ≧ 560 ° C, ≧ 570 ° C, Or at ≧ 580 ° C. or higher, lose 50% of its mass. In order to escape from the binding force and / or the intermolecular force in the immobilized selenium system and escape to the gas phase, the selenium in the immobilized selenium is ≧ 9.5 kJ / mol, ≧ 9.7 kJ / mol, ≧ 9. It may require kinetic energy of 9 kJ / mol, ≧ 10.1 kJ / mol, ≧ 10.3 kJ / mol, or ≧ 10.5 kJ / mol or more. In one example, the final portion of the vaporized immobilized selenium may require kinetic energy of ≧ 11,635 joules / mol (≧ 660 ° C.) to disengage from the carbon skeleton, and for selenium immobilization. It can be important and can act as an interface material between the carbon skeleton and most of the immobilized selenium molecules. Therefore, the portion of selenium that requires kinetic energy of ≥11,635 joules / mol is referred to as interfacial selenium. The amount of interfacial selenium in the immobilized selenium may be ≧ 1.5%, ≧ 2.0%, ≧ 2.5%, or 3.0% of the total immobilized selenium.

固定化セレンは、固定化Se−C複合体系からセレンが離脱するために克服すべき従来の(非固定化)セレンの活性化エネルギーよりも高い活性化エネルギーを有するセレンを含み得る。非固定化セレン(Se−Super P複合体系)の活性化エネルギーは、ASTM法 E1641−16に従って、約92kJ/モルであると測定された。セレン及び炭素を含む固定化セレン中のセレンの活性化エネルギーは、≧95kJ/モル、≧98kJ/モル、≧101kJ/モル、≧104kJ/モル、≧107kJ/モル、又は≧110kJ/モルである。セレンと炭素とを含む固定化セレン中のセレンの活性化エネルギーは、Se−Super P複合体中のセレンの活性化エネルギーよりも、≧3%、≧6%、≧9%、≧12%、≧15%、又は≧18%大きい。固定化セレンは、非固定化セレンよりも安定している可能性がある。その理由は、Se−C複合体においてセレンが固定化されていることによって、カソードとアノードとの間でのセレンの往復が、おそらく最小化(又は解消)されることで、固定化セレンを含む電池がサイクル性能において電気化学的に良好になったためである。 The immobilized selenium may include selenium having a higher activation energy than the activation energy of the conventional (non-immobilized) selenium that must be overcome in order for the selenium to withdraw from the immobilized Se-C complex system. The activation energy of non-immobilized selenium (Se-Super P complex system) was measured to be approximately 92 kJ / mol according to ASTM method E1641-16. The activation energy of selenium in immobilized selenium containing 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 of selenium in the immobilized selenium containing selenium and carbon is ≧ 3%, ≧ 6%, ≧ 9%, ≧ 12%, more than the activation energy of selenium in the Se-Super P complex. ≧ 15% or ≧ 18% larger. Immobilized selenium may be more stable than non-immobilized selenium. The reason is that the immobilization of selenium in the Se-C complex probably minimizes (or eliminates) the round trip of selenium between the cathode and the anode, including immobilized selenium. This is because the battery has improved electrochemically in terms of cycle performance.

典型的には255±25cm−1、又は255±15cm−1、又は255±10cm−1にラマンピークを有し、ラマン不活性又はラマン活性であってもよいセレンを、固定化セレンは、含み得る。ラマン相対ピーク強度は、炭素ラマンスペクトルのD−バンドピークの面積に対する、255cm−1でのラマンピークの面積として定義される。固定化炭素は、≧0.1%、≧0.5%、≧1%、≧3%、≧5%のラマン相対ピーク強度を有するセレンを含んでもよい。固定化セレンは、≧5%のセレン、≧10%のセレン、≧20%のセレン、≧30%のセレン、≧40%のセレン、≧50%のセレン、≧60%のセレン、又は≧70%セレンを含んでもよい。 Immobilized selenium comprises selenium, which typically has a Raman peak at 255 ± 25 cm -1 , or 255 ± 15 cm -1 , or 255 ± 10 cm -1 , and may be Raman inactive or Raman active. obtain. Raman relative peak intensity is defined as the area of the Raman peak at 255 cm -1 with respect to the area of the D-band peak in the carbon Raman spectrum. The immobilized carbon may contain selenium having a Raman relative peak intensity of ≧ 0.1%, ≧ 0.5%, ≧ 1%, ≧ 3%, ≧ 5%. Immobilized selenium is ≧ 5% selenium, ≧ 10% selenium, ≧ 20% selenium, ≧ 30% selenium, ≧ 40% selenium, ≧ 50% selenium, ≧ 60% selenium, or ≧ 70. May contain% selenium.

固定化セレンは、純粋セレンのラマンピークからの赤色シフトを有するセレンを含み得る。赤色シフトは、固定化セレンのラマンピーク位置と、純セレンのラマンピーク位置と、の間の正の差によって定義される。純粋セレンは、典型的には約235cm−1にラマンピークを有する。固定化セレンは、≧4cm−1、≧6cm−1、≧8cm−1、≧10cm−1、≧12cm−1、≧14cm−1、又は≧16cm−1までのラマンピークの赤色シフトを有するセレンを含むことができる。ラマンピークにおける赤色シフトは、セレン粒子に圧縮があることを示唆する。 Immobilized selenium may include selenium with a red shift from the Raman peak of pure selenium. The red shift is defined by the positive difference between the Raman peak position of immobilized selenium and the Raman peak position of pure selenium. Pure selenium typically has a Raman peak at about 235 cm -1 . Immobilized selenium is a selenium with a Raman peak red shift up to ≧ 4 cm -1 , ≧ 6 cm -1 , ≧ 8 cm -1 , ≧ 10 cm -1 , ≧ 12 cm -1 , ≧ 14 cm -1 , or ≧ 16 cm -1. Can be included. The red shift at the Raman peak suggests that the selenium particles have compression.

固定化セレンは、圧縮下にあってもよい炭素を含み得る。圧縮下において、電子は、最小抵抗で流れることができ、これは、二次電池において、放電−充電プロセス中に、電気化学プロセスに関わるセレンアニオンからセレンへの迅速な電子送達を容易にする。固定化セレンを含む炭素骨格のSp炭素−炭素結合に関わるラマンスペクトルにおけるD−バンド及び/又はG−バンドは、≧1cm−1、≧2cm−1、≧3cm−1、≧4cm−1、又は≧5cm−1までの赤色シフトを示してもよい。 Immobilized selenium may contain carbon that may be under compression. Under compression, electrons can flow with minimal resistance, which facilitates rapid electron delivery from the selenium anion involved in the electrochemical process to selenium during the discharge-charging process in the secondary battery. Sp 2 carbon of the carbon skeleton containing immobilized selenium - is D- band and / or G- band in the Raman spectrum related to carbon bond, ≧ 1cm -1, ≧ 2cm -1 , ≧ 3cm -1, ≧ 4cm -1, Alternatively, it may show a red shift up to ≧ 5 cm -1 .

固定化セレンは、非固定化セレンよりも高い衝突頻度を有してもよいセレンを含む。そのような高い衝突頻度は、圧縮下にある固定化Se−C体系におけるセレンに起因する可能性がある。非固定化セレン中のセレンの衝突頻度は、ATSM法 E1641−16に従って、約2.27×10であると測定された。セレン及び炭素を含む固定化セレンにおけるセレンの衝突頻度は、≧2.5×10、≧3.0×10、≧3.5×10、≧4.0×10、≧4.5×10、≧5.0×10、≧5.5×10、≧6.0×10、又は≧8.0×10である。固定化セレンは、Se−C複合体中の非固定化セレンの衝突頻度よりも、≧10%、≧30%、≧50%、≧80%、≧100%、≧130%、≧150%、≧180%、又は≧200%まで高い衝突頻度を有することができる。これによって、固定化セレン系において、より良好な電子伝導性がもたらされ得る。セレン種間の衝突がより多いためである。Se−C複合体中の固定化セレンは、炭素ホストの壁(例えば、炭素骨格)に対して、より高い衝突頻度も有することになると思われる。これによって、電気化学サイクル中に、炭素骨格から電子のより良好な送達又は収集をもたらすことができ、また、より多くのサイクルの達成や、非常に望ましいかなり高いCレートでのサイクルといった、改善されたサイクル性能を有する(固定化セレンを含む)電池をもたらすことができる。 Immobilized selenium contains selenium which may have a higher collision frequency than non-immobilized selenium. Such high collision frequencies may be due to selenium in the immobilized Se-C system under compression. Collision frequency of selenium non-immobilized selenium according ATSM method E1641-16, was measured to be about 2.27 × 10 5. Collision frequency of selenium in immobilized selenium containing selenium and carbon, ≧ 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 a ≧ 8.0 × 10 5. Immobilized selenium is ≧ 10%, ≧ 30%, ≧ 50%, ≧ 80%, ≧ 100%, ≧ 130%, ≧ 150%, more than the collision frequency of non-immobilized selenium in the Se-C complex. It can have a high collision frequency up to ≧ 180% or ≧ 200%. This can result in better electron conductivity in the immobilized selenium system. This is because there are more collisions between selenium species. Immobilized selenium in the Se-C complex will also have a higher collision frequency with the carbon host wall (eg, carbon backbone). This can result in better delivery or collection of electrons from the carbon skeleton during the electrochemical cycle, as well as improvements such as achieving more cycles and cycling at a fairly high C rate, which is highly desirable. It is possible to provide a battery (including immobilized selenium) having a good cycle performance.

固定化セレンは、そのホスト材料(炭素)を離れる傾向がより少ないセレンを含むことができ、非固定の/従来のセレンの運動速度定数の、≦1/5、≦1/10、≦1/50、≦1/100、≦1/500、又は≦1/1000の運動速度定数を有する。我々の例において、固定化セレンは、そのホスト材料(炭素)を離れる傾向がより少ないセレンを含み、≦1×10−10、≦5×10−11、≦1×10−11、≦5×10−12、又は≦5×10−13の運動速度定数(50℃)を有する。 Immobilized selenium can contain selenium that is less likely to leave its host material (carbon) and is ≤1 / 5, ≤1 / 10, ≤1 / of the rate constants of non-fixed / conventional selenium. It has a motion rate constant of 50, ≦ 1/100, ≦ 1/500, or ≦ 1/1000. In our example, immobilization selenium comprises less selenium tends to leave the host material (carbon), ≦ 1 × 10 -10, ≦ 5 × 10 -11, ≦ 1 × 10 -11, ≦ 5 × It has a motion velocity constant (50 ° C.) of 10-12 or ≦ 5 × 10-13 .

固定化セレンは、X線回折測定によって決定されるように、非晶質であってもよいセレンを含み得る。約5.2オングストロームのd−間隔を有する回折ピークは、比較的小さいか又は弱く、炭素骨格の回折ピークよりも、例えば、10%弱く、20%弱く、30%弱く、又は40%弱い。 Immobilized selenium may include selenium, which may be amorphous, as determined by X-ray diffraction measurements. Diffraction peaks with a d-spacing of about 5.2 angstroms are relatively small or weak and are, for example, 10% weaker, 20% weaker, 30% weaker, or 40% weaker than the carbon skeleton diffraction peaks.

固定化セレンは、炭素とセレンとを物理的に混合し、その後、セレン分子を溶融及び均質化(又は混合若しくはブレンド)して、セレン固定化を達成することによって、製造することができる。物理的混合は、ボールミル(乾式及び湿式)、乳鉢及び乳棒(乾式又は湿式)による混合、ジェットミル、水平ミル、摩砕ミル、スラリー中での高剪断混合、ブレードを用いた通常のスラリー混合などによって、実施できる。物理的に混合されたセレンと炭素との混合物は、セレンの融点以上の温度であり且つ炭素の融解温度よりも低い温度で、加熱できる。限定されないが、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガス環境下で加熱を実施してもよい。加熱環境は、空気又は反応環境を含んでもよい。セレンの固定化は、溶解したセレンを炭素に含浸させ、続いて、溶媒を蒸発させることによって達成できる。セレンを溶解するための溶媒は、アルコール、エーテル、エステル、ケトン、炭化水素、ハロゲン化炭化水素、窒素含有化合物、リン含有化合物、硫黄含有化合物、水などを含んでもよい。 Immobilized selenium can be produced by physically mixing carbon and selenium, and then melting and homogenizing (or mixing or blending) the selenium molecules to achieve selenium immobilization. Physical mixing includes ball mill (dry and wet), mortar and pestle (dry or wet) mixing, jet mill, horizontal mill, grinding mill, high shear mixing in slurry, normal slurry mixing using blades, etc. Can be implemented by The physically mixed mixture of selenium and carbon can be heated at a temperature above the melting point of selenium and below the melting temperature of carbon. Heating may be performed in an environment of an inert gas such as argon, helium, or nitrogen, without limitation. The heating environment may include air or a reaction environment. Immobilization of selenium can be achieved by impregnating the carbon with dissolved selenium and then evaporating the solvent. The solvent for dissolving selenium may include alcohol, ether, ester, ketone, hydrocarbon, halogenated hydrocarbon, nitrogen-containing compound, phosphorus-containing compound, sulfur-containing compound, water and the like.

固定化セレンは、炭素の存在下で大量のセレンを溶融させ、続いて、固定化されていない余分なセレンを除去することによって、獲得できる。 Immobilized selenium can be obtained by melting large amounts of selenium in the presence of carbon and then removing excess unimmobilized selenium.

固定化セレン系又は固定化セレン体は、その系又は当該体(形体)におけるセレンの総量の、≧30%、≧40%、≧50%、≧60%、≧70%、≧80%、又は≧90%の固定化セレンを含んでもよい。非固定化セレンは、固定化セレンよりも低い温度で、気化し得る。 An immobilized selenium system or an immobilized selenium body is ≧ 30%, ≧ 40%, ≧ 50%, ≧ 60%, ≧ 70%, ≧ 80%, or ≧ 80% of the total amount of selenium in the system or the body (form). It may contain ≧ 90% immobilized selenium. Non-immobilized selenium can vaporize at a lower temperature than immobilized selenium.

固定化セレン系又は固定化セレン体は、例えば、硫黄及び/又はテルルなど、周期律表の第6族からの1種又は複数種の追加元素/他元素でドープされた固定化セレンを含んでもよい。ドーパント濃度は、固定化セレン系又は固定化セレン体の質量の、100質量ppmという低さから85質量%という高さまでの範囲であってもよい。 The immobilized selenium system or the immobilized selenium compound may contain immobilized selenium doped with one or more additional elements / other elements from Group 6 of the Periodic Table, such as sulfur and / or tellurium. Good. The dopant concentration may range from as low as 100 mass ppm to as high as 85 mass% of the mass of the immobilized selenium system or the immobilized selenium body.

固定化セレンを製造するプロセスの例を図6に示す。このプロセスにおいて、セレンと炭素とをともに乾式又は湿式条件下で混合する(S1)。混合物を必要に応じて乾燥して粉末にした(S2)後、必要に応じて乾燥粉末をペレット化することができる(S3)。工程S1と、必要に応じた工程S2及びS3との結果として、工程S4のための出発材料である炭素骨格が生成する。工程S4において、炭素骨格にセレンが溶融する。炭素骨格に溶融したセレンを乾燥させることができ、これによって、工程S5の固定化セレンを製造する。固定化セレンの製造及び特性評価は、実施例10に関連して、後に本明細書において記載されている。 An example of the process for producing immobilized selenium is shown in FIG. In this process, both selenium and carbon are mixed under dry or wet conditions (S1). After the mixture is dried to powder (S2) as needed, the dry powder can be pelletized as needed (S3). As a result of step S1 and, if necessary, steps S2 and S3, a carbon skeleton as a starting material for step S4 is produced. In step S4, selenium melts in the carbon skeleton. The selenium melted in the carbon skeleton can be dried, thereby producing the immobilized selenium in step S5. The production and characterization of immobilized selenium is described later herein in connection with Example 10.

固定化セレンを、二次電池のカソード材料として使用できる。カソードを作製するために、固定化セレンを、限定されないが水又は有機溶媒などの液体媒体中に分散してもよい。固定化セレンを含むカソードは、バインダと、必要に応じて別のバインダと、必要に応じて導電促進剤と、集電体とを含むことができる。バインダは、無機物であってもよく又は有機物であってもよい。有機バインダは、例えばCMCなどの天然物、又は、例えばSBRゴムラテックスなどの合成物であってもよい。導電促進剤は、黒鉛由来の小粒子、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノシート、カーボンブラックなどの炭素の1種であってもよい。集電体は、例えば、アルミニウム箔、銅箔、炭素箔、炭素繊維、又は他の金属箔であってもよい。カソードは、固定化セレン含有スラリー(又は複数種スラリー)を集電体に塗布し、続いて、典型的な乾燥工程(空気乾燥、オーブン乾燥、真空オーブン乾燥など)によって製造できる。固定化セレンのスラリー又は複数種スラリーは、高剪断ミキサー、レギュラーミキサー、プラネタリーミキサー、ダブルプラネタリーミキサー、ボールミル、垂直アトリター、水平ミルなどによって製造できる。固定化セレンを含むカソードは、電池アセンブリにおける使用の前に、プレス加工されてもよく、又は、ローラーミル加工(又はカレンダー加工)されてもよい。 Immobilized selenium can be used as the cathode material for secondary batteries. To make the cathode, the immobilized selenium may be dispersed in a liquid medium such as, but not limited to, water or an organic solvent. The cathode containing immobilized selenium can include a binder, another binder if necessary, a conductivity accelerator if necessary, and a current collector. The binder may be an inorganic substance or an organic substance. The organic binder may be a natural product such as CMC or a synthetic product such as SBR rubber latex. The conductivity accelerator may be one of carbon such as graphite-derived small particles, graphene, carbon nanotubes, carbon nanosheets, and carbon black. The current collector may be, for example, an aluminum foil, a copper foil, a carbon foil, a carbon fiber, or another metal foil. The cathode can be produced by applying an immobilized selenium-containing slurry (or a plurality of types of slurry) to the current collector, and subsequently by a typical drying step (air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). The immobilized selenium slurry or the plurality of kinds slurries can be produced by a high shear mixer, a regular mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical atelier, a horizontal mill and the like. Cathodes containing immobilized selenium may be stamped or roller milled (or calendered) prior to use in battery assembly.

