【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
专利
本专利技术涉及硫电池的领域并且特别涉及具有增强性能的硫修饰的碳纳米材料的形成和用途。本专利技术还涉及所述材料作为硫基电池的阴极和阳极中的活性材料的用途以及形成所述材料的方法。
技术介绍
1、本说明书中对先前发表文献的列举或讨论不应被认为是承认该文献是现有技术的一部分或者是公知常识。
2、锂离子电池是重要的可再充电能量储存设备，其通常用于许多电子设备中。考虑到例如智能电话和膝上型电脑的便携式设备的高拥有度和使用率，对可再充电电池的需求已经极大地增长。这种增长由于混合式和全电池式电动交通工具的出现而加速，该需求推动电池具有更高能量密度和更低成本。正如将理解的，能量密度和成本是影响新电池技术是否可进入与便携式电子设备、电网能量储存和电动运输相关的市场的最重要因素。
3、有前景的能量储存设备的一个实例是硫电池。在硫电池中，锂-硫(li-s)电池是最值得注意的，其使用低成本的阴极材料(与例如镍-锰-钴nmc相比)并提供高放电容量。事实上，li-s电池具有比常规锂离子电池(nmc811:石墨，nmc的730w h kg-1)更高的理论能量密度(s:li金属，s的3517.5w h kg-1)，这使得该技术成为对更便携式能量的日益增长需要的可能解决方案。然而，由于若干技术挑战诸如电芯中低的单位面积硫负载量和阴极材料中低的硫分数，li-s电池尚未实现该技术有能力具有的能量密度。使用含有具有硫材料的阴极的电芯的另一显著缺点是多硫化物从阴极向电芯余部的溶解和扩散，这经常导致诸如高自放电倍率和容量损失的问题。>
4、鉴于以上，仍然需要开发新的电极材料来解决与硫电池技术相关的上述问题中的一个或多个。更重要地，这样的材料需要提供高能量密度、电流倍率和循环稳定性。另外，这些材料的制备必须能够扩大规模。
技术实现思路
0、专利技术概述
1、现在将参考以下编号条款来描述本专利技术的方面和实施方案。
2、1.一种纳米颗粒材料，其包含：
3、具有多个活性位点的碳纳米材料；和
4、与碳纳米材料的多个活性位点连接的硫，
5、其中
6、当使用chns元素分析和热重分析之一或两者测量时，硫形成组成的50重量％至99重量％。
7、2.根据条款1的纳米颗粒材料，其中碳纳米材料选自于由以下构成的组中的一种或多种：碳纳米管、碳纳米纤维、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、纳米石墨、炭黑、乙炔黑、热解炭黑、介孔碳、碳量子点、和石墨烯量子点。
8、3.根据条款2的纳米颗粒材料，其中碳纳米材料是石墨烯和/或炭黑。
9、4.根据条款3的纳米颗粒材料，其中石墨烯为石墨烯纳米片的形式并且炭黑为科琴黑的形式。
10、5.根据前述条款中任一项的纳米颗粒材料，其中纳米颗粒材料还可包含与碳纳米材料结合的卤素原子。
11、6.根据前述条款中任一项的纳米颗粒材料，其中纳米颗粒材料还可包含与多个活性位点的第一部分连接的卤素原子。
12、7.根据条款5或条款6的纳米颗粒材料，其中卤素原子选自于由以下构成的组中的一种或多种：f、cl、br和i，任选地其中卤素原子选自于由以下构成的组中的一种或多种：f、cl和br(例如卤素原子是f)。
13、8.根据前述条款中任一项的纳米颗粒材料，其中当使用chns元素分析或热重分析之一或两者测量时，硫形成组成的50至97重量％。
14、9.根据条款8的纳米颗粒材料，其中当使用chns元素分析或热重分析之一或两者测量时，硫含量为组成的70至96重量％。
15、10.根据条款9的纳米颗粒材料，其中当使用chns元素分析或热重分析之一或两者测量时，硫含量为组成的85至95重量％，例如88至94重量％。
16、11.根据前述条款中任一项的纳米颗粒材料，其中至少部分的硫与碳纳米材料的多个活性位点的第二部分共价结合。
17、12.根据前述条款中任一项的纳米颗粒材料，其中多个活性位点是选自于由以下构成的组中的一种或多种活性位点：表面、边缘、缺陷(例如孔隙)和中间层。
18、13.根据前述条款中任一项的纳米颗粒材料，其中第一部分的硫与碳纳米材料静电结合(离子地/范德华)并且第二部分的硫共价结合。
19、14.一种硫电池，其包含：
20、阴极，该阴极包含如条款1至13中任一项中所述的纳米颗粒材料；
21、阳极；
22、电解质；和
23、分隔体，任选地其中所述阳极包含具有相对于li低于1.4v的电化学氧化还原电势的活性材料。
24、15.根据条款14的硫电池，其中所述阳极可选自于由以下构成的组中的一种或多种：si、li、na、mg、al、ca、石墨。
25、16.一种硫电池，其包含：
