【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于生产硫-宿主复合材料的设备；一种生产硫-宿主复合材料的方法，特别是生产具有准球形形状的硫-宿主复合材料的方法；涉及一种核-壳硫-宿主复合材料微米颗粒/纳米颗粒；以及涉及一种使用所述硫-宿主复合材料形成电极的方法。
技术介绍
1、对以碳基材料为宿主针对元素硫的复合物进行热处理是生产碳-硫复合物的一种广泛使用的合成技术。该合成技术因其低成本和可扩展性以及硫因其高理论容量在电池电极成分中的有用性而受到欢迎。
2、然而，与电池中使用硫基电极相关的问题是硫可能溶解在电解质中，从而导致电池寿命缩短。为了克服这一问题，已经使用硫-宿主复合材料，其中硫与宿主材料形成共价键(或其他强键)，从而防止硫溶解。
3、然而，仍然存在对提供改进的能量密度和其他电化学性能的硫-宿主复合材料的需求。
技术实现思路
1、本专利技术人惊奇地发现，本文描述的设备和方法使得能够制备具有改善性能的硫-宿主材料。
2、本专利技术提供了一种适于生产硫-宿主复合材料的设备，所述设备包括：
3、螺杆挤出机，所述螺杆挤出机包括一个或多个加热区，每个所述加热区包括加热元件；
4、用于向螺杆挤出机提供惰性气氛或真空的供给装置或设备；和
5、雾化器，所述雾化器被配置成接收来自螺杆挤出机的熔融流并且将该熔融流雾化成雾化流，
6、其中，螺杆挤出机被配置成在使用时产生包括熔融硫和固体颗粒状宿主材料的熔融流。
7、有利地，使用雾化
8、·由准球形颗粒形成的电极具有更大的孔隙体积和更大的表面积，从而允许所得电极中的硫利用率高。这通过允许电解质接近活性硫材料的更大表面积来提高离子导电性，从而提高能量密度和倍率性能；
9、·准球形的形式有助于通过对宿主材料的亲和力增强了多硫化物在球形基质内的固定和转化动力学。这帮助延迟或避免多硫化物穿梭，多硫化物穿梭是与硫电极材料的电化学循环相关的最大问题之一。
10、·准球形的形式提供了足够的空间来适应在硫电极材料的电化学循环过程中必要的体积膨胀。
11、本专利技术还提供了一种成形硫-宿主复合材料的准球形颗粒的方法，所述方法包括如下步骤：
12、(i)向螺杆挤出机提供颗粒状宿主材料和元素硫；
13、(ii)在螺杆挤出机中在115℃至450℃的温度下混合颗粒状宿主材料和元素硫，以产生包括熔融硫和固体颗粒状宿主材料的流；
14、(iii)使包括熔融硫和固体颗粒状宿主材料的流行进通过雾化器以形成雾化流，所述雾化流包括由被熔融硫包围的固体颗粒状宿主材料所形成的多个颗粒；和
15、(iv)冷却雾化流以形成固体颗粒，所述固体颗粒包括颗粒状宿主材料核和由元素硫形成的壳，所述固体颗粒具有准球形形状。
16、本专利技术还提供了一种核-壳微米颗粒或纳米颗粒，所述核-壳微米颗粒或纳米颗粒包括：
17、由宿主材料形成的核；和
18、由元素硫形成的壳，
19、其中核-壳微米颗粒或纳米颗粒具有准球形形状。
20、本专利技术还提供了一种用于形成电极的方法，所述方法包括以下步骤：
21、(i)向螺杆挤出机提供颗粒状宿主材料和元素硫；
22、(ii)在螺杆挤出机中在115℃至450℃的温度下混合颗粒状宿主材料和元素硫，以产生包括熔融硫和固体颗粒状宿主材料的流；
23、(iii)将包括熔融硫和固体颗粒状宿主材料的流冷却至115℃至135℃的温度；和
24、(iv)挤出来自步骤(iii)的冷却流，以形成自立式电极。
25、本专利技术的设备和方法允许以高产率和低加工成本来连续生产硫-宿主复合材料。
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1.一种适于生产硫-宿主复合材料的设备，所述设备包括：
2.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括：
3.根据权利要求2所述的设备，所述设备还包括连接到所述固化室的气体再循环和固体分离系统，所述气体再循环和固体分离系统包括：
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述气体再循环和固体分离系统和所述固化室共同形成循环流体流路，所述循环流体流路包括：
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述一个或多个附加固气分离器包括两个附加固气分离器。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的设备，其中，所述一个或多个附加固气分离器包括选自由下述器件组成的组的固气分离器：旋风分离器、静电分离器、和包括一个或多个过滤器和捕集器的系统。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的设备，其中，所述气体入口被配置成沿着与离开所述雾化器的所述雾化流的流动基本上相反的方向提供冷却气体流。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的设备，其中，所述固化室由耐腐蚀材料形成，所述耐腐蚀材料诸如选自由下述材料组成的组的耐腐蚀材料：耐腐蚀金属(例如，不
9.根据权利要求2至8中任一项所述的设备，其中，所述固化室包括内部涂层，所述内部涂层具有：
10.根据权利要求2至9中任一项所述的设备，所述设备还包括围绕所述固化室的冷却套，所述冷却套被配置成冷却所述固化室。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述雾化器选自由下述器件组成的组中的一种或多种：旋转雾化器、压力喷嘴、超声雾化器、或更具体的双流体气动喷嘴。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备还包括用于监测所述雾化器、固化室和/或所述气体再循环和固体分离系统的温度的一个或多个热电偶。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述螺杆挤出机包括位于所述一个或多个加热区下游的一个或多个冷却区，每个所述冷却区包括冷却元件。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述用于提供惰性气氛或真空的供给装置包括以下器件中的任一者：