固定化セレンを含む二次電池は、固定化セレンを含むカソードと、アノードと、セパレータと、電解液とを含むことができる。アノードは、リチウム、ナトリウム、ケイ素、黒鉛、マグネシウム、スズ、及び/又は、元素の周期律表(周期律表)におけるIA族、IIA族、IIIA族などからの適切及び/又は望ましい元素、若しくはそれら元素の組み合わせを含むことができる。セパレータは、有機セパレータ、無機セパレータ、又は固体電解質セパレータを含んでいてもよい。有機セパレータは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ハロゲン化ポリマー、ポリエーテル、ポリケトンなどのポリマーを含むことができる。無機セパレータは、ガラス繊維若しくは石英繊維、固体電解質セパレータを含むことができる。電解液は、リチウム塩、ナトリウム塩、又は他の塩、周期律表IA族の塩、周期律表IIA族の塩、及び、有機溶媒を含むことができる。有機溶媒は、有機カーボネート化合物、エーテル、アルコール、エステル、炭化水素、ハロゲン化炭化水素、リチウム含有溶媒などを含んでもよい。 A secondary battery containing immobilized selenium can include a cathode containing immobilized selenium, an anode, a separator, and an electrolytic solution. The anode is a suitable and / or desirable element from Group IA, IIA, IIIA, etc. in the periodic table (periodic table) of lithium, sodium, silicon, graphite, magnesium, tin, and / or elements, or them. It can include a combination of elements. The separator may include an organic separator, an inorganic separator, or a solid electrolyte separator. Organic separators can include, for example, polymers such as polyethylene, polypropylene, polyester, halogenated polymers, polyethers, polyketones and the like. The inorganic separator may include glass fiber, quartz fiber, and a solid electrolyte separator. The electrolytic solution may contain a lithium salt, a sodium salt, or another salt, a salt of Group IA of the Periodic Table, a salt of Group IIA of the Periodic Table, and an organic solvent. The organic solvent may include an organic carbonate compound, ether, alcohol, ester, hydrocarbon, halogenated hydrocarbon, lithium-containing solvent and the like.

電子機器(エレクトロニクス)、電気自動車又はハイブリッド自動車、産業用途、ドローン(無人機)などの軍事用途、航空宇宙用途、海洋用途などのために、固定化セレンを含む二次電池を使用できる。 Secondary batteries containing immobilized selenium can be used for electronic devices (electronics), electric or hybrid vehicles, industrial applications, military applications such as drones (unmanned aircraft), aerospace applications, marine applications, and the like.

固定化セレンを含む二次電池は、セレン活性量あたり、400mAh/g以上、450mAh/g以上、500mAh/g以上、550mAh/g以上、又は600mAh/gの比容量を有することができる。固定化セレンを含む二次電池は、50サイクル以上、75サイクル以上、100サイクル以上、200サイクル以上において、電気化学サイクルを受けることができる。 The secondary battery containing immobilized selenium can have a specific capacity of 400 mAh / g or more, 450 mAh / g or more, 500 mAh / g or more, 550 mAh / g or more, or 600 mAh / g per amount of selenium activity. A secondary battery containing immobilized selenium can undergo an electrochemical cycle in 50 cycles or more, 75 cycles or more, 100 cycles or more, and 200 cycles or more.

固定化セレンを含む二次電池を、0.1C、0.2C、0.5C、1C、1.5C、2C、3C、4C、5C、6C、7C、8C、9C、10C、又はそれよりも速く充電することができる。30サイクル以上の広範囲の高Cレートでの充放電サイクル(例えば、0.1Cで5サイクル、0.2Cで5サイクル、0.5Cで5サイクル、1Cで5サイクル、2Cで5サイクル、5Cで5サイクル、10Cで5サイクル)を実施した後、固定化セレンを含む二次電池は、0.1Cのサイクルレートにて、2回目放電の比容量の>30%、>40%、>50%、>60%、>70%、>80%の電池比容量を維持することができる。 Secondary batteries containing immobilized selenium, 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C, or better. It can be charged quickly. A wide range of high C rate charge / discharge cycles of 30 cycles or more (eg, 0.1C for 5 cycles, 0.2C for 5 cycles, 0.5C for 5 cycles, 1C for 5 cycles, 2C for 5 cycles, 5C After 5 cycles (5 cycles at 10C), the secondary battery containing immobilized selenium was charged at a cycle rate of 0.1C at> 30%,> 40%,> 50% of the specific capacity of the second discharge. ,> 60%,> 70%,> 80% battery specific capacity can be maintained.

以下は、本発明の概念を説明するためのいくつかの例である。しかしながら、これらの実施例は、限定的な意味で解釈されるべきではない。 The following are some examples for explaining the concept of the present invention. However, these examples should not be construed in a limited sense.

特性評価法
エネルギー分散分析X線(EDX)検出器を備えたTescan Vega走査型電子顕微鏡において、走査型電子顕微鏡(SEM)画像を収集した。
Characterization method Scanning electron microscope (SEM) images were collected in a Tescan Vega scanning electron microscope equipped with an energy dispersive X-ray (EDX) detector.

Renishaw inVia Raman 分光器(共焦点)によって、ラマンスペクトルを収集した。レーザーラマン分光法は、炭素及びダイヤモンドの特性評価のために定評あるものとして広く使用されており、炭素(例えば、ダイヤモンド、黒鉛、バッキーボールなど)の様々な各形態(同素体)の、容易に区別できる特徴を提供する。フォトルミネッセンス(PL)技術と組み合わせることによって、相の純度、結晶の大きさや配向、欠陥のレベルや構造、不純物の種類や濃度、応力及び歪みなどといった、ダイヤモンドの様々な特性を調べる非破壊的な方法をこの方法が提供する。特に、1332cm−1における第1次ダイヤモンドラマンピークの幅(半値全幅、FWHM)、並びに、ダイヤモンドピークと黒鉛ピーク(1350cm−1でのD−バンド及び1600cm−1でのG−バンド)との間のラマン強度比は、ダイヤモンド及び他の炭素材料の品質の直接の指標である。さらに、ダイヤモンド又は他の炭素粒子及び膜における応力と歪みとのレベルを、ダイヤモンドラマンピークシフトから推定することができる。静水圧応力下でのダイヤモンドラマンピークシフト速度は、約3.2cm−1/GPaであり、引張応力下では低い波数へピークがシフトし、圧縮応力下では高い波数へピークがシフトすることが報告されている。本明細書で論じられるラマンスペクトルは、514nmの励起レーザーを用いた、Renishaw inVia Raman分光器を用いて収集された。ダイヤモンドの特性を示すべくラマン分光法を使用することについてのより多くの情報は、(1)A. M. Zaitsev, Optical Properties of Diamond, 2001, Springer、及び、(2)S. Prawer, R. J. Nemanich, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2537-2565.の参照においても可能である。 Raman spectra were collected by a Renishaw in Via Raman spectrometer (confocal). Laser Raman spectroscopy is widely used as a well-established material for the characterization of carbon and diamond, making it easy to distinguish between various forms (allotropes) of carbon (eg, diamond, graphite, buckyball, etc.). Provide features that can be done. Combined with photoluminescence (PL) technology, it is non-destructive to investigate various properties of diamond such as phase purity, crystal size and orientation, defect level and structure, impurity type and concentration, stress and strain. This method provides a method. In particular, primary diamond Raman peak width at 1332 cm -1 (FWHM, FWHM), and, between the diamond peak and the graphite peak (G-band at D- band and 1600 cm -1 in 1350 cm -1) Raman strength ratio is a direct indicator of the quality of diamonds and other carbon materials. In addition, the level of stress and strain in diamond or other carbon particles and films can be estimated from the diamond Raman peak shift. It is reported that the diamond Raman peak shift speed under hydrostatic stress is about 3.2 cm -1 / GPa, the peak shifts to a low wave number under tensile stress, and the peak shifts to a high wave number under compressive stress. Has been done. The Raman spectra discussed herein were collected using a Renishaw in Via Raman spectrometer using a 514 nm excitation laser. More information on using Raman spectroscopy to characterize diamonds can be found in (1) AM Zaitsev, Optical Properties of Diamond, 2001, Springer, and (2) S. Prawer, RJ Nemanich, Phil. It is also possible with reference to Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2537-2565.

炭素試料のBET表面積及び細孔径分布に関わるデータは、脱ガス試料製造のためのSmart VacPrepを備えた3Flex(Mircomeritics)を用いた、窒素吸収及びCO吸収によって測定された。試料は、通常、CO及びN吸収の測定の前に、真空下で、250℃で2時間、Smart Vac−Prepにおいて脱ガスされる。窒素吸収を用いてBET表面積を測定する。窒素吸収データとCO吸収データとを組み合わせて、炭素試料の細孔径分布を計算した。炭素材料の細孔径分布を決定するためにN及びCOの両方の吸収データを組み合わせることの詳細については、“Dual gas analysis of microporous carbon using 2D-NLDFT heterogeneous surface model and combined adsorption data of N2 and CO2”, Jacek Jagiello, Conchi Ania, Jose B. Parra, and Cameron Cook, Carbon 91, 2015, page 330-337. を参照。 Data relating to the BET surface area and pore size distribution of the carbon sample were measured by nitrogen absorption and CO 2 absorption using 3Flex (Mircomeritics) equipped with Smart VacPrep for the production of degassed samples. Samples are typically degassed in Smart Vac-Prep under vacuum for 2 hours at 250 ° C. prior to measurement of CO 2 and N 2 absorption. BET surface area is measured using nitrogen absorption. The pore size distribution of the carbon sample was calculated by combining the nitrogen absorption data and the CO 2 absorption data. For more information on combining both N 2 and CO 2 absorption data to determine the pore size distribution of carbon materials, see “Dual gas analysis of microporous carbon using 2D-NLDFT heterogeneous surface model and combined adsorption data of N 2”. and CO 2 ”, Jacek Jagiello, Conchi Ania, Jose B. Parra, and Cameron Cook, Carbon 91, 2015, pages 330-337.

固定化セレン試料と対照試料とについて、熱質量分析(TGA)とTGA−示差走査熱量測定(DSC)とに関わるデータを、Netzsch Thermal Analyzerによって測定した。16℃/分、10℃/分、5℃/分、2℃/分、1℃/分の昇温速度、及び他の昇温速度で、〜200mL/分のアルゴン流速下で、TGA分析を実施した。一貫性の目的のために、TGA分析のために使用される固定化セレン試料の典型的な量を約20mgとした。 Data relating to thermogravimetric analysis (TGA) and TGA-differential scanning calorimetry (DSC) were measured for the immobilized selenium sample and the control sample by Netzsch Thermal Analyser. Perform TGA analysis at 16 ° C./min, 10 ° C./min, 5 ° C./min, 2 ° C./min, 1 ° C./min heating rates, and other heating rates at ~ 200 mL / min argon flow rates. Carried out. For consistency purposes, the typical amount of immobilized selenium sample used for TGA analysis was approximately 20 mg.

固定化セレン及び非固定化セレンの、活性化エネルギー及び衝突頻度を、ASTM法 E1641−16に記載された手順に従って、TGAによって測定した。 The activation energy and collision frequency of immobilized and non-immobilized selenium were measured by TGA according to the procedure described in ASTM Method E1641-16.

様々な炭素、Se−炭素試料、及び、固定化セレンについて、Philip DiffractometerにおいてX線回折結果を収集した。 X-ray diffraction results were collected on the Philip Diffractometer for various carbon, Se-carbon samples, and immobilized selenium.

Lanhe CT2001A 電池サイクルテスターにおいて、固定化セレンを含む二次電池の電池サイクル性能を試験した。固定化セレンに含まれるセレンの量とサイクルレート(0.1C、0.5C、1C、2C、3C、4C、5C、10Cなど)とによって、固定化セレンを含む二次電池の充放電電流を測定した。 The battery cycle performance of a secondary battery containing immobilized selenium was tested in a Lanhe CT2001A battery cycle tester. Depending on the amount of selenium contained in the immobilized selenium and the cycle rate (0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 3C, 4C, 5C, 10C, etc.), the charge / discharge current of the secondary battery containing the immobilized selenium can be determined. It was measured.

実施例9:炭素骨格の合成及び特性評価
第1残渣を形成するために、260gのクエン酸カリウム充填物をるつぼに入れ、るつぼを管状炉内の石英管に入れた。アルゴンガス流を炉に流し、炉を室温(〜20−22℃)から600℃まで5℃/分で昇温した。炉をこの温度で60分間保持し、続いて炉を停止し、炉冷却後にるつぼから充填物を取り除き、174.10gの処理残渣を回収した。第2処理残渣及び第3処理残渣を形成するために、第1残渣に関わる記載と同じ工程を、420g及び974gのクエン酸カリウムの充填物について、別々に繰り返した。得られた第2及び第3の処理残渣は、それぞれ282.83g及び651.93gであった。
Example 9: Synthesis and characterization of carbon skeleton 260 g of potassium citrate filling was placed in a crucible and the crucible was placed in a quartz tube in a tube furnace to form the first residue. An argon gas stream was passed through the furnace and the furnace was heated from room temperature (~ 20-22 ° C.) to 600 ° C. at 5 ° C./min. The furnace was kept at this temperature for 60 minutes, then the furnace was shut down, the filling was removed from the crucible after cooling the furnace, and 174.10 g of treatment residue was recovered. To form the second and third treatment residues, the same steps as described for the first residue were repeated separately for 420g and 974g of potassium citrate filler. The obtained second and third treatment residues were 282.83 g and 651.93 g, respectively.

これらの3つの処理残渣からの1108.9gを一緒にして、るつぼに入れ、これを管状炉内の石英管に入れ、アルゴンガス流を炉に流し入れた。炉を5℃/分で800℃まで昇温した。炉を800℃で1時間保持した。炉を冷却させた後、るつぼを石英管から取り出し、その後、1,085.74gの第1最終残渣を回収した。 1108.9 g from these three treatment residues were put together in a pot, which was placed in a quartz tube in a tubular furnace, and an argon gas stream was poured into the furnace. The temperature of the furnace was raised to 800 ° C. at 5 ° C./min. The furnace was kept at 800 ° C. for 1 hour. After cooling the furnace, the crucible was removed from the quartz tube and then 1,085.74 g of the first final residue was recovered.

この実施例に記載した手順と同じ手順(800℃)に従って、炉に導入された120gのカリウム残渣の充填物は、約77gの第2最終残渣(800℃)を生成した。 According to the same procedure (800 ° C.) as described in this example, the filling of 120 g of potassium residue introduced into the furnace produced about 77 g of a second final residue (800 ° C.).

第1最終残渣及び第2最終残渣を組み合わせることで、約1,163gの第3最終残渣がもたらされた。 The combination of the first final residue and the second final residue resulted in approximately 1,163 g of the third final residue.

第3最終残渣1,163gを水400mLと混合してスラリーを調製し、これを4つの2リットルビーカーにほぼ等しく分けた。各スラリーのpHが13よりも大きいことが測定された。次に、二酸化炭素の激しい発生を伴いつつ濃塩酸溶液を各ビーカーに加え、約5未満のpHで沈殿させた。さらに多くの塩酸溶液を添加して、約1.9のpHを得た。続いて、スラリーを濾過及び洗浄したろ過ケーキを、120℃のオーブン中で約12時間乾燥させ、続いて120℃で24時間真空乾燥させて、4つの炭素骨格試料を得た。合計で約61.07gであった。 1,163 g of the third final residue was mixed with 400 mL of water to prepare a slurry, which was divided into four 2 liter beakers approximately equally. It was measured that the pH of each slurry was greater than 13. Next, a concentrated hydrochloric acid solution was added to each beaker with intense carbon dioxide generation and precipitated at a pH of less than about 5. More hydrochloric acid solutions were added to give a pH of about 1.9. Subsequently, the filtered cake obtained by filtering and washing the slurry was dried in an oven at 120 ° C. for about 12 hours, and then vacuum dried at 120 ° C. for 24 hours to obtain four carbon skeleton samples. The total weight was about 61.07 g.

これらの炭素骨格試料の特性評価を、SEM、XRD、ラマン、BET/細孔径分布によって実施した。1の炭素骨格のSEM結果を図7に示す。この実施例に記載された方法で製造された典型的な炭素骨格粒子の表面形態は、シート状の形態を有し、そのシート端部は、500nmと100nmとの間の試料厚さで相互接続され、試料幅(又は長さ)は、0.5μmと2μmとの間であった。従って、アスペクト比(試料厚さに対する試料幅(又はシート長さ)の最長比で定義される)は、≧1であり、例えば、アスペクト比≧5若しくはそれより大きく、又は、アスペクト比≧10である。 The characteristics of these carbon skeleton samples were evaluated by SEM, XRD, Raman, and BET / pore size distribution. The SEM result of the carbon skeleton of No. 1 is shown in FIG. The surface morphology of typical carbon skeleton particles produced by the method described in this example has a sheet-like morphology, the sheet edges of which are interconnected with a sample thickness between 500 nm and 100 nm. The sample width (or length) was between 0.5 μm and 2 μm. Therefore, the aspect ratio (defined by the longest ratio of the sample width (or sheet length) to the sample thickness) is ≧ 1, for example, the aspect ratio ≧ 5 or larger, or the aspect ratio ≧ 10. is there.

図8に示す1の炭素骨格のX線回折パターンは、炭素骨格が相において実質的に非晶質であることを示す。しかしながら、これは、約17°の2θ近辺を中心とする広い回折ピークを示し、約5.21オングストロームのd−間隔を示している。 The X-ray diffraction pattern of the carbon skeleton of 1 shown in FIG. 8 indicates that the carbon skeleton is substantially amorphous in the phase. However, it shows a wide diffraction peak centered around 2θ at about 17 °, showing a d-spacing of about 5.21 angstroms.

1の炭素骨格についてのラマン散乱分光法の結果を図9に示し、これは、それぞれ296cm−1及び96cm−1のFWHMによって、約1365cm−1でのD−バンド(カーブ1)と、約1589cm−1でのG−バンド(カーブ2)とを有するSp炭素を示す。D−バンド及びG−バンドの両方が、ガウス分布とローレンツ分布との混合を示す。D−バンドは、約33%のガウス分布を有し、また、G−バンドは、約61%のガウス分布を有する。G−バンドの面積に対するD−バンドの面積比は、約3.5である。 The results of Raman scattering spectroscopy of the first carbon skeleton shown in FIG. 9, this is the FWHM of the 296cm -1 and 96cm -1, respectively, and at about 1365cm -1 D- band (curve 1), about 1589cm -1 of G- band showing the Sp 2 carbon having (curve 2) and. Both the D-band and G-band show a mixture of Gaussian and Lorenz distributions. The D-band has a Gaussian distribution of about 33% and the G-band has a Gaussian distribution of about 61%. The area ratio of the D-band to the area of the G-band is about 3.5.