26、阳极，该阳极包含如条款1至13中任一项中所述的纳米颗粒材料；
27、阴极；
28、电解质；和
29、分隔体，任选地其中所述阴极包含具有相对li高于2.6v的电化学氧化还原电势的活性材料。
30、17.根据条款16的硫电池，其中所述阴极选自limn2o4、linimn2o4、linimncoo2、licoo2、lifepo4。
31、18.根据条款14至17中任一项的硫电池，其中该硫电池的比能量密度为600至3600wh/kg的硫，具有的总硫质量负载量为1至30mg cm-2(例如1至20mg cm-2)。
32、19.根据条款18的硫电池，其中该硫电池的比能量密度在0.05c的电流倍率下为2210至2883wh/kg硫，在2cm2的电极面积上具有3.5至7mg的硫质量负载量，任选地其中该硫电池的比能量密度为2257wh/kg硫，具有3.5mg的硫质量负载量。
33、20.制备根据条款1至13中任一项的纳米颗粒材料的方法，其中该方法包括以下步骤：
34、(a)提供碳纳米材料并将它们分散到包含水、非离子表面活性剂和金属硫代硫酸盐的溶液中从而形成前体溶液；和
35、(b)向所述前体溶液中添加硫酸水溶液并允许反应一段时间从而形成纳米颗粒材料。
36、21.根据条款20的方法，其中硫酸水溶液具有0.1至1.0m、例如0.3m的浓度。
37、22.根据条款20或条款21的方法，其中以1:1至1:10的与所述前体溶液相比的体积与体积比率提供硫酸水溶液，例如1:2至1:5，例如3:4至3:5。
38、23.根据条款20至22中任一项的方法，其中所述碳纳米材料是非卤化的或卤化的，任选地其中卤化是与f、br、cl或i中的一种或多种，例如f、br或cl中的一种或多种，例如f。
39、24.根据条款23的方法，其中通过以下步骤形成卤化的碳纳米材料：
40、(a)超声处理碳纳米材料在水中的分散体从而形成碳纳米材料悬浮液；和...
【技术保护点】
1.一种纳米颗粒材料，其包含：
2.根据权利要求1所述的纳米颗粒材料，其中所述碳纳米材料选自于由以下构成的组中的一种或多种：碳纳米管、碳纳米纤维、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、纳米石墨、炭黑、乙炔黑、热解炭黑、介孔碳、碳量子点、和石墨烯量子点。
3.根据权利要求2所述的纳米颗粒材料，其中所述碳纳米材料是石墨烯和/或炭黑。
4.根据权利要求3所述的纳米颗粒材料，其中所述石墨烯为石墨烯纳米片的形式并且所述炭黑为科琴黑的形式。
5.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒材料，其中所述纳米颗粒材料还可包含与所述碳纳米材料结合的卤素原子。
6.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒材料，其中所述纳米颗粒材料还包含与所述多个活性位点的第一部分连接的卤素原子。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的纳米颗粒材料，其中卤素原子选自于由以下构成的组中的一种或多种：F、Cl、Br和I，任选地其中卤素原子选自于由以下构成的组中的一种或多种：F、Cl和Br(例如卤素原子是F)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒材料
9.根据权利要求8所述的纳米颗粒材料，其中当使用CHNS元素分析或热重分析之一或两者测量时，硫含量为组成的70至96重量％。
10.根据权利要求9所述的纳米颗粒材料，其中当使用CHNS元素分析或热重分析之一或两者测量时，硫含量为组成的85至95重量％，例如88至94重量％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒材料，其中至少部分的硫与所述碳纳米材料的多个活性位点的第二部分共价结合。
12.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒材料，其中所述多个活性位点是选自于由以下构成的组中的一种或多种活性位点：表面、边缘、缺陷(例如孔隙)和中间层。
13.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒材料，其中第一部分的硫与碳纳米材料静电结合(离子地/范德华)并且第二部分的硫共价结合。
14.一种硫电池，其包含：
15.根据权利要求14所述的金属硫电池，其中所述阳极选自于由以下构成的组中的一种或多种：Si、Li、Na、Mg、Al、Ca、石墨。
16.一种硫电池，其包含：