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备还包括位于所述螺杆挤出机上游的调节室，所述调节室被配置成混合、研磨或以其他方式处理进料。
16.一种用于成形硫-宿主复合材料的准球形颗粒的方法，所述方法包括如下步骤：
17.根据权利要求16所述的方法，其中，包括颗粒状宿主材料核和由元素硫形成的壳的所述固体颗粒是微米颗粒或纳米颗粒。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，在130℃至250℃的温度下实施步骤(ii)，优选地在150℃至180℃的温度下实施步骤(ii)。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，所述方法包括：
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中，所述颗粒状宿主材料选自由以下材料组成的组中的一种或多种：铁、锌、锰、钛、钨、钼、铬、铜、锡、碲、钆、锗、镥、钴、锑、钌、铌、钒、锆、硅、磷、碳、硼、铝、镁、钙、它们的氧化物以及导电性聚合物，
21.根据权利要求16至20中任一项所述的方法，其中，向所述螺杆挤出机提供的宿主材料与元素硫的比率介于3:7至1:99之间，可选地介于1:4至3:97之间，诸如介于3:17至1:19之间。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其中，在固化室中实施步骤(iv)，并且其中，所述螺杆挤出机、雾化器和固化室是根据权利要求1至15中任一项所述的设备的一部分。
23.一种核-壳微米颗粒或纳米颗粒，所述核-壳微米颗粒或纳米颗粒包括：
24.根据权利要求23所述的核-壳微米颗粒或纳米颗粒，其中，所述颗粒状宿主材料选自由下述材料组成的组中的一种或多种：铁、锌、锰、钛、钨、钼、铬、铜、锡、碲、钆、锗、镥、钴、锑、钌、铌、钒、锆、硅、磷、碳、硼、铝、镁、钙、它们的氧化物以及导电性聚合物，
25.根据权利要求24或25所述的核-壳微米颗粒或纳米颗粒，其中，所述核-壳微米颗粒或纳米颗粒是根据权利要求16至22中任一项所述的方法制备而成。
26.一种电极，所述电极包括根据权利要求23至25中任一项所述的核-壳微米颗粒或纳米颗粒。
27.一种形成电极的方法，所述方法包括以下步骤：
28.根据权利要求27所述的方法，其中...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种适于生产硫-宿主复合材料的设备，所述设备包括：
2.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括：
3.根据权利要求2所述的设备，所述设备还包括连接到所述固化室的气体再循环和固体分离系统，所述气体再循环和固体分离系统包括：
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述气体再循环和固体分离系统和所述固化室共同形成循环流体流路，所述循环流体流路包括：
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述一个或多个附加固气分离器包括两个附加固气分离器。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的设备，其中，所述一个或多个附加固气分离器包括选自由下述器件组成的组的固气分离器：旋风分离器、静电分离器、和包括一个或多个过滤器和捕集器的系统。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的设备，其中，所述气体入口被配置成沿着与离开所述雾化器的所述雾化流的流动基本上相反的方向提供冷却气体流。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的设备，其中，所述固化室由耐腐蚀材料形成，所述耐腐蚀材料诸如选自由下述材料组成的组的耐腐蚀材料：耐腐蚀金属(例如，不锈钢)、陶瓷(例如，玻璃陶瓷、玻璃、瓷)、聚合物、聚合物复合材料(例如，玻璃纤维)及它们的组合(例如，金属和陶瓷的组合，诸如由金属和陶瓷形成的单独区域、涂有陶瓷的金属和涂有金属的陶瓷)。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的设备，其中，所述固化室包括内部涂层，所述内部涂层具有：
10.根据权利要求2至9中任一项所述的设备，所述设备还包括围绕所述固化室的冷却套，所述冷却套被配置成冷却所述固化室。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述雾化器选自由下述器件组成的组中的一种或多种：旋转雾化器、压力喷嘴、超声雾化器、或更具体的双流体气动喷嘴。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备还包括用于监测所述雾化器、固化室和/或所述气体再循环和固体分离系统的温度的一个或多个热电偶。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述螺杆挤出机包括位于所述一个或多个加热区下游的一个或多个冷却区，每个所述冷却区包括冷却元件。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述用于提供惰性气氛或真空的供给装置包括以下器件中的任一者：
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备还包括位于所述螺杆挤出机上游的调节室，所述调节室被配置成混合、研磨或以其他方式处理进料。
16.一种用于成形硫-宿主复合材料的准球形颗粒的方法，所述方法包括如下步骤：
17.根据权利要求16所述的方法，其中，包括颗粒状宿主材料核和由元素硫...
【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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