窒素吸着によって、1の炭素骨格のBET表面積は、1,205m/gであると測定された。漸増細孔表面積 対 細孔幅が、NLDFT法を用いて、図10Aにプロットされ、累積細孔表面積が1,515m/gであることを示している。BET表面積とNLDFT表面積との間の不一致は、NLDFT分布が窒素及びCO吸着データの両方を用いて計算されるという事実に起因する可能性がある。CO分子は、窒素分子が入ることができる細孔よりも小さい細孔に入り得る。3.48オングストロームにピークを有する細孔でのNLDFT表面積は、443m/gであり、5.33オングストロームでは859m/gであり、11.86オングストローム(20オングストロームまで)では185m/gである。20オングストローム以下の細孔について合計が1,502m/gである一方で、20オングストロームと1000オングストロームと間の細孔からのNLDFT表面積は、僅か7.5m/gであり、20オングストローム以上の細孔からの表面積は、総表面積のわずか約0.5%である。 By nitrogen adsorption, the BET surface area of one carbon skeleton was measured to be 1,205 m 2 / g. Increasing pore surface area vs. pore width is plotted in FIG. 10A using the NLDFT method, showing a cumulative pore surface area of 1,515 m 2 / g. The discrepancy between the BET surface area and the NLDFT surface area may be due to the fact that the NLDFT distribution is calculated using both nitrogen and CO 2 adsorption data. CO 2 molecules can enter pores that are smaller than the pores in which nitrogen molecules can enter. The NLDFT surface area in pores with peaks at 3.48 angstroms is 443 m 2 / g, 859 m 2 / g at 5.33 angstroms, and 185 m 2 / g at 11.86 angstroms (up to 20 angstroms). is there. The total NLDFT surface area from the pores between 20 angstroms and 1000 angstroms is only 7.5 m 2 / g, which is greater than 20 angstroms, while the total is 1,502 m 2 / g for pores of 20 angstroms or less. The surface area from the pores is only about 0.5% of the total surface area.

炭素骨格試料の細孔径分布は、窒素吸収及びCO吸収によって決定した。窒素吸収及びCO吸収からの吸収結果を合わせて、図10Bに示す細孔径分布を得た。漸増細孔容積(mL/g) 対 細孔幅(オングストローム)の関係は、3.66オングストローム、5.33オングストローム、及び11.86オングストロームに位置する3つの主要なピークがあることを示す。累積細孔容積(mL/g) 対 細孔幅(オングストローム)の関係は、3.66オングストロームのピーク下に約0.080mL/gの細孔があり、5.33オングストロームのピーク下に約0.240mL/gの細孔があり、11.86オングストロームのピーク下に約0.108mL/gの細孔があることを示し、20オングストローム以下の細孔を0.43mL/g有し、20オングストロームと100オングストロームとの間の細孔を0.042mL/g有し、1000オングストロームまでの細孔を合計で0.572mL/g有することを示す。 The pore size distribution of the carbon skeleton sample was determined by nitrogen absorption and CO 2 absorption. The pore size distribution shown in FIG. 10B was obtained by combining the absorption results from nitrogen absorption and CO 2 absorption. The relationship of increasing pore volume (mL / g) to pore width (angstrom) indicates that there are three major peaks located at 3.66 angstroms, 5.33 angstroms, and 11.86 angstroms. The relationship between cumulative pore volume (mL / g) and pore width (angstrom) is that there are about 0.080 mL / g pores below the 3.66 angstrom peak and about 0 below the 5.33 angstrom peak. It shows that there are .240 mL / g pores and about 0.108 mL / g below the peak of 11.86 angstroms, with 0.43 mL / g pores below 20 angstroms and 20 angstroms. It shows that it has 0.042 mL / g of pores between and 100 angstroms and 0.572 mL / g in total of pores up to 1000 angstroms.

実施例10:固定化セレンの製造及び特性評価
1組のメノウ乳鉢と乳棒に、0.1206gのセレン(セレンのバルク特性を示す)を入れ、実施例9に従って製造した炭素骨格0.1206gを、同じメノウ乳鉢と乳棒に入れる。セレンと炭素骨格との混合物を手動で約30分間粉砕し、セレンと炭素骨格との粉砕混合物をステンレススチールダイ(直径10mm)に移す。金型内の混合物を約10MPaの圧力で圧縮し、混合物のペレットを形成する。次に、不活性環境(アルゴン)の存在下でペレットを密封容器に入れ、ペレットを含む密封容器をオーブンに入れる。ペレットを含む密封容器を含むオーブンを240℃(セレンの溶融温度より上)に、例えば12時間、加熱する。しかしながら、セレンと炭素とを部分的に又は完全に反応させ、本願に記載されたいくつか又はすべての特徴を有する固定化セレンを形成できる、時間と、セレンの融点より高い温度とのあらゆる組み合わせの使用が、想定される。次に、ペレットを室温に戻した後、容器からペレットを取り外す。取り外されたペレットは、この実施例10の固定化セレンである。
Example 10: Production of Immobilized Selenium and Evaluation of Characteristics 0.1206 g of selenium (indicating bulk characteristics of selenium) was placed in a set of agate mortar and pestle, and 0.1206 g of carbon skeleton produced according to Example 9 was added. Place in the same agate mortar and pestle. The mixture of selenium and carbon skeleton is manually ground for about 30 minutes, and the ground mixture of selenium and carbon skeleton is transferred to a stainless steel die (diameter 10 mm). The mixture in the mold is compressed at a pressure of about 10 MPa to form pellets of the mixture. The pellets are then placed in a sealed container in the presence of an inert environment (argon) and the sealed container containing the pellets is placed in an oven. An oven containing a sealed container containing pellets is heated to 240 ° C. (above the melting temperature of selenium), for example 12 hours. However, any combination of time and temperature above the melting point of selenium, which can partially or completely react selenium with carbon to form immobilized selenium with some or all of the characteristics described herein. Expected to be used. Then, after returning the pellets to room temperature, the pellets are removed from the container. The removed pellet is the immobilized selenium of Example 10.

この実施例10の固定化セレンは、TGA−DSC及びTGAによって特性評価された。TGA−DSC分析結果は、固定化セレンについて、アルゴンガス200mL/分流のもと、10℃/分の昇温速度で収集した。セレンの融点付近の温度(約230℃)で観察可能な吸熱DSCピークが存在せず、これにより、この実施例10の固定化セレンは、吸熱ピークがあるはずの約230℃に融点を有すべきセレン分子/原子のバルク形態と異なる、ということが示される。 The immobilized selenium of Example 10 was characterized by TGA-DSC and TGA. The TGA-DSC analysis results were collected for immobilized selenium at a heating rate of 10 ° C./min under 200 mL / fraction of argon gas. There is no observable heat-absorbing DSC peak near the melting point of selenium (about 230 ° C.), which causes the immobilized selenium of Example 10 to have a melting point at about 230 ° C. where the heat-absorbing peak should be. It is shown that it differs from the bulk form of the power selenium molecule / atom.

TGA−DSC試料るつぼ(黒鉛又はセラミックス)からセレン分子が離脱し始める温度に、加熱温度が達すると、TGA−DSCデータの信頼性がない可能性があるという調査結果が明らかになった。このために、(試料るつぼからの)気相セレン分子がアルゴンキャリアガス流に入り、TGA−DSCの白金試料ホルダと反応して、実際のTGA−DSC熱化学的挙動を歪ませると思われる。試料るつぼから放出され、白金試料ホルダと反応するセレン分子は、この温度領域におけるより低い質量損失をもたらす。白金試料ホルダ内のセレン−白金複合体は、その後、加熱温度が800℃を超える点に達すると、気相に放出される。セレンの完全放出は、1000℃で起こり得る。この調査は、この実施例10の固定化セレン試料の大部分を使用した。従って、この実施例10の前半部分で記載した方法と同じ方法を用いて、固定化セレンの新しい試料(〜16g)を製造した。 Research has shown that the TGA-DSC data may be unreliable when the heating temperature reaches the temperature at which selenium molecules begin to detach from the TGA-DSC sample crucible (graphite or ceramics). It is believed that this causes vapor phase selenium molecules (from the sample pot) to enter the argon carrier gas stream and react with the platinum sample holder of TGA-DSC to distort the actual TGA-DSC thermochemical behavior. Selenium molecules released from the sample crucible and reacting with the platinum sample holder result in lower mass loss in this temperature range. The selenium-platinum complex in the platinum sample holder is then released into the gas phase when the heating temperature reaches a point above 800 ° C. Complete release of selenium can occur at 1000 ° C. This study used most of the immobilized selenium samples of Example 10. Therefore, a new sample (~ 16g) of immobilized selenium was prepared using the same method as described in the first half of Example 10.

TGA分析に使用される非常に小さな熱電対を覆うセラミック試料ホルダを用いるTGA分析によって、この新しい固定化セレン試料の熱化学的挙動を研究した。この新しい固定化セレン試料のTGA分析結果を図11Aに示す。図11Aは、TGA解析結果(図11B)に沿ったものであり、この実施例10の固定化セレンの製造と同じプロセスにおける、セレン−炭素複合体(50−50の、Se−Super P炭素複合体と、Se−黒鉛(粉砕黒鉛)とで製造された)についてのものである。Super Pは、リチウムイオン電池産業で広く使用されている商用等級のカーボンブラックである。粉砕黒鉛は、Poco 2020黒鉛を粉砕することによって製造された。TGA分析データも、以下の表2にまとめられている。 The thermochemical behavior of this new immobilized selenium sample was studied by TGA analysis using a ceramic sample holder covering a very small thermocouple used for TGA analysis. The TGA analysis result of this new immobilized selenium sample is shown in FIG. 11A. FIG. 11A is in line with the TGA analysis results (FIG. 11B) and is a selenium-carbon composite (50-50, Se-Super P carbon composite) in the same process as the production of immobilized selenium in Example 10. (Made with body and Se-graphite (crushed graphite)). Super P is a commercial grade carbon black widely used in the lithium ion battery industry. Milled graphite was produced by milling Poco 2020 graphite. The TGA analysis data are also summarized in Table 2 below.

固定化セレンは、約400℃で開始する初期質量損失温度を有し得る。これに対して、Se−Super P炭素複合材及びSe−黒鉛炭素複合材については、約340℃で開始する初期質量損失温度を有し得る。固定化セレンの中間質量損失温度は、約595℃であり得る。これに対して、Se−Super P複合材の場合は480℃、Se−黒鉛複合材の場合は471℃であり得る。Se−Super P複合材とSe−黒鉛複合材においては、約544℃で、固定化セレンでは、660℃で、主要な質量損失が完了した。Se−Super P炭素複合体及びSe−黒鉛炭素複合体は、560℃と780℃との間で、0.6%未満の質量損失を示し、固定化セレンは、主要質量損失の底部(〜660℃ 1000℃まで)から約2.5%の質量損失を示す。これらの結果が示唆することは、非固定化セレン(Se−Super P炭素複合体及びSe−黒鉛複合体)が、≧560℃の温度で複合体から離脱できる総セレンの1.2%未満を有する一方で、固定化セレンが、≧660℃以上の温度で炭素骨格から離脱できる総セレンの約5.0%を有することである。以下の詳細は、熱化学的挙動の洞察を提供する例を与えるために提供される。しかしながら、これらの詳細は、限定的な意味で解釈されるべきではない。 Immobilized selenium can have an initial mass loss temperature starting at about 400 ° C. In contrast, the Se-Super P carbon composite and the Se-graphite carbon composite may have an initial mass loss temperature starting at about 340 ° C. The intermediate mass loss temperature of the immobilized selenium can be about 595 ° C. On the other hand, the temperature may be 480 ° C. in the case of the Se-Super P composite material and 471 ° C. in the case of the Se-graphite composite material. Major mass losses were completed at about 544 ° C. for the Se-Super P and Se-graphite composites and at 660 ° C. for the immobilized selenium. The Se-Super P carbon composite and the Se-graphite carbon composite show a mass loss of less than 0.6% between 560 ° C and 780 ° C, and the immobilized selenium is at the bottom of the major mass loss (~ 660). It shows a mass loss of about 2.5% from (up to 1000 ° C). These results suggest that non-immobilized selenium (Se-Super P carbon complex and Se-graphite complex) accounts for less than 1.2% of the total selenium that can leave the complex at a temperature of ≥560 ° C. On the other hand, the immobilized selenium has about 5.0% of the total selenium capable of detaching from the carbon skeleton at a temperature of ≧ 660 ° C. or higher. The following details are provided to provide examples that provide insights into thermochemical behavior. However, these details should not be construed in a limited sense.

熱化学的挙動の例として、TGAの中間質量損失温度のデータを使用すると、加熱温度が上がった場合に、Se−Super P複合体及びSe−黒鉛複合体におけるセレン分子の運動エネルギーは、セレン分子の分子間相互作用から抜け出して、セレンが液相から離脱するために十分なエネルギーをセレン分子が有するレベルへと上昇する。ここで、運動エネルギー=3RT/2であり、Rは気体定数であり、Tはケルビン単位の温度である。 Using the data of the intermediate mass loss temperature of TGA as an example of thermochemical behavior, the kinetic energy of selenium molecules in the Se-Super P complex and Se-graphite composite is the selenium molecule when the heating temperature rises. Escape from the intermolecular interaction of selenium and rise to the level at which selenium molecules have sufficient energy to leave the liquid phase. Here, kinetic energy = 3RT / 2, R is a gas constant, and T is a temperature in Kelvin units.

Se−Super P複合体のセレン分子の平均運動エネルギーは、Se−Super P複合体の混合物からセレン分子が離脱するときに、9,391ジュール/モルであることが測定された。しかしながら、セレンが炭素骨格から離れて気相セレン分子へ移るために、固定化セレンは、約10,825ジュール/モルの平均運動エネルギーを有するよりも多くのエネルギーを必要とする。固定化セレン中のセレンは、原子状態、分子状態、又は任意状態のいずれかとして、セレンとの分子間相互作用を乗り越えて、セレン及び炭素骨格と化学的に相互作用し得ると考えられている。さらに、660℃と1,000℃との間で炭素骨格から離脱するセレンの最後の部分は、11,635ジュール/モル〜15,876ジュール/モル以上の範囲の平均運動エネルギーを有する。これは、固定化セレン中のセレンが、従来のセレン−炭素複合材料中のセレンよりも安定であることを示唆している。この実施例10の固定化セレン中の安定化セレンは、原子状態、分子状態、又は任意状態のいずれかのセレンが、固定化セレンで構成される二次電池の充放電サイクルといった電気化学的プロセスにおいて、炭素骨格の内部に留まる能力を向上させる。一例では、セレンの当該最後の部分は、炭素骨格を離脱するために≧11,635ジュール/モル(≧660℃)の運動エネルギーを必要とする可能性があり、セレンの固定化に重要である可能性があり、炭素骨格と、固定化セレン分子の大部分との間の界面材料として機能する可能性がある。固定化セレンにおける界面セレンの部分は、総固定化セレンの≧1.5%、≧2.0%、≧2.5%、又は3.0%であり得る。 The average kinetic energy of the selenium molecules in the Se-Super P complex was measured to be 9,391 joules / mol when the selenium molecules were withdrawn from the mixture of the Se-Super P complex. However, in order for selenium to move away from the carbon backbone to the gas phase selenium molecule, immobilized selenium requires more energy than it has an average kinetic energy of about 10,825 joules / mol. It is believed that selenium in immobilized selenium can chemically interact with selenium and the carbon skeleton as either an atomic state, a molecular state, or an arbitrary state, overcoming intermolecular interactions with selenium. .. In addition, the last portion of selenium that disengages from the carbon skeleton between 660 ° C and 1,000 ° 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 immobilized selenium is more stable than selenium in conventional selenium-carbon composites. The stabilized selenium in the immobilized selenium of Example 10 is an electrochemical process such as a charge / discharge cycle of a secondary battery in which either the atomic state, the molecular state, or the arbitrary state selenium is composed of the immobilized selenium. Improves the ability to stay inside the carbon skeleton. In one example, the last portion of selenium may require kinetic energy of ≧ 11,635 joules / mol (≧ 660 ° C.) to dissociate the carbon skeleton and is important for selenium immobilization. It has the potential to act as an interface material between the carbon skeleton and most of the immobilized selenium molecules. The portion of interfacial selenium in the immobilized selenium can be ≧ 1.5%, ≧ 2.0%, ≧ 2.5%, or 3.0% of the total immobilized selenium.

図11Aは、16℃/分の昇温速度によって、含有されたセレンの中間質量損失点について628℃の温度を有する、固定化セレンのTGA研究も示す。図11Cに示すように、Se−Super P複合材の場合、16℃/分の昇温速度で、含有されたSeの中間質量損失での温度は、495℃である。様々な昇温速度(例えば、16℃/分、10℃/分、5℃/分、2.5℃/分、及び1℃/分)を採用して、ASTM E1641−16及びE2958−14のような既知の方法を用いて、活性化エネルギー及び衝突頻度を測定及び計算できる。様々な昇温速度の場合における15%の質量損失温度を以下の表3に示す。 FIG. 11A also shows a TGA study of immobilized selenium, which has a temperature of 628 ° C. for the intermediate mass loss point of the contained selenium at a heating rate of 16 ° C./min. As shown in FIG. 11C, in the case of the Se-Super P composite material, the temperature at the heating rate of 16 ° C./min and the intermediate mass loss of the contained Se is 495 ° C. Various heating rates (eg, 16 ° C./min, 10 ° C./min, 5 ° C./min, 2.5 ° C./min, and 1 ° C./min) were adopted for ASTM E1641-16 and E2958-14. The activation energy and collision frequency can be measured and calculated using such known methods. Table 3 below shows the mass loss temperature of 15% at various heating rates.

Se−Super P複合体中のセレン(非固定化又は従来の)の活性化エネルギーは、2.27×10の衝突頻度において、92.3kJ/モルであると測定された。固定化セレン(上記の228−110)中のセレンの活性化エネルギーもまた、12.4×10の衝突頻度において、120.7kJ/モルであると測定された。実施例10と同じプロセスで製造した固定化セレン(上記の155−82−2)の別の試料もまた、120.0kJ/モルの活性化エネルギー、及び、18.3×10の衝突頻度を有することが測定された。 Activation energy of selenium (non-immobilized or conventional) of Se-Super P complex, in the collision frequency of 2.27 × 10 5, was determined to be 92.3KJ / mol. Activation energy of selenium in immobilized selenium (228-110 above) also in the collision frequency of 12.4 × 10 5, was determined to be 120.7KJ / mol. Another sample of immobilized selenium was prepared in the same process as in Example 10 (155-82-2 above) also, 120.0KJ / mol activation energy, and the collision frequency of 18.3 × 10 5 It was measured to have.

セレンの運動速度定数は、アレニウス方程式を用いて計算される。
ここで、kは速度定数、Eaは活性化エネルギー、Aは衝突頻度、Rは気体定数、Tはケルビン単位の温度である。
The rate constant of selenium is calculated using the Arrhenius equation.
Here, k is the rate constant, Ea is the activation energy, A is the collision frequency, R is the gas constant, and T is the temperature in Kelvin units.

