表面功能化碳质颗粒、其制备方法和应用技术

本申请涉及表面功能化碳质颗粒、其制备方法和应用。本公开涉及可选地以附聚形式的表面官能化碳质颗粒，制备这种表面官能化碳质颗粒的方法及其用途，例如，用作电池电极中的导电添加剂。该表面官能化碳质颗粒，例如，能够通过研磨非石墨碳材料，接着进行通过受控氧化的后续官能化而获得。该表面官能化碳质颗粒能够用作电池电极中的添加剂。本公开还涉及这种碳质材料在液体介质中的分散体及其作为导电涂层的用途等。还公开了填充有该表面官能化碳质颗粒的聚合物化合物。粒的聚合物化合物。粒的聚合物化合物。

【技术实现步骤摘要】
表面功能化碳质颗粒、其制备方法和应用
[0001]本申请是申请日为2019年6月27日的题为“表面功能化碳质颗粒、其制备方法和应用”的中国专利申请201980043392.0的分案申请。


[0002]本公开涉及表面官能化碳颗粒(surface
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functionalized carbonaceous particles)及其制备方法和用途，例如，在各种应用中作为导电添加剂的用途。

技术介绍

[0003]导电碳颗粒通常用作填料以增强电化学系统的聚合物、陶瓷、涂层和电极中的导电性。例如，碳导电添加剂用于各种一次和二次电池，比如碱性锌/锰二氧化物电池、锌碳电池、一次锂电池和可反复充电锂电池、镍镉电池、铅酸电池和镍金属氢化物电池、锂硫电池、锂空气电池、采用像锌或铁的金属的金属空气电池、燃料电池以及电容器系统。
[0004]导电添加剂施加于电化学电池的电极中以降低电极电阻。碳粉材料由于其重量轻且对酸性和碱性电解质呈惰性，则经常被选作导电添加剂。导电添加剂对电极的电化学过程没有贡献，这意味着为了电池的高能量密度，导电添加剂的施加量最小化是合乎需要的。所用的典型碳导电添加剂是细石墨粉和导电碳黑(参见例如，ME Spahr，Lithium
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ion Batteries
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Science and Technology，M.Yoshio,R.J.Brodd,A.Kozawa(Eds.),Springer,New York,2009，Chapter 5)。
[0005]例如，当铅酸电池在高速率部分充电状态(HRPSoC)模式下工作时，这正如在混合动力电动汽车的用途中施加的情况下，向铅酸电池的负极中添加少量导电碳会导致循环寿命改善(例如，参见K.Nakamura,M.Shiomi,K.Takahashi,M.Tsubota,Journal of Power Sources 59(1996)153,M.Shiomi,T.Funato,K.Nakamura,K.Takahashi,M.Tsubota,Journal of Power Sources,64(1997),147和D.Pavlov,P.Nikolov,T.Rogachev Journal of Power Sources196(2011)5155
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5167)。当铅酸电池在部分充电状态(PSoC)下运行时，不可逆形成硫酸铅(“硫酸化效应”)会导致电池循环寿命显著降低(例如，参见D.Pavlov,Lead
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Acid Batteries
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Science and Technology,Elsevier 2011,Chapter 1,pp.23
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26)。另外，已知通过将碳添加剂插入电极结构中而产生的电极表面增大，在将由制动能量产生的电充电到铅酸电池中时，会导致需要增加铅酸电池的充电接受度(charge acceptance)。据信，增加的电极表面积会产生超级电容器效应，这解释了以较高电流速率对电极充电的能力。因此，对碳的要求是高电导率以及将碳浸入铅盐溶液时的高铅吸收量。所引入的铅在铅酸电化学电池的第一电化学充电过程期间形成用于铅沉积的核(D.Cericola，M.Spahr，Journal of Power Sources 324(2016)，41
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44)。
[0006]除了使用碳添加剂外，已知在本领域中还使用改性的格栅设计，用硫酸电解质浸饱的玻璃纤维垫，例如，在阀控式铅酸电池(VRLAB)中，和/或改性的电解质组合物作为改善常规启动、照明、点火(SLI)铅酸电池并使其对于较低充电状态(SOC)运行模式有用的其他方式(例如，D.Pavlov,Lead
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Acid Batteries
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Science and Technology,Elsevier 2011,
Chapter 7)。这些先进的铅酸电池在浅高速率放电操作下获得的电池特性使其成为微度和轻度混合动力电动汽车的理想候选者。
[0007]据证实，向负极中添加石墨、膨胀石墨、活性碳和碳黑主要通过降低硫酸化作用而导致铅酸电池的循环寿命改善。
[0008]已经提出了几种假设来解释负极中碳效应的机理。文献(P.T.Moseley,Journal of Power Sources 191(2010)134
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138和D.P.Boden,D.V.Loosemore,M.A.Spence,T.D.Wojcinski,Journal of Power Sources,195(2010)4470