17.根据权利要求16所述的硫电池，其中所述阴极选自于由以下构成的组中的一种或多种：LiMn2O4、LiNiMn2O4、LiNiMnCoO2、LiCoO2和LiFePO4。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的硫电池，其中金属-硫电池的比能量密度为600至3600Wh/kg硫，具有的总硫质量负载量为1至30mg cm-2，例如1至20mg cm-2。
19.根据权利要求18所述的硫电池，其中该硫电池的比能量密度在0.05C的电流倍率下为2210至2883Wh/kg硫，在2cm2的电极面积上具有3.5至7mg的硫质量负载量，任选地其中该硫电池的比能量密度为2257Wh/kg硫，在2cm2的电极面积上具有3.5mg的硫质量负载量。
20.制备根据权利要求1至13中任一项的纳米颗粒材料的方法，其中该方法包括以下步骤：
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述硫酸水溶液具有0.1至1.0M的浓度，例如0.3M。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中以1:1至1:10的与所述前体溶液相比的体积与体积比率提供硫酸水溶液，例如1:2至1:5，例如3:4至3:5。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，其中所述碳纳米材料是非卤化的或卤化的，任选地其中卤化是与F、Br、Cl或I中的一种或多种，例如F、Br或Cl中的一种或多种，例如F。
24.根据权利要求23所述的方法，其中通过以下步骤形成卤化的碳纳米材料：
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种纳米颗粒材料，其包含：
2.根据权利要求1所述的纳米颗粒材料，其中所述碳纳米材料选自于由以下构成的组中的一种或多种：碳纳米管、碳纳米纤维、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、纳米石墨、炭黑、乙炔黑、热解炭黑、介孔碳、碳量子点、和石墨烯量子点。
3.根据权利要求2所述的纳米颗粒材料，其中所述碳纳米材料是石墨烯和/或炭黑。
4.根据权利要求3所述的纳米颗粒材料，其中所述石墨烯为石墨烯纳米片的形式并且所述炭黑为科琴黑的形式。
5.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒材料，其中所述纳米颗粒材料还可包含与所述碳纳米材料结合的卤素原子。
6.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒材料，其中所述纳米颗粒材料还包含与所述多个活性位点的第一部分连接的卤素原子。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的纳米颗粒材料，其中卤素原子选自于由以下构成的组中的一种或多种：f、cl、br和i，任选地其中卤素原子选自于由以下构成的组中的一种或多种：f、cl和br(例如卤素原子是f)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒材料，其中当使用chns元素分析或热重分析之一或两者测量时，硫形成组成的50至97重量％。
9.根据权利要求8所述的纳米颗粒材料，其中当使用chns元素分析或热重分析之一或两者测量时，硫含量为组成的70至96重量％。
10.根据权利要求9所述的纳米颗粒材料，其中当使用chns元素分析或热重分析之一或两者测量时，硫含量为组成的85至95重量％，例如88至94重量％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒材料，其中至少部分的硫与所述碳纳米材料的多个活性位点的第二部分共价结合。
12.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒材料，其中所述多个活性位点是选自于由以下构成的组中的一种或多种活性位点：表面、边缘、缺陷(例如孔隙)和中间层。
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【专利技术属性】
技术研发人员：塞尔吉奥·格拉涅罗·埃切弗里加雷，维韦克·奈尔，安东尼奥埃利奥卡斯特罗内托，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：
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