図11Dを参照すると、上記で測定された活性化エネルギー及び衝突頻度を用いて、様々な速度でのアレニウス方程式を使って運動速度定数が計算された。図11Dは、非固定化セレン(Se−Super P複合体−実線)が、固定化セレン(228−110(点線)及び115−82−2(破線))よりもはるかに高い速度定数を有することを示しており、例えば、35℃で約4桁大きく、100℃で約3桁大きい。一例では、50℃において、固定化セレンが7.26×1014(155−82−2)及び3.78×1014(228−110)の速度定数を有する一方で、非固定化セレン(Super P)の速度定数は2.668×10−10である。より低い運動速度定数を有するセレンは、ホスト材料(炭素)を離れる傾向が少なく、これにより、より良好な電池サイクル性能がもたらされ得る。 With reference to FIG. 11D, the kinetic velocity constants were calculated using the Arenius equations at various velocities using the activation energies and collision frequencies measured above. FIG. 11D shows that non-immobilized selenium (Se-Super P complex-solid line) has a much higher rate constant than immobilized selenium (228-110 (dotted line) and 115-82-2 (dashed line)). For example, it is about 4 orders of magnitude larger at 35 ° C. and about 3 orders of magnitude larger at 100 ° C. In one example, at 50 ° C., immobilized selenium has rate constants of 7.26 × 10 14 (155-82-2) and 3.78 × 10 14 (228-110), while non-immobilized selenium (Super). The rate constant of P) is 2.668 × 10 -10 . Selenium with a lower rate constant is less likely to leave the host material (carbon), which can result in better battery cycle performance.

図12は、1368cm−1でのD−バンド及び1596cm−1でのG−バンドのラマンピークを有する固定化セレンのスペクトルを示し、G−バンドの面積に対するD−バンドの面積の比は、2.8である。図9に示す炭素骨格のラマンスペクトルと比較して、セレン固定化は、両方のラマンピークを高い波数側へシフトさせ、D−バンドについては約3cm−1の赤色シフト、D−バンドについては約7cm−1の赤色シフトがあり、これは、炭素骨格におけるSp炭素の結合強度が強化されていることを示唆しており、D−バンドについては約4cm−1の赤色シフトがあり、G−バンドについては約8cm−1の赤色シフトがある。同時に、G−バンドの面積に対するD−バンドの面積の比も、約3.4から2.8に減少し、D−バンドが相対的に弱くなるか、又は、G−バンドが相対的に強くなることが示唆された。より強いG−バンドが望ましい可能性がある。G−バンドは、炭素骨格が電子をより容易に伝導できる炭素種であって二次電池で使用される場合に電気化学的性能にとって望ましい炭素種に、関連する可能性があるためである。バルクセレン又は純粋セレンは、典型的には、約235cm−1に鋭いラマンピークシフトを示す。固定化セレンの場合、図12のラマンスペクトルは、約257cm−1に広いラマンピーク(G−バンドの面積の12.7%)を示し、約500cm−1に新たな広いハンプ(こぶ、肩)(G−バンド面積の3.0%)を示す。セレンの固定化は、炭素骨格及びセレンの両方についてラマン特性を変化させ、すべてのラマンピークがより高い波数にシフトすると考えられており、これによって、炭素骨格における炭素−炭素Sp結合、及び、セレンのセレン−セレン結合の両方が、圧縮下にあることが示唆される。 Figure 12 shows the spectrum of the immobilized selenium having a Raman peak of G- bands at D- band and 1596cm -1 of at 1368cm -1, a ratio of the area of the D- band to the area of the G- band 2 It is 8.8. Compared to the Raman spectrum of the carbon skeleton shown in FIG. 9, selenium immobilization shifts both Raman peaks to the higher frequency side, with a red shift of about 3 cm -1 for the D-band and about about 3 cm- 1 for the D-band. There are red-shift of 7 cm -1, This suggests that the binding strength of Sp 2 carbon in the carbon skeleton has been enhanced, for D- band is red shift of about 4 cm -1, G- There is a red shift of about 8 cm -1 for the band. At the same time, the ratio of the area of the D-band to the area of the G-band also decreases from about 3.4 to 2.8, making the D-band relatively weak or the G-band relatively strong. It was suggested that A stronger G-band may be desirable. This is because the G-band may be associated with a carbon species whose carbon skeleton is capable of more easily conducting electrons and which is desirable for electrochemical performance when used in a secondary battery. Bulk selenium or pure selenium typically exhibits a sharp Raman peak shift at about 235 cm -1 . For immobilization selenium, Raman spectra of FIG. 12 is about 257cm showed a broad Raman peak (12.7% of the area of the G- band) -1, a new broad hump at about 500 cm -1 (hump, shoulder) (3.0% of G-band area) is shown. Immobilization of selenium alters the Raman characteristics for both carbon skeleton and selenium, all of the Raman peaks are believed to shift to higher wave numbers, whereby, the carbon in the carbon skeleton - carbon Sp 2 bond, and, It is suggested that both selenium-selenium bonds of selenium are under compression.

セレンの固定化に起因する圧縮は、炭素骨格における炭素−炭素Sp結合、及び、セレンにおけるSe−Se結合の両方を強化し、セレン−セレン及び炭素−セレンのより強い相互作用を生み出す。従って、より強いSe−Se結合と、より強い炭素−セレンの相互作用とからセレンが抜け出すために、より多くの運動エネルギーが必要であり、このことは、固定化セレン 対 Se−Super P複合材及びSe−黒鉛複合材におけるTGA分析の観察結果の理由を説明する。 Compression due to immobilization of selenium, carbon in the carbon skeleton - carbon Sp 2 bonds, and to strengthen both the Se-Se bonds in the selenium, selenium - produce stronger interaction selenium - selenium and carbon. Therefore, more kinetic energy is required for selenium to escape from the stronger Se-Se bond and the stronger carbon-selenium interaction, which is the immobilized selenium vs. Se-Super P composite. And the reasons for the observations of TGA analysis in Se-graphite composites will be explained.

さらに、圧縮下において、炭素骨格は、結合レベルで電子伝達能力がより良好であると考えられ、また、圧縮下において、セレン原子又は分子も、電子伝達能力がより良好であると考えられる。 Furthermore, under compression, the carbon skeleton is considered to have better electron transfer capacity at the bond level, and under compression, the selenium atom or molecule is also considered to have better electron transfer capacity.

炭素骨格及びセレンにわたる電子伝導性の向上を伴った、固定化セレンにおける安定化セレンは、例えば、最小レベルの往復運動を伴う活性材料の比容量の向上、固定化によるサイクル性能の向上、高レートでの充放電能力などの電気化学的プロセスにおいて、望ましい可能性がある。しかしながら、これは限定的な意味で解釈されるべきではない。 Stabilized selenium in immobilized selenium, with improved electron conductivity across the carbon skeleton and selenium, can be, for example, increased specific capacity of active material with minimal reciprocating motion, improved cycle performance due to immobilization, high rate. May be desirable in electrochemical processes such as charge / discharge capacity in. However, this should not be interpreted in a limited sense.

図13に示す実施例10に従って製造した固定化セレンについてのX線回折パターンは、約5.21オングストロームのd−間隔を有する炭素骨格からの広い回折ピークの強度低下、わずか約1/3の強度を示す。これは、固定化セレンがさらに炭素骨格をより不規則にするか、又は、炭素骨格の秩序をより破壊することを示唆している。一例において、これは、圧縮力が炭素−炭素Sp結合に適用されるためであると考えられる。 The X-ray diffraction pattern for immobilized selenium produced according to Example 10 shown in FIG. 13 shows a decrease in intensity of wide diffraction peaks from a carbon backbone with a d-spacing of about 5.21 angstroms, an intensity of only about 1/3. Is shown. This suggests that immobilized selenium further makes the carbon skeleton more irregular or disrupts the order of the carbon skeleton. In one example, this compressive force is carbon - presumably because that is applied to the carbon Sp 2 bond.

図14は、実施例10に従って製造した固定化セレンのSEM画像を示し、図7の炭素骨格の画像と同様に、シート状の形態を示す。炭素骨格に固定化された約50%のセレンがあるが、シート間の結合が破壊されていることを除いて、炭素骨格の表面にはセレン粒子が観察されず、高いアスペクト比を有する多くの平らなシートが得られることとなる。これらのシート状の形態は、平らなシートの方向に沿って配列された配向コーティングを形成するために非常に望ましい可能性があり、シートの表面と表面との接触を生じさせ、シート間の電気伝導性の向上をもたらし、これにより、二次電池などにおいて電気化学的プロセスおける電気性能が優れることになる可能性がある。 FIG. 14 shows an SEM image of the immobilized selenium produced according to Example 10 and shows a sheet-like morphology similar to the image of the carbon skeleton of FIG. There is about 50% selenium immobilized on the carbon skeleton, but no selenium particles are observed on the surface of the carbon skeleton, except that the bonds between the sheets are broken, and many have a high aspect ratio. A flat sheet will be obtained. These sheet-like forms can be highly desirable for forming oriented coatings that are aligned along the direction of a flat sheet, creating surface-to-surface contact between the sheets and electricity between the sheets. It provides improved conductivity, which can lead to better electrical performance in electrochemical processes, such as in secondary batteries.

実施例11:Seカソードの製造
乳鉢及び乳棒に、実施例10に従って製造した固定化セレン56mgと、7.04mgのSuper Pと、182μLのカルボキシメチルセルロース(CMC)溶液(CMC溶液の52μLごとに1mgの乾燥CMCを含む)と、21.126μLのSBRラテックス分散液(6.036μLのSBRラテックス分散液ごとに1mgの乾燥SBRラテックスを含有する)と、200μLの脱イオン水とを入れる。粒子、バインダ、及び水を、手動で30分間粉砕してスラリー状にして、カソードスラリーを作る。次に、カソードスラリーを一片の導電基材、例えば箔、の片面上に塗布し、空気乾燥させた。一例において、導電基材又は箔は、アルミニウム(Al)箔であってもよい。しかしながら、任意形状又は任意形態の、適切な及び/又は望ましいあらゆる導電性材料の使用が想定されるため、これは限定的な意味で解釈されるべきではない。説明のみの目的で、セレンカソードを形成するためのAl箔の使用を本明細書で説明することとなる。しかしながら、これは限定的な意味で解釈されるべきではない。
Example 11: Production of Se cathode In a mortar and pestle, 56 mg of immobilized selenium prepared according to Example 10, 7.04 mg of Super P, and 182 μL of carboxymethyl cellulose (CMC) solution (1 mg for every 52 μL of CMC solution). (Contains dry CMC), 21.126 μL of SBR latex dispersion (each 6.03 μL of SBR latex dispersion contains 1 mg of dry SBR latex), and 200 μL of deionized water are added. The particles, binder, and water are manually pulverized for 30 minutes into a slurry to make a cathode slurry. Next, the cathode slurry was applied on one side of a piece of conductive substrate, such as a foil, and air dried. In one example, the conductive substrate or foil may be an aluminum (Al) foil. However, this should not be construed in a limited sense, as the use of any suitable and / or desirable conductive material of any shape or form is envisioned. For purposes of illustration only, the use of Al foil to form a selenium cathode will be described herein. However, this should not be interpreted in a limited sense.

次に、スラリーで被覆されたAl箔を、乾燥用オーブンに入れ、55℃の温度で12時間加熱して、セレンカソードを得た。このカソードは、Al箔の片面側にある固定化セレンの乾燥シートで構成され、Al箔の他の面側が被覆されておらず、即ち露出したアルミニウムである。 Next, the Al foil coated with the slurry was placed in a drying oven and heated at a temperature of 55 ° C. for 12 hours to obtain a selenium cathode. The cathode is composed of a dry sheet of immobilized selenium on one side of the Al foil, and the other side of the Al foil is uncoated, i.e., exposed aluminum.

続いて、セレンカソードを、10mmの直径を有するカソードディスクへとそれぞれ打ち抜いた。これらのカソードディスクのいくつかを二次電池のカソードとして使用した。 Subsequently, the selenium cathode was punched into a cathode disk having a diameter of 10 mm, respectively. Some of these cathode disks were used as cathodes for secondary batteries.

実施例12:Li−Se二次電池の組み立て及び試験
実施例11からのカソードディスクを使用して、図15に示され、次に議論される実施例に記載された方法で、Li−Seコイン型セル二次電池を組み立てた。この実施例では、実施例11からの直径10mmのカソードディスク4を、コイン型セル電池の陽ケース(図15の「陽ケース」)として機能する2032ステンレス鋼コイン型セル缶の基部2上に配置した。固定化セレンシート5は、陽ケースの基部2から離れて上方に面し、Alの露出側が、陽ケースの基部2と対向して接触する。次に、カソードディスク4の上に、固定化セレンシート5に接する電池セパレータ6(直径19mm、厚さ25μm)を設置した。一例において、電池セパレータ6は、有機セパレータ、又は無機セパレータ、又は固体電解質セパレータであってもよい。有機セパレータは、ポリマー、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ハロゲン化ポリマー、ポリエーテル、ポリケトンなどであり得る。無機セパレータは、ガラス及び/又は石英の繊維から作られ得る。
Example 12: Assembling and Testing a Li-Se Secondary Battery Using the cathode disk from Example 11, the Li-Se coin is described in the embodiment shown in FIG. 15 and discussed below. The mold cell secondary battery was assembled. In this embodiment, the cathode disk 4 having a diameter of 10 mm from Example 11 is arranged on the base 2 of the 2032 stainless steel coin cell can that functions as the positive case of the coin cell battery (“positive case” in FIG. 15). did. The immobilized selenium sheet 5 faces upward away from the base 2 of the positive case, and the exposed side of Al comes into contact with the base 2 of the positive case facing each other. Next, a battery separator 6 (diameter 19 mm, thickness 25 μm) in contact with the immobilized selenium sheet 5 was installed on the cathode disk 4. In one example, the battery separator 6 may be an organic separator, an inorganic separator, or a solid electrolyte separator. The organic separator can be a polymer such as polyethylene, polypropylene, polyester, halogenated polymer, polyether, polyketone and the like. Inorganic separators can be made from glass and / or quartz fibers.

次に、エチレンカーボネート(EC)及びジメチルカーボネート(DMC)溶媒(質量50−50)においてLiPF(1M)を含んだ電解液7の240μLを、陽ケース2に導入し、続いて、セパレータ6のカソードディスク4とは反対側の面に、リチウム箔ディスク8(直径15.6mm及び厚さ250ミクロン)を置いた。次に、リチウム箔ディスク8のセパレータ6とは反対側に、ステンレス鋼(SS)スペーサ10を置き、その後、SSスペーサ10のリチウム箔ディスク8とは反対側に、例えばニッケル製の発泡ディスク12を1枚又は複数枚置いた。リチウム箔8、SSスペーサ10、及び/又は、発泡ディスク12は、アノードとして機能することができる。最後に、2032ステンレススチール14製のケース14を、コイン型セルの陰ケース(図15の「陰ケース」)として機能させるために、ニッケル発泡ディスク12のSSスペーサ10とは反対側であって、陽ケース2の縁に置いた。次に、陽ケース2と陰ケース14とを、高圧下、例えば1,000psiで、一体化封止した。高圧下での陽性及び陰性のケース(2,14)の封止は、カソードディスク4、セパレータ6、リチウムホイル8、SSスペーサ10、及びNi発泡ディスク12(図15の下から上へ)を含む積層体を一体化圧縮する効果も有していた。上記の電池セパレータとガラス繊維セパレータとを使用して、1ダース以上のコイン型セル電池を組み立てた。次に、組み立てたコイン型セル電池を以下の条件で試験した。 Next, 240 μL of an electrolytic solution 7 containing LiPF 6 (1M) in an ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) solvent (mass 50-50) was introduced into the positive case 2, followed by the separator 6. A lithium foil disk 8 (15.6 mm in diameter and 250 microns in thickness) was placed on the surface opposite to the cathode disk 4. Next, a stainless steel (SS) spacer 10 is placed on the side of the lithium foil disc 8 opposite to the separator 6, and then, for example, a nickel foam disc 12 is placed on the side of the SS spacer 10 opposite to the lithium foil disc 8. One or more sheets were placed. The lithium foil 8, SS spacer 10, and / or foam disc 12 can function as an anode. Finally, the case 14 made of 2032 stainless steel 14 is on the opposite side of the nickel foam disc 12 from the SS spacer 10 in order to function as a shade case (“shadow case” in FIG. 15) of the coin cell. It was placed on the edge of the positive case 2. Next, the positive case 2 and the negative case 14 were integrally sealed under high pressure, for example, at 1,000 psi. Sealing of positive and negative cases (2,14) under high pressure includes cathode disc 4, separator 6, lithium foil 8, SS spacer 10, and Ni foam disc 12 (from bottom to top in FIG. 15). It also had the effect of integrally compressing the laminate. Using the above battery separator and glass fiber separator, a dozen or more coin-type cell batteries were assembled. Next, the assembled coin-type cell battery was tested under the following conditions.

Lanhe Battery Tester CT2001Aを使用して、0.1C及び1Cの充放電レートにおいて、組み立てたコイン型電セル池のいくつかを試験した。各コイン型セル電池を以下で試験した。(1)1時間休止。(2)1Vに放電。(3)10分間休止。(4)3Vまで充電。(5)10分間休止。サイクル試験のために、手順(2)〜(5)の繰り返し。 The Lanhe Battery Tester CT2001A was used to test some of the assembled coin-operated cell ponds at charge / discharge rates of 0.1C and 1C. Each coin cell battery was tested below. (1) Pause for 1 hour. (2) Discharge to 1V. (3) Rest for 10 minutes. (4) Charge up to 3V. (5) Rest for 10 minutes. Repeat steps (2)-(5) for the cycle test.