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4493)中已经总结了广谱碳的影响的研究。最近证实，碳应该对铅具有高亲和力，从而能在负极中形成碳
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铅骨架，同时在新组装电池的第一次充电中进行的电极形成期间实现镀铅(D.Pavlov,P.Nikolov,T.Rogachev,Journal of Power Sources 196(2011)5155
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5167)。这种碳
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铅骨架增加了表面积，并且另外该碳还为电极提供了额外的超级电容器效应，这两者都为增加充电接受能力提供了可能的解释。
[0009]除了导电性能之外，导电添加剂还对电极结构和孔隙率有影响。例如，电极的电解质渗透会受到电极结构和孔隙率的影响，这会影响电极的离子电阻率(例如，参见M.E.Spahr,Lithium
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ion Batteries
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Science and Technology,M.Yoshio,R.J.Brodd,A.Kozawa(Eds.),Springer,New York,2009,Chapter 5)。
[0010]锂硫电池的正极包含与粘结剂材料和一种或多种碳组分混合的硫。碳提供了导电性，并且另外，当通过形成放电产物而降低正极硫含量时，碳据信还能确保电池放电期间的电极尺寸稳定性(例如，参见Xiong,Shizhao；Hong,Xiaobin；Xie,Kai；Rong,Lixia,Huagong Jinzhan(2011),30(5),991
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996和Yao,Zhen
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Dong；Wei,Wei；Wang,Jiu
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Lin；Yang,Jun；Nuli,Yan
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Na,Wuli Huaxue Xuebao(2011),27(5),1005
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1016)。
[0011]此外，包含于燃料电池堆或金属空气电池中的带有空气电极的电化学电池在正空气电极中可能需要含碳材料。据信，碳材料充当金属或金属氧化物催化剂的载体，并且还产生向电极提供尺寸稳定性的结构。为了用于空气电极，要求碳载体表现出对空气或氧气的高耐腐蚀性，因为不能如此而为被认为会限制电池的耐用性(例如，参见S.Sarangapani,本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.表面官能化碳质颗粒，具有：小于14nm，或小于12nm，或小于10nm的晶体尺寸L
c
；和大于0.6wt％，或大于0.8wt％，或大于1wt％的氧含量；其中包含所述表面官能化碳质颗粒的水性分散体的pH低于5.5，或低于5.3，或低于5.1，或低于5.0；可选地，其中所述表面官能化碳质颗粒进一步特征在于：i)大于100m2/g的BET表面积；和/或ii)小于500ml/100克或小于400ml/100克或小于300ml/100克的吸油量OA；和/或iii)小于2mL/g或小于1.8mL/g的颗粒内孔体积；和/或iv)小于3mL/g或小于2.5mL/g的总孔体积；和/或v)大于2800ppm的铅吸收量。2.根据权利要求1所述的表面官能化碳质颗粒，其进一步特征在于：i)BET SSA为100m2/g
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500m2/g；和/或ii)二甲苯密度为1.65g/cm3‑
2.1g/cm3；或1.85g/cm3‑
2.00g/cm3；或1.95g/cm3‑
2.00g/cm3；和/或iii)吸油量OA为70ml/100g
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300ml/100g；和/或iv)铅吸收量为2500ppm
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40000ppm；和/或v)在低于580℃或低于570℃的起始温度下，通过热重分析TGA，5wt％质量损失。3.根据权利要求1或2所述的表面官能化碳质颗粒，其进一步特征在于粒度分布PSD为i)粒度分布PSD具有1.0μm
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8.0μm，可选地1.0μm
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5.0μm的D
50
值；和/或ii)粒度分布PSD具有12μm
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70μm，可选地15μm
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【专利技术属性】
技术研发人员：达里奥，
申请(专利权)人：伊梅科技，
类型：发明
国别省市：