図16A(左)は、実施例11に従って製造したカソードを用いて、実施例12に従って製造したコイン型セルについてのサイクル試験結果(0.1Cの充放電レートで313サイクル)を示す。これは、良好なサイクル安定性を示し、313サイクル後の比容量が633.7mAh/gであり、この比容量は初期比容量の93.4%の保持率である。1回目放電の比容量は、おそらくカソード表面及びアノード表面上のいくつかの副反応によって、化学量論値よりも高かった。2回目のサイクルから、始めはサイクルに伴って比容量が減少した。しかしながら、比容量は、約180サイクルで安定して次に減少する前に、約30サイクルから約120サイクルまででわずかに増加した。図16B(右)も、別のコイン型セルについて優れたサイクル安定性(0.1Cで100サイクル、次に1Cで500サイクル)を示し、600サイクルで462.5mAh/gの比容量を有し、これは、0.1Cにおける2回目のサイクル容量の66.0%の保持率、又は、1Cにおける105回目のサイクル容量の80.3%の保持率である。クーロン効率は、≧95%、≧98%、又は100%もの高さになることができ、カソードとアノードとの間で往復するセレンの量が検出可能ではないことを示唆している。この電気化学的性能は、カソード中の固定化セレンの効果であり、セレンが溶解してカソード14からアノード2に移動することを防止すると考えられる。 FIG. 16A (left) shows the cycle test results (313 cycles at a charge / discharge rate of 0.1 C) for a coin-shaped cell manufactured according to Example 12 using a cathode manufactured according to Example 11. This shows good cycle stability, and the specific volume after 313 cycles is 633.7 mAh / g, which is a retention rate of 93.4% of the initial specific volume. The specific volume of the first discharge was higher than the stoichiometric value, probably due to some side reactions on the cathode and anode surfaces. From the second cycle, the specific volume decreased with the cycle at the beginning. However, the specific volume increased slightly from about 30 cycles to about 120 cycles before steadily decreasing at about 180 cycles. FIG. 16B (right) also shows excellent cycle stability (100 cycles at 0.1C, then 500 cycles at 1C) for another coin cell with a specific volume of 462.5mAh / g at 600 cycles. This is the retention rate of 66.0% of the second cycle capacity at 0.1C or the retention rate of 80.3% of the 105th cycle capacity at 1C. Coulomb efficiencies can be as high as ≧ 95%, ≧ 98%, or even 100%, suggesting that the amount of selenium reciprocating between the cathode and anode is undetectable. This electrochemical performance is considered to be the effect of immobilized selenium in the cathode, which prevents the selenium from dissolving and moving from the cathode 14 to the anode 2.

図17は、実施例12に記載されたポリマーセパレータを用いて組み立てられたコイン型セルについて、様々な放電−充電サイクルレート(0.1Cと10Cとの間)でのサイクル試験結果を示す。試験プロトコルは、サイクルレート(0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、及び10C)を除いて、上記の試験と同様であった。各Cレートについて5サイクルの充放電を行った。次に、サイクルレートを0.1Cサイクルに戻した。0.1Cレートにおいて、電池は化学量論値付近の比容量を示した。さらに、電池は、0.2C、0.5C、1C、及び2Cのサイクルレートにおいて、良好なサイクル安定性を示した。電池は、10Cレートにおいて化学量論的容量の56%をサイクルした、急速充電及び急速放電能力も示したが、サイクルに伴って比容量の低下が示された。換言すると、10Cレートにおいて、電池は、化学量論的値の56%の容量に充放電するために3.3時間を要した。このような高速のサイクルレートの下では、従来の電池における寿命は、期待できない。 FIG. 17 shows cycle test results at various discharge-charge cycle rates (between 0.1C and 10C) for coin-shaped cells assembled using the polymer separators described in Example 12. The test protocol was similar to the test above, except for the cycle rates (0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C, 5C, and 10C). Five cycles of charging and discharging were performed for each C rate. Next, the cycle rate was returned to 0.1 C cycle. At 0.1 C rate, the battery showed a specific capacity near the stoichiometric value. In addition, the batteries showed good cycle stability at cycle rates of 0.2C, 0.5C, 1C, and 2C. The battery also showed fast charge and fast discharge capacity, cycling 56% of the stoichiometric capacity at 10C rate, but showed a decrease in specific capacity with the cycle. In other words, at the 10C rate, the battery took 3.3 hours to charge and discharge to a capacity of 56% of the stoichiometric value. Under such a high cycle rate, the life of a conventional battery cannot be expected.

固定化セレンを含むLi−Se電池は、試験開始時に0.1Cレートでサイクルした場合に、その容量を総容量の670mAh/g、98%に回復することができる。(1)固定化セレンカソードにおけるセレンの安定化は、サイクル中に、セレンが炭素骨格を離れることを回避し、セレンがカソードとアノードとの間を往復することを回避して、これにより、電池のサイクル性能を向上させることができる。(2)Sp炭素−炭素結合及び炭素骨格、セレン−セレン結合、及び、炭素−セレン相互作用のいずれも、圧縮下にある可能性があり、これが、炭素骨格内、セレン粒子内、並びに、炭素及びセレンの相互作用間における優れた導電性をもたらす可能性があり、これは、高いCレートで観察されるサイクル性能の達成に役立ち得る、と考えられている。 The Li-Se battery containing immobilized selenium can recover its capacity to 670 mAh / g, 98% of the total capacity when cycled at a rate of 0.1 C at the start of the test. (1) Stabilization of selenium at the immobilized selenium cathode prevents selenium from leaving the carbon skeleton and reciprocating between the cathode and anode during the cycle, thereby the battery. Cycle performance can be improved. (2) Sp 2 carbon - carbon bonds and carbon skeleton, selenium - selenium bonds, and the carbon - none of selenium interactions, may under compression, which, in the carbon skeleton, the selenium particles, and, It can provide excellent conductivity between carbon and selenium interactions, which are believed to help achieve the cycle performance observed at high C rates.

本明細書に記載の原理に従って製造された、セレン及び炭素を含む固定化セレン体は、以下の特徴のうちの1つ又は複数を含み得る。 Immobilized selenium containing selenium and carbon produced according to the principles described herein may contain one or more of the following characteristics:

(a)セレン粒子が固定化セレンから離脱するために必要な運動エネルギーは、≧9.5kJ/モル、≧9.7kJ/モル、≧9.9kJ/モル、≧10.1kJ/モル、≧10.3kJ/モル、又は、≧10.5kJ/モルであり得る。 (A) The kinetic energy required for the selenium particles to separate from the immobilized selenium is ≧ 9.5 kJ / mol, ≧ 9.7 kJ / mol, ≧ 9.9 kJ / mol, ≧ 10.1 kJ / mol, ≧ 10 It can be .3 kJ / mol or ≧ 10.5 kJ / mol.

(b)セレン粒子が固定化セレンから離脱するために必要な温度は、≧490℃、≧500℃、≧510℃、≧520℃、≧530℃、≧540℃、≧550℃、又は≧560℃であり得る。 (B) The temperatures required for the selenium particles to separate from the immobilized selenium are ≧ 490 ° C, ≧ 500 ° C, ≧ 510 ° C, ≧ 520 ° C, ≧ 530 ° C, ≧ 540 ° C, ≧ 550 ° C, or ≧ 560. Can be ° C.

(c)炭素は、≧500m/g、≧600m/g、≧700m/g、≧800m/g、≧900m/g、又は、≧1,000m/gの表面積(20オングストローム未満の細孔について)を有し得る。 (C) Carbon has a surface area (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. Can have less than (for pores).

(d)炭素は、総表面積の≦20%、≦15%、≦10%、≦5%、≦3%、≦2%、≦1%の表面積(20オングストロームと1000オングストロームとの間の細孔)を有し得る。 (D) Carbon has a surface area of ≤20%, ≤15%, ≤10%, ≤5%, ≤3%, ≤2%, ≤1% (pores between 20 angstroms and 1000 angstroms). ) Can have.

(e)炭素及び/又はセレンは、圧縮下(圧縮された状態)にあってもよい。炭素及び/又はセレンが圧縮下にない場合の炭素−セレン系に対する、炭素及び/又はセレンが圧縮下にある場合の固定化セレンの利点は、改善された電子流、電子流に対する抵抗の低減、又は、これら両方を含むことができ、これによって、固定化セレンで構成されたカソードを有する二次電池の充放電中における、セレン化物アニオンから及びセレンへの電子供給を容易にできる。 (E) Carbon and / or selenium may be under compression (compressed state). The advantage of immobilized selenium when carbon and / or selenium is under compression over the carbon-selenium system when carbon and / or selenium is not under compression is improved electron flow, reduced resistance to electron flow, Alternatively, both may be included, which facilitates the supply of electrons from the selenium anion and to selenium during charging and discharging of a secondary battery having a cathode composed of immobilized selenium.

(f)セレンが固定化Se−C複合体系から離脱するために、固定化セレンは、従来の(非固定化)セレンにおける比較的高い活性化エネルギーよりも、高い活性化エネルギーを有するセレンを含むことができる。一例では、ASTM方法 E1641−16に従って、非固定化セレン(Se−Super P複合体系)における活性化エネルギーは、92kJ/モルであると測定された。対照的に、一例では、セレン及び炭素を含む固定化セレン中のセレンの活性化エネルギーは、≧95kJ/モル、≧98kJ/モル、≧101kJ/モル、≧104kJ/モル、≧107kJ/モル、又は、≧110kJ/モルである可能性がある。別の例では、セレン及び炭素を含む固定化セレン中のセレンの活性化エネルギーは、Se−Super P複合材におけるセレンの活性化エネルギーよりも、≧3%、≧6%、≧9%、≧12%、≧15%、又は、≧18%高い可能性がある。 (F) In order for selenium to withdraw from the immobilized Se-C complex system, the immobilized selenium contains a selenium having a higher activation energy than the relatively high activation energy in the conventional (non-immobilized) selenium. be able to. In one example, according to ASTM method E1641-16, the activation energy in non-immobilized selenium (Se-Super P complex system) was measured to be 92 kJ / mol. In contrast, in one example, the activation energy of selenium in immobilized selenium containing selenium and carbon is ≧ 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 of selenium in immobilized selenium containing selenium and carbon is ≧ 3%, ≧ 6%, ≧ 9%, ≧ 9 than the activation energy of selenium in the Se-Super P composite. It may be 12%, ≧ 15%, or ≧ 18% higher.

(g)固定化セレンは、非固定化セレンよりも、高い衝突頻度を有するセレンを含むことができる。一例では、非固定化セレンの衝突頻度は、ATSM方法 E1641−16に従って、2.27×10であると測定された。対照的に、一例では、セレン及び炭素を含む固定化セレン中のセレンの衝突頻度は、≧2.5×10、≧3.0×10、≧3.5×10、≧4.0×10、≧4.5×10、≧5.0×10、≧5.5×10、≧6.0×10、又は≧8.0×10である可能性がある。固定化セレンは、Se−C複合材における非固定化セレンよりも、≧10%、≧30%、≧50%、≧80%、≧100%、≧130%、≧150%、≧180%、又は、≧200%の衝突頻度を有する可能性がある。 (G) Immobilized selenium can contain selenium having a higher collision frequency than non-immobilized selenium. In one example, the collision frequency of the non-immobilized selenium according ATSM method E1641-16, was measured to be 2.27 × 10 5. In contrast, in one example, the collision frequency of selenium in immobilized selenium containing selenium and carbon, ≧ 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 and is likely is there. Immobilized selenium is more than ≧ 10%, ≧ 30%, ≧ 50%, ≧ 80%, ≧ 100%, ≧ 130%, ≧ 150%, ≧ 180%, than non-immobilized selenium in Se-C composite material. Alternatively, it may have a collision frequency of ≧ 200%.

(h)固定化セレンは、非固定/従来のセレンの速度定数の、≦1/5、≦1/10、≦1/50、≦1/100、≦1/500、又は、≦1/1000の速度定数を有するセレンを含むことができる。一例では、固定化セレンは、≦1×10−10、≦5×10−11、≦1×10−11、≦5×10−12、又は、≦5×10−13の速度定数(50℃)を有するセレンを含むことができる。 (H) The immobilized selenium is the rate constant of non-fixed / conventional selenium of ≦ 1/5, ≦ 1/10, ≦ 1/50, ≦ 1/100, ≦ 1/500, or ≦ 1/1000. Can include selenium having a rate constant of. In one example, immobilized selenium, ≦ 1 × 10 -10, ≦ 5 × 10 -11, ≦ 1 × 10 -11, ≦ 5 × 10 -12, or, ≦ 5 × 10 -13 rate constant (50 ° C. ) Can be included.

圧縮下における固定化セレンの炭素及び/又はセレンの場合、固定化セレンの炭素(又は上記炭素によって定義される炭素骨格)のSp C−C結合のラマンスペクトルにおけるD−バンド及び/又はG−バンドは、例えば≧1cm−1、≧2cm−1、≧3cm−1、≧4cm−1、又は、≧5cm−1の、炭素原料からの赤色(正の)シフトを示し得る。 In the case of the carbon and / or selenium of the immobilized selenium under compression, the D-band and / or G- in the Raman spectrum of the Sp 2 CC bond of the carbon of the immobilized selenium (or the carbon skeleton defined by the carbon above) The band may show a red (positive) shift from the carbon source, eg, ≧ 1 cm -1 , ≧ 2 cm -1 , ≧ 3 cm -1 , ≧ 4 cm -1 , or ≧ 5 cm -1 .

圧縮下における固定化セレンの炭素及び/又はセレンの場合、セレンは、純セレンのラマンピーク(235cm―1)から、例えば、≧4cm―1、≧6cm―1、≧8cm―1、≧10cm―1、≧12cm―1、≧14cm―1、又は、≧16cm―1の赤色(正の)シフトを有する可能性があり、セレン粒子における圧縮を赤色シフトが示唆している。 For carbon and / or selenium immobilization selenium in under compression, selenium, from the Raman peak of pure selenium (235 cm -1), for example, ≧ 4cm -1, ≧ 6cm -1 , ≧ 8cm -1, ≧ 10cm - It may have a red (positive) shift of 1 , ≧ 12 cm- 1 , ≧ 14 cm- 1 , or ≧ 16 cm- 1 , suggesting compression in selenium particles.

固定化セレンは、元素状態のセレン、及び/又は、化合物状態のセレンであってもよい。 The immobilized selenium may be elemental selenium and / or compound selenium.

セレン及び炭素を含む固定化セレンは、限定されないが、例えば硫黄及び/又はテルルを含む、周期律表の第6族(以後、「追加のG6元素」)からの1種又は複数種の追加元素でドープされてもよい。ドープ量(ドーパントレベル)は、固定化セレンの総質量の100質量ppmという低さから85質量%という高さまでの範囲であってもよい。一例では、固定化セレンは、15%〜70%の炭素と、30%〜85%のセレンと、必要に応じて追加のG6元素とを含むことができる。一例では、固定化セレンは、(1)15%〜70%の炭素、及び、(2)30%〜85%のセレン、+追加のG6元素の混合物を含むことができる。セレン+追加のG6元素を含む混合物において、追加のG6元素は、混合物の0.1%〜99%を構成することができ、セレンは、混合物の1%〜99.9%を構成することができる。しかしながら、セレン+追加のG6元素のこれらの範囲は、限定的な意味で解釈されるべきではない。 Immobilized selenium, including selenium and carbon, is one or more additional elements from Group 6 of the Periodic Table (hereinafter "additional G6 elements"), including, but not limited to, sulfur and / or tellurium. May be doped with. The doping amount (dopant level) may range from as low as 100 mass ppm to as high as 85 mass% of the total mass of the immobilized selenium. In one example, the immobilized selenium can contain 15% to 70% carbon, 30% to 85% selenium, and optionally additional G6 elements. In one example, immobilized selenium can contain a mixture of (1) 15% to 70% carbon and (2) 30% to 85% selenium, plus additional G6 elements. In a mixture containing selenium + additional G6 element, the additional G6 element can make up 0.1% to 99% of the mixture and selenium can make up 1% to 99.9% of the mixture. it can. However, these ranges of selenium + additional G6 elements should not be construed in a limited sense.

固定化セレンは、≧5%のセレン、≧10%のセレン、≧20%のセレン、≧30%、≧40%のセレン、≧50%のセレン、≧60%のセレン、又は、≧70%のセレン、又は、それより多いセレンを含むことができる。 Immobilized selenium is ≧ 5% selenium, ≧ 10% selenium, ≧ 20% selenium, ≧ 30%, ≧ 40% selenium, ≧ 50% selenium, ≧ 60% selenium, or ≧ 70%. Selenium, or more selenium.

固定化セレンは、必要に応じて、例えば硫黄、テルルなどの他の元素を含んでもよい。 The immobilized selenium may optionally contain other elements such as sulfur, tellurium and the like.

固定化セレンは、ラマン不活性又はラマン活性であってもよい。ラマン活性の場合、固定化セレンは、255±25cm−1、255±15cm−1、又は、255±10cm−1において、ラマン相対ピーク強度を有し得る。 The immobilized selenium may be Raman inactive or Raman active. For Raman activity, immobilized selenium may have a Raman relative peak intensity at 255 ± 25 cm -1 , 255 ± 15 cm -1 , or 255 ± 10 cm -1 .

固定化セレンは、≧0.1%、≧0.5%、≧1%、≧3%、又は、≧5%のラマン相対ピーク強度を有するセレンを含むことができ、本明細書では、ラマン相対ピーク強度は、炭素ラマンスペクトルのD−バンドピークの面積に対する、255cm−1でのラマンピークの面積として、定義される。 Immobilized selenium can include selenium having a Raman relative peak intensity of ≧ 0.1%, ≧ 0.5%, ≧ 1%, ≧ 3%, or ≧ 5%, as described herein by Raman. Relative peak intensity is defined as the area of the Raman peak at 255 cm -1 with respect to the area of the D-band peak in the carbon Raman spectrum.

固定化セレンを含む炭素は、セレンの固定化のための炭素骨格として役立ち得る。炭素骨格は、1365±100cm−1に位置するラマンD−バンドと、1589±100cm−1に位置するラマンG−バンドとを有する、Sp−炭素−炭素結合を有してもよく、1365±70cm−1に位置するD−バンドと1589±70cm−1に位置するG−バンドとを有してもよく、1365±50cm−1に位置するD−バンドと1589±50cm−1に位置するG−バンドとを有してもよく、1365±30cm−1に位置するD−バンドと1589±30cm−1に位置するG−バンドとを有してもよく、又は、1365±20cm−1に位置するD−バンドと1589±20cm−1に位置するG−バンドとを有してもよい。 Carbon containing immobilized selenium can serve as a carbon backbone for the immobilization of selenium. Carbon backbone has a Raman D- band located 1365 ± 100 cm -1, and a Raman G- band located 1589 ± 100cm -1, Sp 2 - carbon - may have carbon bonds, 1365 ± may have a G- band located D- band and 1589 ± 70cm -1 located 70cm -1, located D- band and 1589 ± 50 cm -1 is located in 1365 ± 50 cm -1 G - it may have a band may have a G- band located D- band and 1589 ± 30 cm -1 is located in 1365 ± 30 cm -1, or located in 1365 ± 20 cm -1 It may have a D-band and a G-band located at 1589 ± 20 cm -1 .

固定化セレンの炭素は、D−バンドとG−バンドとを特徴とするラマンピークを有するSp炭素−炭素結合を含むことができる。G−バンドに対するD−バンドの面積比は、0.01から100までの範囲、0.1から50までの範囲、又は、0.2から20までの範囲であってもよい。 Carbon immobilization selenium, Sp 2 carbon having a Raman peak, wherein the D- band and G- band - can include carbon bonds. The area ratio of the D-band to the G-band may be in the range 0.01 to 100, 0.1 to 50, or 0.2 to 20.

固定化セレンの炭素は、D−バンドとG−バンドとを特徴とするラマンピークを有するSp炭素−炭素結合を含むことができる。D−バンド及びG−バンドのそれぞれは、より高い波数≧1cm−1、≧2cm−1へ、又はそれよりも高く、シフトし得る。 Carbon immobilization selenium, Sp 2 carbon having a Raman peak, wherein the D- band and G- band - can include carbon bonds. Each of the D-band and G-band can shift to higher wavenumbers ≥ 1 cm -1 , ≥ 2 cm -1 , or higher.

固定化セレンの炭素は、周期律表の1種又は複数種の他の元素で、ドープされてもよい。 The carbon of the immobilized selenium may be doped with one or more other elements of the Periodic Table.

固定化セレンの炭素は、多孔質であってもよい。炭素骨格の細孔径分布は、1オングストロームと数ミクロンとの間の範囲であってもよい。細孔径分布は、1オングストロームと1000オングストロームとの間、1オングストロームと100オングストロームとの間、1オングストロームと50オングストロームとの間、1オングストロームと30オングストロームとの間、又は、1オングストロームと20オングストロームとの間に位置する少なくとも1つのピークを有し得る。炭素骨格の多孔性は、前述の範囲内に1つよりも多いピークを有する細孔径分布を有してもよい。 The carbon of the immobilized selenium may be porous. The pore size distribution of the carbon skeleton may range between 1 angstrom and a few microns. The pore size distribution is between 1 angstrom and 1000 angstrom, between 1 angstrom and 100 angstrom, between 1 angstrom and 50 angstrom, between 1 angstrom and 30 angstrom, or between 1 angstrom and 20 angstrom. It may have at least one peak located in between. The porosity of the carbon skeleton may have a pore size distribution with more than one peak within the aforementioned range.

固定化セレンの炭素は、0.01mL/gと5mL/gとの間、0.01mL/gと3mL/gとの間、0.03mL/gと2.5mL/gとの間、又は、0.05mL/gと2.0mL/gとの間の細孔容積を含んでもよい。 The carbon of the immobilized selenium is 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 Pore volumes between 0.05 mL / g and 2.0 mL / g may be included.

固定化セレンの炭素は、測定可能な総細孔容積に対して30%、>40%、>50%、>60%、>70%、又は>80%の細孔容積(<100オングストローム、<50オングストローム、<30オングストローム、又は、<20オングストロームの細孔径を有する)を含んでもよい。 The carbon of the immobilized selenium has a pore volume of 30%,> 40%,> 50%,> 60%,> 70%, or> 80% of the total measurable pore volume (<100 angstrom, <100 angstrom, < It may include 50 angstroms, <30 angstroms, or <20 angstroms with a pore size).

固定化セレンの炭素は、>400m/g、>500m/g、>600m/g、>700m/g、>800m/g、>900m/g、又は、>1000m/gの表面積を含んでもよい。 The carbon content of the immobilized selenium is> 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. May include the surface area of.

固定化セレンの炭素は、非晶質であってもよく、また、約5.2オングストロームのd−間隔を中心とする広いピークを有してもよい。 The carbon of the immobilized selenium may be amorphous and may have a wide peak centered on the d-spacing of about 5.2 angstroms.

固定化セレンの炭素は、任意の形態、即ち、血小板状、球状、繊維状、針状、管状、不規則形状、相互接続された形状、凝集した形状、離散した形状、又は、任意の固体粒子であってもよい。所定の大きさのアスペクト比を有する、血小板状、繊維状、針状、管状、又は、ある種の形態は、より良好な粒子間接触を達成するために有利である可能性があり、(様々なアスペクト比で作られる固定化セレンの全体で)電導性の向上をもたらし、これは、二次電池などの電気化学的セル電池に有益となり得る。 The carbon of the immobilized selenium can be in any form, ie platelet-like, spherical, fibrous, needle-like, tubular, irregular, interconnected, aggregated, discrete, or any solid particle. It may be. Thrombotic, fibrous, needle-like, tubular, or certain forms with a given size aspect ratio can be advantageous to achieve better interparticle contact (various). It provides an improvement in conductivity (over all immobilized selenium made with different aspect ratios), which can be beneficial for electrochemical cell batteries such as rechargeable batteries.

固定化セレンの炭素は、1〜9ナノメートルと2ミリメートルとの間、1〜9ナノメートルと<1000ミクロンとの間、又は、20ナノメートルと100ミクロンとの間のメジアン粒径を有する、任意の粒径のものであってもよい。 The carbon of the immobilized selenium has a median particle size between 1-9 nanometers and 2 millimeters, between 1-9 nanometers and <1000 microns, or between 20 nanometers and 100 microns. It may have any particle size.

固定化セレンのセレンは、例えばX線回折によって決定されるように非晶質であってもよい。約5.2オングストロームのd−間隔を有することができる、固定化セレンのセレンの回折ピークは、炭素骨格についての回折ピークよりも弱くてもよく、例えば10%弱くてもよく、20%弱くてもよく、30%弱くてもよく、又は、40%弱くてもよい。 The selenium of the immobilized selenium may be amorphous as determined by, for example, X-ray diffraction. The diffraction peak of the immobilized selenium selenium, which can have a d-spacing of about 5.2 angstroms, may be weaker than the diffraction peak for the carbon backbone, eg 10% weaker, 20% weaker. It may be 30% weaker, or 40% weaker.

一例では、固定化セレンを製造する方法は、以下を含むことができる。
(a)炭素及びセレンを物理的に混合する工程。物理的混合は、ボールミル(乾式及び湿式)、乳鉢及び乳棒を用いた混合(乾式又は湿式)、ジェットミル、水平ミル、摩砕ミル、スラリー中での高剪断混合、ブレードによる通常のスラリー混合など、によって実施できる。
(b)工程(a)において物理的に混合された炭素及びセレンを、セレンの融解温度又はより高い温度で、加熱することができる。炭素及びセレン混合物の加熱は、限定されないが、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガス環境の存在下において、又は、空気環境若しくは反応環境において、実施することができる。
(c)必要に応じて、セレンの固定化を達成するために、加熱された炭素及びセレンを均質化又はブレンドする工程。及び、
(d)工程(c)の固定化セレンを周囲温度又は室温まで冷却すること。
In one example, the method of producing immobilized selenium can include:
(A) A step of physically mixing carbon and selenium. Physical mixing includes ball mills (dry and wet), mortar and pestle mixing (dry or wet), jet mills, horizontal mills, grinding mills, high shear mixing in slurries, normal slurry mixing with blades, etc. Can be carried out by.
(B) The carbon and selenium physically mixed in step (a) can be heated at the melting temperature of selenium or a higher temperature. Heating of the carbon and selenium mixture can be carried out in the presence of an inert gas environment such as, but not limited to, argon, helium, nitrogen, or in an air or reaction environment.
(C) If necessary, a step of homogenizing or blending heated carbon and selenium to achieve selenium immobilization. as well as,
(D) Cooling the immobilized selenium in step (c) to ambient temperature or room temperature.

別の例では、セレンを炭素上で溶解させ、続いて蒸発させることによって、固定化セレンを製造できる。セレンを溶解させる溶媒としては、アルコール、エーテル、エステル、ケトン、炭化水素、ハロゲン化炭化水素、窒素含有化合物、リン含有化合物、硫黄含有化合物、水等を用いることができる。 In another example, immobilized selenium can be made by dissolving selenium on carbon and then evaporating it. As the solvent for dissolving selenium, alcohol, ether, ester, ketone, hydrocarbon, halogenated hydrocarbon, nitrogen-containing compound, phosphorus-containing compound, sulfur-containing compound, water and the like can be used.

別の例では、セレンを炭素上で融解させた後に、過剰又は余剰の非固定化セレンを除去することによって、固定化セレンを製造できる。 In another example, immobilized selenium can be made by melting selenium on carbon and then removing excess or excess non-immobilized selenium.

一例では、固定化セレンを製造する方法は、以下を含む。
(a)乾燥状態又は湿潤状態でセレンと炭素とをともに混合する工程。
(b)工程(a)の混合物を必要に応じて、上昇させた温度で乾燥する工程。
(c)必要に応じて工程(b)の乾燥混合物をペレット化する工程。
(d)セレンを炭素に溶融させて固定化セレンを作製する工程。
In one example, methods for producing immobilized selenium include:
(A) A step of mixing selenium and carbon together in a dry state or a wet state.
(B) A step of drying the mixture of the step (a) at an increased temperature, if necessary.
(C) A step of pelletizing the dry mixture of the step (b), if necessary.
(D) A step of melting selenium into carbon to produce immobilized selenium.

固定化セレンは、二次電池のカソード材料として使用することができる。カソードは、無機バインダ又は有機バインダを含むことができる。無機バインダは、例えばCMCなどの天然物、又は、例えばSBRゴムラテックスのような合成物であってもよい。カソードは、例えば黒鉛由来小粒子、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノシート、カーボンブラックなどの必要に応じた導電促進剤を含むことができる。最後に、カソードは、例えば、アルミニウム箔、銅箔、炭素箔、炭素繊維、又は、他の金属箔などの集電体を含むことができる。 Immobilized selenium can be used as a cathode material for secondary batteries. The cathode can include an inorganic binder or an organic binder. The inorganic binder may be a natural product such as CMC or a synthetic product such as SBR rubber latex. The cathode can contain, for example, graphite-derived small particles, graphene, carbon nanotubes, carbon nanosheets, carbon black, and other optional conductivity accelerators. Finally, the cathode can include a current collector such as, for example, aluminum foil, copper foil, carbon foil, carbon fiber, or other metal foil.

カソードを作製する方法は、固定化セレン含有スラリーを集電体上に塗布した後、スラリー塗布後の集電体を乾燥させること(例えば、空気乾燥、オーブン乾燥、真空オーブン乾燥など)を含むことができる。高せん断ミキサー、レギュラーミキサー、プラネタリーミキサー、ダブルプラネタリーミキサー、ボールミル、垂直アトライター、水平ミル等によって調製できるスラリー中に、固定化セレンを分散させることができる。次に、スラリーを集電体上に塗布した後、空気中又は真空中で乾燥させることができる。次に、二次電池での使用に先立って、塗布後のカソードを加圧処理又はローラーミル処理(又はカレンダー処理)することができる。 The method for producing a cathode includes applying an immobilized selenium-containing slurry onto a current collector and then drying the current collector after the slurry is applied (for example, air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). Can be done. Immobilized selenium can be dispersed in a slurry that can be prepared by a high shear mixer, a regular mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical attritor, a horizontal mill, or the like. The slurry can then be applied onto the current collector and then dried in air or in vacuum. Next, the cathode after coating can be pressurized or roller milled (or calendared) prior to use in a secondary battery.

本明細書に記載の固定化セレンを用いて二次電池を作製することができる。二次電池は、固定化セレンを含むカソードと、アノードと、アノードとカソードとを分離するセパレータとを含むことができる。アノード、カソード、及びセパレータを、例えばLiPFなどの電解質に浸漬することができる。アノードは、リチウム、ナトリウム、ケイ素、黒鉛、マグネシウム、スズ等で構成され得る。 A secondary battery can be made using the immobilized selenium described herein. The secondary battery can include a cathode containing immobilized selenium, an anode, and a separator that separates the anode and the cathode. The anode, cathode, and separator can be immersed in an electrolyte such as LiPF 6 . The anode may be composed of lithium, sodium, silicon, graphite, magnesium, tin and the like.

セパレータは、有機セパレータ、無機セパレータ、又は、固体電解質セパレータで構成され得る。有機セパレータは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ハロゲン化ポリマー、ポリエーテル、ポリケトンなどのポリマーを含むことができる。無機セパレータは、ガラス繊維若しくは石英繊維、又は、固体電解質セパレータを含むことができる。 The separator may be composed of an organic separator, an inorganic separator, or a solid electrolyte separator. Organic separators can include, for example, polymers such as polyethylene, polypropylene, polyester, halogenated polymers, polyethers, polyketones and the like. The inorganic separator may include glass fiber or quartz fiber, or a solid electrolyte separator.

電解液は、有機溶媒中において、リチウム塩、ナトリウム塩、又は、IA、IIA、及びIIIA族の他の塩を含むことができる。有機溶媒は、有機カーボネート化合物、エーテル、アルコール、エステル、炭化水素、ハロゲン化炭化水素、リチウム含有溶媒などを含むことができる。 The electrolyte can contain lithium salts, sodium salts, or other salts of the IA, IIA, and IIIA groups in organic solvents. The organic solvent can include an organic carbonate compound, an ether, an alcohol, an ester, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a lithium-containing solvent and the like.

二次電池は、電子機器(エレクトロニクス)、電気自動車又はハイブリッド車、産業用途、無人機などの軍事用途、航空宇宙用途、海洋用途などにおいて使用され得る。 The secondary battery can be used in electronic devices (electronics), electric vehicles or hybrid vehicles, industrial applications, military applications such as unmanned aircraft, aerospace applications, marine applications, and the like.

二次電池は、セレン活性量あたり≧400mAh/g、セレン活性量あたり≧450mAh/g、セレン活性量あたり≧500mAh/g、セレン活性量あたり≧550mAh/g、又は、セレン活性量あたり≧600mAh/gの電気化学的容量を有し得る。 The secondary battery has ≧ 400 mAh / g per selenium activity amount, ≧ 450 mAh / g per selenium activity amount, ≧ 500 mAh / g per selenium activity amount, ≧ 550 mAh / g per selenium activity amount, or ≧ 600 mAh / g per selenium activity amount. It may have an electrochemical capacity of g.

二次電池は、≧50サイクル、≧75サイクル、≧100サイクル、≧200サイクルなどの電気化学サイクルを受けることができる。 The secondary battery can undergo an electrochemical cycle such as ≧ 50 cycle, ≧ 75 cycle, ≧ 100 cycle, ≧ 200 cycle.

二次電池は、0.1C、0.2C、0.5C、1C、1.5C、2C、3C、4C、5C、6C、7C、8C、9C、10C、又はそれよりも高速で、充電及び/又は放電されてもよい。 Secondary batteries charge and charge at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C, or faster. / Or may be discharged.

二次電池は、高Cレート充放電サイクル(0.1Cで5サイクル、0.2Cで5サイクル、0.5Cで5サイクル、1Cで5サイクル、2Cで5サイクル、5Cで5サイクル、10Cで5サイクル)を行った後に、0.1Cのサイクルレートで、2回目放電の比容量の、>30%、>40%、>50%、>60%、>70%、又は>80%の、電池比容量を維持できる。 The secondary battery has a high C rate charge / discharge cycle (0.1C: 5 cycles, 0.2C: 5 cycles, 0.5C: 5 cycles, 1C: 5 cycles, 2C: 5 cycles, 5C: 5 cycles, 10C. After 5 cycles), at a cycle rate of 0.1C,> 30%,> 40%,> 50%,> 60%,> 70%, or> 80% of the specific capacity of the second discharge. Battery specific capacity can be maintained.

二次電池は、≧50%、≧60%、≧70%、≧80%、≧90%、又は、約100%ものクーロン効率を有することができる。電池のクーロン効率は、次のように定義される。
The secondary battery can have a coulombic efficiency of ≧ 50%, ≧ 60%, ≧ 70%, ≧ 80%, ≧ 90%, or about 100%. The Coulombic efficiency of a battery is defined as follows.

0.1C、0.2C、0.5C、1C、1.5C、2C、3C、4C、5C、6C、7C、8C、9C、10C、又はより高速のCレートで、二次電池を充電することができる。Cレートは、電池が最大容量に対して放電されるときの、レート(速度)の度合いである。例えば、1Cレートは、放電電流が1時間で電池全体を放電することを意味する。例えば、100アンペア−hrsの容量を有する電池の場合、これは100アンペアの放電電流に等しい。この同じ電池の5Cレートは、500アンペアになり、0.5Cレートは50アンペアになるといえる。 Charge the secondary battery at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C, or faster C rate. be able to. The C rate is the degree of rate (speed) when the battery is discharged with respect to the maximum capacity. For example, 1C rate means that the discharge current discharges the entire battery in 1 hour. For example, for a battery with a capacity of 100 amps-hrs, this is equal to a discharge current of 100 amps. It can be said that the 5C rate of this same battery is 500 amperes and the 0.5C rate is 50 amperes.

二次電池のカソードは、セレン、硫黄、テルル、及び、酸素といった、酸素族(カルコゲン族)の1種又は複数種の元素を含むことができる。 The cathode of the secondary battery can contain one or more elements of the oxygen group (chalcogen group) such as selenium, sulfur, tellurium, and oxygen.

二次電池のアノードは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、及び、IIIA族金属の少なくとも1種の元素を含むことができる。 The anode of the secondary battery can contain at least one element of an alkali metal, an alkaline earth metal, and a Group IIIA metal.

二次電池のセパレータは、有機セパレータ又は無機セパレータを含むことができる。 The separator of the secondary battery may include an organic separator or an inorganic separator.

二次電池の電解液は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、及び第IIIA族金属の少なくとも1種の元素を含むことができ、電解液の溶媒は、カーボネート系、エーテル系、又はエステル系の有機溶媒を含むことができる。 The electrolytic solution of the secondary battery can contain at least one element of an alkali metal, an alkaline earth metal, and a group IIIA metal, and the solvent of the electrolytic solution is a carbonate-based, ether-based, or ester-based organic. It can contain a solvent.

二次電池は、≧400mAh/g、≧450mAh/g、≧500mAh/g、≧550mAh/g、又は、≧600mAh/gの比容量を有することができる。 The secondary battery can have a specific capacity of ≧ 400 mAh / g, ≧ 450 mAh / g, ≧ 500 mAh / g, ≧ 550 mAh / g, or ≧ 600 mAh / g.

二次電池は、≧50サイクル、≧75サイクル、≧100サイクル、≧200サイクルなどの電気化学サイクルを受けることができる。 The secondary battery can undergo an electrochemical cycle such as ≧ 50 cycle, ≧ 75 cycle, ≧ 100 cycle, ≧ 200 cycle.

二次電池は、高Cレート充放電サイクル(0.1Cで5サイクル、0.2Cで5サイクル、0.5Cで5サイクル、1Cで5サイクル、2Cで5サイクル、5Cで5サイクル、及び、10Cで5サイクル)の実施後に、0.1Cのサイクルレートで、2回目放電の比容量の、>30%、>40%、>50%、>60%、>70%、又は、>80%の比容量を有することができる。 The secondary battery has a high C rate charge / discharge cycle (0.1C: 5 cycles, 0.2C: 5 cycles, 0.5C: 5 cycles, 1C: 5 cycles, 2C: 5 cycles, 5C: 5 cycles, and so on. After 5 cycles at 10C), at a cycle rate of 0.1C,> 30%,> 40%,> 50%,> 60%,> 70%, or> 80% of the specific capacity of the second discharge. Can have a specific capacity of.

二次電池は、≧50%、≧60%、≧70%、≧80%、又は≧90%のクーロン効率を有することができる。 The secondary battery can have a coulombic efficiency of ≧ 50%, ≧ 60%, ≧ 70%, ≧ 80%, or ≧ 90%.

セレンと炭素とを含む複合体も開示され、上記の複合体は、≧1、≧2、≧5、≧10、又は≧20のアスペクト比を有する血小板形状を有してもよい。 Complexes containing selenium and carbon are also disclosed, and the above complexes may have a platelet shape having an aspect ratio of ≧ 1, ≧ 2, ≧ 5, ≧ 10, or ≧ 20.

複合体のセレンは、例えばX線回折によって決定されるように、非晶質であってもよい。セレンの回折ピークは、約5.2オングストロームのd−間隔を有することができ、炭素骨格における回折ピークよりも弱く、例えば炭素骨格よりも10%弱く、20%弱く、30%弱く、又は40%弱くてもよい。 The selenium in the complex may be amorphous, as determined, for example, by X-ray diffraction. The diffraction peaks of selenium can have a d-spacing of about 5.2 angstroms and are weaker than the diffraction peaks in the carbon skeleton, eg 10% weaker, 20% weaker, 30% weaker, or 40% weaker than the carbon skeleton. It may be weak.

一例では、複合材を製造する方法は、以下を含む。
(a)炭素とセレンとを物理的に混合する工程。物理的混合は、ボールミル(乾式及び湿式)、乳鉢及び乳棒による混合(乾式又は湿式)、ジェットミル、水平ミル、摩砕ミル、スラリー中での高剪断混合、ブレードによる通常のスラリー混合などによって実施できる。
(b)工程(a)の物理的に混合された炭素及びセレンを、セレンの融点温度又はより高い温度まで加熱でき、該加熱は、例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガス環境の存在下で、又は、空気中若しくは反応性環境中において実施することができる。及び、
(c)工程(b)の加熱された炭素及びセレンを、セレンの固定化を達成するための援助として、均質化又はブレンドすることができる。
In one example, the method of producing the composite material includes:
(A) A step of physically mixing carbon and selenium. Physical mixing is carried out by ball mill (dry and wet), mortar and pestle mixing (dry or wet), jet mill, horizontal mill, grinding mill, high shear mixing in slurry, normal slurry mixing with blades, etc. it can.
(B) The physically mixed carbon and selenium of step (a) can be heated to the melting point temperature or higher temperature of selenium, which heating is in the presence of an inert gas environment such as argon, helium, nitrogen, etc. It can be carried out underneath or in air or in a reactive environment. as well as,
(C) The heated carbon and selenium from step (b) can be homogenized or blended to aid in achieving selenium immobilization.

別の例では、セレンを炭素上に溶解させた後に蒸発させることによって、複合材料を製造できる。セレンを溶解させる溶媒としては、アルコール、エーテル、エステル、ケトン、炭化水素、ハロゲン化炭化水素、窒素含有化合物、リン含有化合物、硫黄含有化合物、水等が挙げられる。 In another example, the composite can be made by dissolving selenium on carbon and then evaporating it. Examples of the solvent for dissolving selenium include alcohols, ethers, esters, ketones, hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, nitrogen-containing compounds, phosphorus-containing compounds, sulfur-containing compounds, water and the like.

セレンを炭素上に(又は炭素中に)溶融させた後に、過剰又は余剰の非固定化セレンを除去することによって、複合体を製造できる。 The complex can be made by melting the selenium on (or in) the carbon and then removing the excess or excess unimmobilized selenium.

一例では、複合材を製造する方法は、以下を含む。
(a)乾燥状態又は湿潤状態でセレンと炭素とをともに混合する工程。
(b)工程(a)の混合物を必要に応じて、上昇させた温度で乾燥する工程。
(c)工程(b)の乾燥混合物を必要に応じてペレット化する工程。
(d)セレンを炭素中に溶融させて固定化セレンを作製する工程。
In one example, the method of producing the composite material includes:
(A) A step of mixing selenium and carbon together in a dry state or a wet state.
(B) A step of drying the mixture of the step (a) at an increased temperature, if necessary.
(C) A step of pelletizing the dry mixture of the step (b) as needed.
(D) A step of melting selenium in carbon to produce immobilized selenium.

複合材料は、二次電池のカソードのためのカソード材料として使用できる。カソードは、無機バインダ又は有機バインダを含むことができる。無機バインダは、例えばCMCなどの天然物、又は、例えばSBRゴムラテックスのような合成物であってもよい。カソードは、例えば黒鉛由来小粒子、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノシート、カーボンブラックといった、必要に応じた導電促進剤を含むことができる。最後に、カソードは、例えば、アルミニウム箔、銅箔、炭素箔、炭素繊維、又は他の金属箔などの集電体を含むことができる。 The composite material can be used as a cathode material for the cathode of a secondary battery. The cathode can include an inorganic binder or an organic binder. The inorganic binder may be a natural product such as CMC or a synthetic product such as SBR rubber latex. The cathode can contain, if desired, a conductivity accelerator such as graphite-derived particles, graphene, carbon nanotubes, carbon nanosheets, carbon black. Finally, the cathode can include a current collector such as, for example, aluminum foil, copper foil, carbon foil, carbon fiber, or other metal foil.

カソードを作製する方法は、固定化セレン含有スラリーを集電体上に塗布すること、その後、スラリー塗布後の集電体を乾燥すること(例えば、空気乾燥、オーブン乾燥、真空オーブン乾燥など)を含むことができる。高せん断ミキサー、レギュラーミキサー、プラネタリーミキサー、ダブルプラネタリーミキサー、ボールミル、垂直アトライター、水平ミル等によって製造することができるスラリー中に、固定化セレンを分散させることができる。次に、スラリーを集電体上に塗布した後に、室内空気中又は真空中で乾燥させることができる。二次電池での使用の前に、塗布後のカソードを、加圧処理又はローラーミル処理(又はカレンダー処理)することができる。 The method for producing the cathode is to apply the immobilized selenium-containing slurry on the current collector, and then dry the current collector after the slurry is applied (for example, air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). Can include. Immobilized selenium can be dispersed in a slurry that can be produced by a high shear mixer, a regular mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical attritor, a horizontal mill, or the like. The slurry can then be applied onto the current collector and then dried in room air or in vacuum. The coated cathode can be pressurized or roller milled (or calendared) prior to use in a secondary battery.

上記の複合材を用いて二次電池を作製することができる。0.1C、0.2C、0.5C、1C、1.5C、2C、3C、4C、5C、6C、7C、8C、9C、10C、又はより高速で、二次電池を充電できる。 A secondary battery can be manufactured using the above composite material. The secondary 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.

実施例13:硫黄でドープされた固定化セレン、電極、及びそれらの電池の製造。
実施例10に記載された原理及び手順に従って、表4に詳述された硫黄ドープされた固定化セレンの合成において、セレン5原子%、セレン20原子%、セレン35原子%、及び、セレン50原子%が、それぞれ硫黄によって置き換えられた。硫黄ドープされた固定化セレンの試料を、実施例9に記載の原理及び手順に従って製造した炭素骨格を用いて合成した。
Example 13: Manufacture of sulfur-doped immobilized selenium, electrodes, and batteries thereof.
In the synthesis of sulfur-doped immobilized selenium detailed in Table 4, according to the principles and procedures described in Example 10, 5 atomic% selenium, 20 atomic% selenium, 35 atomic% selenium, and 50 atomic selenium. % Was replaced by sulfur respectively. A sample of sulfur-doped immobilized selenium was synthesized using a carbon skeleton prepared according to the principles and procedures described in Example 9.

次に、このようにして製造した硫黄ドープ固定化セレンの試料を使用して、固定化セレンに関わる実施例11に記載の原理及び手順に従って、硫黄ドープ固定化セレンを含む多数のカソード4を製造した。 Next, using the sample of sulfur-doped immobilized selenium thus produced, a large number of cathodes 4 containing sulfur-doped immobilized selenium are produced according to the principle and procedure described in Example 11 relating to immobilized selenium. did.

続いて、この実施例においてこのようにして製造した、硫黄ドープ固定化セレンを含有するカソードを使用して、実施例12に記載の原理及び手順に従って、コイン型セル電池を製造した。 Subsequently, using the cathode containing sulfur-doped immobilized selenium thus produced in this example, a coin-type cell battery was produced according to the principle and procedure described in Example 12.

この実施例において組み立てられたコイン型セル電池を、実施例12に記載の電池試験機で、実施例12にも記載された同じ試験プロトコルに従って、0.1C及び1Cの充放電サイクルレートで試験した。 The coin-operated cell batteries assembled in this example were tested on the battery tester described in Example 12 at charge / discharge cycle rates of 0.1C and 1C according to the same test protocol described in Example 12. ..

硫黄ドープ固定化セレン試料(表4のSe50S50)で作製した硫黄ドープ固定化セレンカソードで構成されたカソードを含むコイル電池について、0.1Cでの電気化学サイクルの結果を図18に示す。ここで、2回目のサイクル放電容量は、821mAh/g(これは良好と考えられる)であり、また、定常クーロン効率は、≧95%、典型的には≧98%(良好と考えられる)、又は100%もの高さである。 FIG. 18 shows the results of the electrochemical cycle at 0.1 C for a coil battery containing a cathode composed of a sulfur-doped immobilized selenium cathode prepared from a sulfur-doped immobilized selenium sample (Se50S50 in Table 4). Here, the second cycle discharge capacity is 821 mAh / g (which is considered good), and the steady-state Coulomb efficiency is ≧ 95%, typically ≧ 98% (which is considered good). Or it is as high as 100%.

セレンが0.1Cサイクルレートで675mAh/gの化学量論的比容量を有すると仮定すると、硫黄比容量は、約1,178mAh/g(硫黄にとって良好と考えられる)と推定されることになる。クーロン効率≧95%、≧98%、又は100%もの高さは、カソードとアノードとの間を有意な量の硫黄が往復しないことを示す。硫黄ドープ固定化セレン電池における硫黄種は、カーボネートを含む電解液中で良好に機能する。典型的には、硫黄は、電解液としてカーボネートを有するLi−S電池において良好に機能するとは期待されない。従来のLi−S電池は、典型的には、エーテル系電解液を使用する。カーボネート系の電解液は、典型的には、本リチウムイオン電池において使用される。カーボネート系の電解液は、エーテル系の電解液と比較して、より経済的であり、市場においてより広く利用されている。 Assuming that selenium has a stoichiometric specific capacity of 675 mAh / g at a 0.1 C cycle rate, the sulfur specific capacity would be estimated to be approximately 1,178 mAh / g (which is considered good for sulfur). .. Coulomb efficiencies ≧ 95%, ≧ 98%, or as high as 100% indicate that significant amounts of sulfur do not reciprocate between the cathode and anode. Sulfur species in sulfur-doped immobilized selenium batteries work well in electrolytes containing carbonate. Typically, sulfur is not expected to work well in Li-S batteries that have carbonate as the electrolyte. Conventional Li-S batteries typically use an ether-based electrolyte. The carbonate-based electrolyte is typically used in this lithium-ion battery. Carbonate-based electrolytes are more economical and more widely used in the market than ether-based electrolytes.

硫黄ドープ固定化セレン試料(表4のSe50S50)で作製した硫黄ドープ固定化セレンカソードで構成されたカソードを含むコイルセル電池について、1Cサイクルレートでの電気化学サイクル結果を図19に示す。ここで、2回目のサイクル放電容量は、724mAh/gであり、また、定常クーロン効率は、≧95%、典型的には≧98%、又は100%もの高さである。 FIG. 19 shows the electrochemical cycle results at a 1C cycle rate for a coil cell battery containing a cathode composed of a sulfur-doped immobilized selenium cathode prepared from a sulfur-doped immobilized selenium sample (Se50S50 in Table 4). Here, the second cycle discharge capacity is 724 mAh / g, and the steady-state Coulomb efficiency is as high as ≧ 95%, typically ≧ 98%, or 100%.

セレンが1Cサイクルレートで625mAh/gの比容量を有すると仮定すると、硫黄比容量は、約966mAh/g(これも予想外である)と推定されることになる。硫黄は、絶縁体であり、電気伝導度が非常に低い。通常、Li−S電池は、1Cレートなどの高速サイクルレートで良好にサイクルすることができない。 Assuming that selenium has a specific volume of 625 mAh / g at a 1C cycle rate, the sulfur specific volume would be estimated to be about 966 mAh / g (which is also unexpected). Sulfur is an insulator and has very low electrical conductivity. Generally, Li-S batteries cannot cycle well at high cycle rates such as 1C rate.

以上のように、二次電池のカソード材料として使用される場合、硫黄ドープ固定化セレンは、Li−S電池に関連する2つの根本的な問題、即ちシャトル効果と低サイクルレートとを克服する。これらの2つの問題が解決されることによって、硫黄ドープ固定化セレンで構成されるカソードを含む電池は、実際の用途において、高エネルギー密度と、高電力密度とを有することができる。 As described above, when used as a cathode material for secondary batteries, sulfur-doped immobilized selenium overcomes two fundamental problems associated with Li-S batteries: the shuttle effect and the low cycle rate. By solving these two problems, a battery containing a cathode composed of sulfur-doped immobilized selenium can have a high energy density and a high power density in practical applications.

以上のように、一例では、硫黄ドープ固定化セレン系又は硫黄ドープ固定化セレン体は、以下を含む方法によって形成できる。(a)セレン、炭素、及び硫黄を混合してセレン−炭素−硫黄混合物を作る工程。(b)工程(a)の混合物をセレンの溶融温度よりも高い温度まで加熱する工程。及び、(c)工程(b)の加熱混合物を周囲温度又は室温まで冷却し、それによって硫黄ドープ固定化セレン体を作る工程。 As described above, in one example, the sulfur-doped immobilized selenium system or the sulfur-doped immobilized selenium compound can be formed by a method including the following. (A) A step of mixing selenium, carbon, and sulfur to prepare a selenium-carbon-sulfur mixture. (B) A step of heating the mixture of step (a) to a temperature higher than the melting temperature of selenium. And (c) a step of cooling the heated mixture of step (b) to ambient temperature or room temperature, thereby producing a sulfur-doped immobilized selenium compound.

工程(c)の硫黄ドープ固定化セレン体は、炭素骨格体にセレンと硫黄とを含むことができる。 The sulfur-doped immobilized selenium compound in step (c) can contain selenium and sulfur in the carbon skeleton.

工程(a)は、乾燥状態又は湿潤状態において実施できる。 Step (a) can be carried out in a dry state or a wet state.

工程(b)は、混合物を均質化又はブレンドすることを含むことができる。 Step (b) can include homogenizing or blending the mixture.

工程(a)は、セレン−炭素−硫黄混合物を体(形体)へ形成することを含むことができる。工程(b)は、セレンの溶融温度よりも高い温度までその体を加熱することを含むことができる。工程(c)は、周囲温度又は室温までその体を冷却させること又は冷却可能な状態にすることを含むことができる。 Step (a) can include forming a selenium-carbon-sulfur mixture into the body (form). Step (b) can include heating the body to a temperature higher than the melting temperature of selenium. Step (c) can include cooling the body to ambient temperature or room temperature or making it coolable.

工程(b)は、セレンと炭素と硫黄とが完全に又は部分的に反応できるだけの時間、混合物を加熱することを含むことができる。 Step (b) can include heating the mixture for such a time that selenium, carbon and sulfur can react completely or partially.

別の例では、硫黄ドープ固定化セレン系又は硫黄ドープ固定化セレン体を製造する方法は、(a)炭素骨格を形成する工程。(b)炭素骨格中にセレンと硫黄とを溶融させる工程。 In another example, the method for producing a sulfur-doped immobilized selenium system or a sulfur-doped immobilized selenium compound is (a) a step of forming a carbon skeleton. (B) A step of melting selenium and sulfur in a carbon skeleton.

別の例では、硫黄ドープ固定化セレン系又は硫黄ドープ固定化セレン体を製造する方法は、(a)セレンと炭素と硫黄とを混合する工程、及び、(b)工程(a)の後に、セレンと硫黄とを炭素に溶解させ、それによって硫黄ドープ固定化セレン系又は硫黄ドープ固定化セレン体を作る工程、を含むことができる。 In another example, the method for producing a sulfur-doped immobilized selenium system or a sulfur-doped immobilized selenium compound is, after (a) a step of mixing selenium, carbon and sulfur, and (b) step (a). The step of dissolving selenium and sulfur in carbon to form a sulfur-doped immobilized selenium system or a sulfur-doped immobilized selenium compound can be included.

セレン及び硫黄を溶解するための溶媒は、アルコール、エーテル、エステル、ケトン、炭化水素、ハロゲン化炭化水素、窒素含有化合物、リン含有化合物、硫黄含有化合物、又は水であり得る。工程(a)の前、工程(a)の間、又は工程(b)の間に、セレン、硫黄、又は炭素のうちの1種以上又は複数種に、溶媒を加えることができる。 The solvent for dissolving selenium and sulfur can be alcohol, ether, ester, ketone, hydrocarbon, halogenated hydrocarbon, nitrogen-containing compound, phosphorus-containing compound, sulfur-containing compound, or water. Before step (a), during step (a), or during step (b), the solvent can be added to one or more of selenium, sulfur, or carbon.

この方法は、(c)過剰の非固定化セレン、非固定化硫黄、又はその両方を、硫黄ドープ固定化セレン系又は硫黄ドープ固定化セレン体から除去することをさらに含むことができる。 The method can further include (c) removing excess non-immobilized selenium, non-immobilized sulfur, or both from the sulfur-doped immobilized selenium system or the sulfur-doped immobilized selenium compound.

導電性基材上に配置された硫黄ドープ固定化セレンで構成されたカソードと、導電基材と直接接触し且つ硫黄ドープ固定化セレンと接触して配置されたセパレータと、セパレータによってカソードから隔てられたアノードとを含む、二次電池も開示される。 A cathode composed of sulfur-doped immobilized selenium arranged on a conductive substrate, a separator arranged in direct contact with the conductive substrate and in contact with sulfur-doped immobilized selenium, and separated from the cathode by a separator. Secondary batteries, including the anode, are also disclosed.

二次電池は、リチウムによってセパレータから隔てられたアノードをさらに含むことができる。一例では、リチウムは、リチウム箔の形態であり得る。 The secondary battery can further include an anode separated from the separator by lithium. In one example, lithium can be in the form of a lithium foil.

二次電池は、さらに、電解液中に浸漬されたカソード、セパレータ、アノード、及び、リチウムを含むことができる。 The secondary battery can further include a cathode, a separator, an anode, and lithium immersed in the electrolyte.

二次電池において、硫黄ドープ固定化セレンは、セレンと硫黄とが炭素に溶融したセレン−炭素−硫黄混合物を含むことができる。 In a secondary battery, the sulfur-doped immobilized selenium can include a selenium-carbon-sulfur mixture in which selenium and sulfur are melted into carbon.

二次電池において、セパレータは、有機材料、無機材料、又は、固体電解質で形成されていてもよい。 In the secondary battery, the separator may be made of an organic material, an inorganic material, or a solid electrolyte.

二次電池は、≧95%のクーロン効率を有することができる。 The secondary battery can have a Coulomb efficiency of ≧ 95%.

これらの例は、添付の図面を参照して説明されている。前述の例を読んで理解すると、他の例への修正や変更が行われることとなる。従って、前述の例は、本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。 These examples are described with reference to the accompanying drawings. If you read and understand the above example, you will make modifications and changes to other examples. Therefore, the above examples should not be construed as limiting this disclosure.

Claims (41)

(a)セレンと炭素とを混合してセレン−炭素混合物を形成する工程と、
(b)工程(a)の混合物をセレンの溶融温度よりも高い温度まで加熱する工程と、
(c)工程(b)の加熱された混合物を周囲温度又は室温まで冷却することによって固定化セレン体を形成する工程と、
を含む、固定化セレン系又は固定化セレン体を製造する方法。
(A) A step of mixing selenium and carbon to form a selenium-carbon mixture, and
(B) A step of heating the mixture of the step (a) to a temperature higher than the melting temperature of selenium, and
(C) A step of forming an immobilized selenium body by cooling the heated mixture of step (b) to an ambient temperature or room temperature.
A method for producing an immobilized selenium system or an immobilized selenium body, which comprises.
工程(c)の前記固定化セレン体が、炭素骨格体中にセレンを含む、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the immobilized selenium body in the step (c) contains selenium in a carbon skeleton body. 前記炭素骨格は、圧縮下にあるSp炭素−炭素結合を含み、且つ、工程(c)の前記固定化セレンは、圧縮下にあるセレン−セレン結合を含む、請求項2に記載の方法。 The carbon skeleton, Sp 2 carbon under compression - containing carbon bond and the fixing selenium of step (c), selenium is under compression - comprising selenium binding method of claim 2. 工程(a)は、乾燥状態又は湿潤状態で実施される、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the step (a) is carried out in a dry state or a wet state. 工程(b)は、前記混合物を均質化すること又はブレンドすることをさらに含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein step (b) further comprises homogenizing or blending the mixture. 工程(a)は、前記セレン−炭素混合物を形体に形成することを含み、
工程(b)は、セレンの前記溶融温度よりも高い温度まで前記形体を加熱することを含み、
工程(c)は、周囲温度又は室温に前記形体を冷却することを含む、請求項1に記載の方法。
Step (a) involves forming the selenium-carbon mixture into a form.
Step (b) involves heating the feature to a temperature higher than the melting temperature of the selenium.
The method of claim 1, wherein step (c) comprises cooling the feature to ambient temperature or room temperature.
工程(b)は、前記セレンと前記炭素とが完全に又は部分的に反応するための十分な時間、前記混合物を加熱することを含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein step (b) comprises heating the mixture for a time sufficient for the selenium to react completely or partially with the carbon. 固定化セレン系又は固定化セレン体を製造する方法であって、
(a)炭素骨格を形成する工程と、
(b)前記炭素骨格中にセレンを溶融させる工程と、を含む方法。
A method for producing an immobilized selenium system or an immobilized selenium body.
(A) Step of forming carbon skeleton and
(B) A method including a step of melting selenium in the carbon skeleton.
セレンと炭素との混合物で構成される固定化セレン体であって、以下の少なくとも1つを含む、固定化セレン体。
(a)前記固定化セレン体からセレン粒子が離脱するための運動エネルギーは、≧9.5kJ/モルである。
(b)前記固定化セレン体からセレン粒子が離脱するための温度は、≧490℃である。
(c)前記炭素は、20オングストローム未満の細孔を含み、20オングストローム未満の前記細孔について、前記炭素は、≧400m/gの表面積を有する。
(d)前記炭素は、20オングストロームと1000オングストロームとの間の細孔を含み、20オングストロームと1000オングストロームとの間の前記細孔について、前記炭素は、総表面積の≦20%の表面積を有する。
(e)前記炭素、前記セレン、又は、その両方は、圧縮下にある。
(f)前記固定化セレン体からセレン粒子が離脱するための活性化エネルギーは、≧95kJ/モルである。
(g)前記固定化セレン体における前記セレンの衝突頻度は、≧2.5×10である。及び、
(h)50℃において、前記固定化セレン体は、≦1×10−10の速度定数を有する。
An immobilized selenium compound composed of a mixture of selenium and carbon, which comprises at least one of the following.
(A) The kinetic energy for the selenium particles to separate from the immobilized selenium body is ≧ 9.5 kJ / mol.
(B) The temperature for the selenium particles to separate from the immobilized selenium body is ≧ 490 ° C.
(C) The carbon contains pores of less than 20 angstroms, and for the pores of less than 20 angstroms, the carbon has a surface area of ≥400 m 2 / g.
(D) The carbon comprises pores between 20 angstroms and 1000 angstroms, and for the pores between 20 angstroms and 1000 angstroms, the carbon has a surface area of ≦ 20% of the total surface area.
(E) The carbon, the selenium, or both are under compression.
(F) The activation energy for the selenium particles to separate from the immobilized selenium body is ≧ 95 kJ / mol.
(G) the collision frequency of the selenium in the immobilized selenium body is ≧ 2.5 × 10 5. as well as,
(H) At 50 ° C., the immobilized selenium body has a velocity constant of ≦ 1 × 10 −10 .
前記セレンは、元素状態のセレン、化合物状態のセレン、又は、その両方である、請求項9に記載の固定化セレン体。 The immobilized selenium according to claim 9, wherein the selenium is elemental selenium, compound selenium, or both. 前記固定化セレン体は、セレン及び炭素に加えて、周期律表の第6族からの少なくとも1種の他の元素を、前記固定化セレン体の質量に対する100ppmと、前記固定化セレン体の総質量の85%との間の濃度で含む、請求項9に記載の固定化セレン体。 In addition to selenium and carbon, the immobilized selenium compound contains at least one other element from Group 6 of the periodic table at 100 ppm with respect to the mass of the immobilized selenium compound, and the total of the immobilized selenium compound. The immobilized selenium body according to claim 9, which comprises a concentration between 85% and 85% by mass. 前記セレンは、界面セレンを含み、且つ、
前記固定化セレン体の前記界面セレンからセレン粒子が離脱するための運動エネルギーは、≧660℃の温度において、≧11,635ジュール/モルである、請求項9に記載の固定化セレン体。
The selenium contains interfacial selenium and
The immobilized selenium body according to claim 9, wherein the kinetic energy for the selenium particles to separate from the interfacial selenium of the immobilized selenium body is ≧ 11,635 joules / mol at a temperature of ≧ 660 ° C.
前記固定化セレン体は、≧5%のセレンを含む、請求項9に記載の固定化セレン体。 The immobilized selenium body according to claim 9, wherein the immobilized selenium body contains ≧ 5% selenium. 前記固定化セレン体は、255±25cm−1にラマンピーク強度を有する、請求項9に記載の固定化セレン体。 The immobilized selenium body according to claim 9, wherein the immobilized selenium body has a Raman peak intensity of 255 ± 25 cm -1 . 前記固定化セレン体の前記炭素は、炭素骨格を画定し、
前記炭素骨格は、D−バンド及びG−バンドのラマンピークを伴うSp−炭素−炭素結合を有し、
前記G−バンドに対する前記D−バンドの面積比は、0.01と100との間である、請求項9に記載の固定化セレン体。
The carbon of the immobilized selenium body defines the carbon skeleton and
The carbon skeleton has a Sp 2 -carbon-carbon bond with Raman peaks in the D-band and G-band.
The immobilized selenium body according to claim 9, wherein the area ratio of the D-band to the G-band is between 0.01 and 100.
前記炭素骨格は、1365±100cm−1に位置するラマンD−バンドと、1589±100cm−1に位置するラマンG−バンドとを有する、請求項15に記載の固定化セレン体。 The carbon skeleton includes a Raman D- band located 1365 ± 100 cm -1, and a Raman G- band located 1589 ± 100 cm -1, immobilization selenium of claim 15. 固定化セレン系又は固定化セレン体を形成する方法であって、
(a)セレンと炭素とを混合する工程と、
(b)工程(a)の後に、前記セレンを前記炭素上/前記炭素中に溶解させることによって前記固定化セレン系又は前記固定化セレン体を形成する工程と、
を含む、方法。
A method of forming an immobilized selenium system or an immobilized selenium body.
(A) The step of mixing selenium and carbon,
(B) After the step (a), a step of forming the immobilized selenium system or the immobilized selenium body by dissolving the selenium on the carbon / in the carbon.
Including methods.
前記セレンを溶解させるための溶媒は、アルコール、エーテル、エステル、ケトン、炭化水素、ハロゲン化炭化水素、窒素含有化合物、リン含有化合物、硫黄含有化合物、又は、水であり、且つ、
工程(a)の前、工程(a)の間、又は、工程(b)の間に、前記溶媒を前記セレン又は前記炭素に加える、請求項17に記載の方法。
The solvent for dissolving the selenium is alcohol, ether, ester, ketone, hydrocarbon, halogenated hydrocarbon, nitrogen-containing compound, phosphorus-containing compound, sulfur-containing compound, or water, and
17. The method of claim 17, wherein the solvent is added to the selenium or carbon before, during, or during step (a).
(c)前記固定化セレン系又は前記固定化セレン体から過剰の非固定化セレンを除去する工程、
をさらに含む、請求項17に記載の方法。
(C) A step of removing excess non-immobilized selenium from the immobilized selenium system or the immobilized selenium body.
17. The method of claim 17, further comprising.
導電基材上に配置された固定化セレンで構成されたカソードと、
前記固定化セレンと直接接触して配置されたセパレータと、
アノードとを含む、二次電池。
A cathode composed of immobilized selenium placed on a conductive substrate,
A separator placed in direct contact with the immobilized selenium,
A secondary battery, including an anode.
リチウムによって前記セパレータから隔てられた前記アノードをさらに含む、請求項20に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 20, further comprising the anode separated from the separator by lithium. 電解液に浸漬された、前記カソード、前記セパレータ、前記アノード、及び、リチウムをさらに含む、請求項20に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 20, further comprising the cathode, the separator, the anode, and lithium immersed in an electrolytic solution. 前記固定化セレンは、セレン−炭素混合物を含み、前記セレンは、前記炭素中に溶融されている、請求項20に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 20, wherein the immobilized selenium contains a selenium-carbon mixture, and the selenium is melted in the carbon. 前記セパレータは、有機材料、無機材料、又は固体電解質から形成されている、請求項20に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 20, wherein the separator is made of an organic material, an inorganic material, or a solid electrolyte. 以下の少なくとも1つを含む、請求項20に記載の二次電池。
電気化学的容量が、セレンあたり≧400mAh/gである。
≧0.1Cで充電可能である。
0.1Cで5サイクル、0.2Cで5サイクル、0.5Cで5サイクル、1Cで5サイクル、2Cで5サイクル、5Cで5サイクル、及び10Cで5サイクルの充放電サイクル後に、比容量が、0.1Cの充放電サイクルレートでの2回目の放電容量の>30%である。及び、
クーロン効率が、≧50%である。
The secondary battery according to claim 20, which comprises at least one of the following.
The electrochemical capacity is ≥400 mAh / g per selenium.
It can be charged at ≧ 0.1C.
After 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, the specific capacity is ,> 30% of the second discharge capacity at a charge / discharge cycle rate of 0.1C. as well as,
The Coulomb efficiency is ≥50%.
硫黄ドープ固定化セレン系又は硫黄ドープ固定化セレン体を製造する方法であって、
(a)セレン、炭素、及び硫黄を混合して、セレン−炭素−硫黄混合物を形成する工程と、
(b)工程(a)の前記混合物をセレンの溶融温度よりも高い温度まで加熱する工程と、
(c)工程(b)の加熱された混合物を周囲温度又は室温まで冷却することによって、硫黄ドープ固定化セレン体を形成する工程と、
を含む、方法。
A method for producing a sulfur-doped immobilized selenium system or a sulfur-doped immobilized selenium compound.
(A) A step of mixing selenium, carbon, and sulfur to form a selenium-carbon-sulfur mixture, and
(B) A step of heating the mixture in step (a) to a temperature higher than the melting temperature of selenium, and
(C) A step of forming a sulfur-doped immobilized selenium body by cooling the heated mixture of step (b) to an ambient temperature or room temperature.
Including methods.
工程(c)の前記硫黄ドープ固定化セレン体が、炭素骨格体中にセレンと硫黄とを含む、請求項26に記載の方法。 26. The method of claim 26, wherein the sulfur-doped immobilized selenium in step (c) contains selenium and sulfur in a carbon skeleton. 工程(a)を、乾燥状態又は湿潤状態の下で実施する、請求項26に記載の方法。 26. The method of claim 26, wherein step (a) is performed under a dry or wet condition. 工程(b)は、前記混合物を均質化すること又はブレンドすることをさらに含む、請求項26に記載の方法。 26. The method of claim 26, wherein step (b) further comprises homogenizing or blending the mixture. 工程(a)は、前記セレン−炭素−硫黄混合物を形体へ形成することを含み、
工程(b)は、セレンの溶融温度よりも高い温度まで前記形体を加熱することを含み、且つ、
工程(c)は、前記形体を周囲温度又は室温まで冷却することを含む、請求項26に記載の方法。
Step (a) involves forming the selenium-carbon-sulfur mixture into a form.
Step (b) includes heating the feature to a temperature higher than the melting temperature of selenium, and
26. The method of claim 26, wherein step (c) comprises cooling the feature to ambient temperature or room temperature.
工程(b)は、前記セレンと前記炭素と前記硫黄とが完全に又は部分的に反応するための十分な時間、前記混合物を加熱することを含む、請求項26に記載の方法。 26. The method of claim 26, wherein step (b) comprises heating the mixture for a time sufficient for the selenium, the carbon and the sulfur to react completely or partially. 硫黄ドープ固定化セレン系又は硫黄ドープ固定化セレン体を製造する方法であって、
(a)炭素骨格を形成する工程と、
(b)前記炭素骨格中にセレンと硫黄とを溶融させる工程と、
を含む、方法。
A method for producing a sulfur-doped immobilized selenium system or a sulfur-doped immobilized selenium compound.
(A) Step of forming carbon skeleton and
(B) A step of melting selenium and sulfur in the carbon skeleton,
Including methods.
硫黄ドープ固定化セレン系又は硫黄ドープ固定化セレン体を形成する方法であって、
(a)セレンと炭素と硫黄とを混合する工程と、
(b)工程(a)の後に、前記セレン及び前記硫黄を炭素上/炭素中に溶解させることによって、前記硫黄ドープ固定化セレン系又は前記硫黄ドープ固定化セレン体を形成する工程と、
を含む、方法。
A method for forming a sulfur-doped immobilized selenium system or a sulfur-doped immobilized selenium compound.
(A) The process of mixing selenium, carbon and sulfur,
(B) After the step (a), the step of forming the sulfur-doped immobilized selenium system or the sulfur-doped immobilized selenium body by dissolving the selenium and the sulfur in carbon / carbon.
Including methods.
前記セレン及び前記硫黄を溶解させるための溶媒は、アルコール、エーテル、エステル、ケトン、炭化水素、ハロゲン化炭化水素、窒素含有化合物、リン含有化合物、硫黄含有化合物、又は、水であり、且つ、
工程(a)の前、工程(a)の間、又は、工程(b)の間に、前記セレン、前記硫黄、又は前記炭素の1種又は複数種に、前記溶媒を加える、請求項33に記載の方法。
The solvent for dissolving the selenium and the sulfur is alcohol, ether, ester, ketone, hydrocarbon, halogenated hydrocarbon, nitrogen-containing compound, phosphorus-containing compound, sulfur-containing compound, or water, and
33. The solvent is added to one or more of the selenium, the sulfur, or the carbon before the step (a), during the step (a), or during the step (b). The method described.
(c)前記硫黄ドープ固定化セレン系又は前記硫黄ドープ固定化セレン体から、過剰の非固定化セレン、非固定化硫黄、又はその両方を除去する工程をさらに含む、請求項33に記載の方法。 (C) The method according to claim 33, further comprising a step of removing excess unimmobilized selenium, unimmobilized sulfur, or both from the sulfur-doped immobilized selenium system or the sulfur-doped immobilized selenium compound. .. 導電基材上に配置された硫黄ドープ固定化セレンで構成されたカソードと、
前記硫黄ドープ固定化セレンと直接接触して配置されたセパレータと、
前記セパレータによって前記カソードから隔てられたアノードと、を含む、二次電池。
A cathode composed of sulfur-doped immobilized selenium placed on a conductive substrate,
A separator placed in direct contact with the sulfur-doped immobilized selenium,
A secondary battery comprising an anode separated from the cathode by the separator.
リチウムによって前記セパレータから隔てられた前記アノードをさらに含む、請求項36に記載の二次電池。 36. The secondary battery of claim 36, further comprising the anode separated from the separator by lithium. 電解液に浸漬された、前記カソード、前記セパレータ、前記アノード、及びリチウムをさらに含む、請求項36に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 36, further comprising the cathode, the separator, the anode, and lithium immersed in an electrolytic solution. 前記硫黄ドープ固定化セレンは、前記セレンと前記硫黄とが前記炭素中に溶融したセレン−炭素−硫黄混合物を含む、請求項36に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 36, wherein the sulfur-doped immobilized selenium contains a selenium-carbon-sulfur mixture in which the selenium and the sulfur are melted in the carbon. 前記セパレータは、有機材料、無機材料、又は固体電解質から形成されている、請求項36に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 36, wherein the separator is made of an organic material, an inorganic material, or a solid electrolyte. ≧95%のクーロン効率を含む、請求項36に記載の二次電池。 The secondary battery of claim 36, comprising a Coulombic efficiency of ≧ 95%.
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