【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】
本公開涉及硫陰極以及并入所述硫陰極的鋰硫電池。硫陰極含有經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維，所述經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維表現(xiàn)出高表面電荷。
技術(shù)介紹
1、與鋰離子(li離子)電池技術(shù)相比，鋰硫(li-s)電池提供了許多潛在優(yōu)點(diǎn)，包括重量能量密度改進(jìn)、原材料成本由于硫的成本比li離子系統(tǒng)中采用的過渡金屬的成本低而降低以及電池單元材料的環(huán)境影響減小。
2、然而，可行的li-s電池的生產(chǎn)一直受到許多問題阻礙，包括硫的固有絕緣特性、所謂的多硫化物“穿梭效應(yīng)”以及硫陰極在操作期間的體積膨脹，在所述穿梭效應(yīng)中，多硫化物溶解在電解質(zhì)中導(dǎo)致硫從陰極中丟失。
3、因此，仍然需要提供解決這些問題中的一個(gè)或多個(gè)問題的硫陰極。本公開與這種需要相關(guān)。
4、本說明書中對(duì)任何現(xiàn)有技術(shù)的引用并不表示承認(rèn)或暗示此現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成任何管轄區(qū)內(nèi)的共同常識(shí)的一部分，也不表示此現(xiàn)有技術(shù)可以被本領(lǐng)域的技術(shù)人員合理地理解、視為與其它現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)和/或組合。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、在一個(gè)方面中，本公開提供了一種硫陰極，其包含：
2、a)纖維素組合物，所述纖維素組合物包含多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維；
3、b)一種或多種含硫材料；以及
4、c)一種或多種傳導(dǎo)材料。
5、在實(shí)施例中，所述硫陰極包含：
6、a)約2wt.％至約20wt.％的纖維素組合物，所述纖維素組合物包含多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維；
7、b)約60wt
8、c)約10wt.％至約30wt.％的一種或多種傳導(dǎo)材料。
9、在實(shí)施例中，所述硫陰極包含：
10、a)約5wt.％至約15wt.％的纖維素組合物，所述纖維素組合物包含多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維；
11、b)約65wt.％至約75wt.％的一種或多種含硫材料；以及
12、c)約15wt.％至約25wt.％的一種或多種傳導(dǎo)材料。
13、在實(shí)施例中，所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維具有以下特性中的一種或多種特性：
14、a)原纖維直徑為約0.1nm至約20nm；
15、b)原纖維長(zhǎng)度為約20nm至約1000nm；
16、c)原纖維縱橫比為約10至約1000；以及
17、d)ζ電勢(shì)比約-60mv更負(fù)。
18、在實(shí)施例中，所述一種或多種含硫材料包含元素硫、li2s和mos2中的一種或多種。
19、在實(shí)施例中，所述一種或多種傳導(dǎo)材料包含以下中的一種或多種：炭黑、石墨、石墨烯、活性炭、碳納米管和碳纖維。
20、在實(shí)施例中，所述陰極的孔隙度小于約50％或小于約40％。
21、在實(shí)施例中，所述陰極的算術(shù)表面粗糙度小于約25μm。
22、在實(shí)施例中，相對(duì)于不存在本文所公開的纖維素組合物的硫陰極，多硫化物陰離子在所述陰極內(nèi)的輸送受到阻礙。
23、在實(shí)施例中，相對(duì)于不存在本文所公開的纖維素組合物的硫陰極，鋰離子在所述陰極內(nèi)的輸送得以促進(jìn)。
24、在另一個(gè)方面中，本公開提供了一種鋰硫電池，其包含鋰陽極、隔膜、根據(jù)本文所公開的實(shí)施例中任一項(xiàng)所述的陰極以及安置在所述陽極與所述陰極之間的電解質(zhì)。
25、在實(shí)施例中，所述鋰硫電池中的電解質(zhì)體積與硫重量的比率小于約6.0μl/mg。
26、在實(shí)施例中，所述鋰硫電池中的電解質(zhì)體積與硫重量的比率為約3.5μl/mg至約5.0μl/mg。
27、在充電或放電期間，所述硫陰極可以促進(jìn)輸送鋰離子穿過所述陰極。
28、在充電或放電期間，所述硫陰極可以阻礙輸送多硫化物離子穿過所述陰極。
29、在實(shí)施例中，所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的原纖維直徑為約0.5nm至約10nm、或約1nm至約6nm、約2nm至約4nm。
30、在實(shí)施例中，所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的原纖維長(zhǎng)度為約40nm至約700nm、或約70nm至約500nm或約100nm至約400nm。
31、在實(shí)施例中，所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的原纖維縱橫比為約15至約750、或約20至約500或約25至約200。
32、在實(shí)施例中，所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的ζ電勢(shì)為約-60mv至約-90mv。
33、在實(shí)施例中，所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維被官能化為具有以下中的一種或多種：羧基、膦酸根、磺酸根、硫酸根、羥基、硝酸根和碳酸根。
34、在實(shí)施例中，所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維包含每克納米纖維大于1mmol陰離子基團(tuán)或每克納米纖維大于1.5mmol陰離子基團(tuán)。
35、在實(shí)施例中，所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維包含每克納米纖維約1mmol至約4mmol陰離子基團(tuán)、或每克納米纖維約1.5mmol至約4mmol陰離子基團(tuán)、或每克納米纖維約2mmol至約4mmol陰離子基團(tuán)。
36、在實(shí)施例中，所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維被官能化為具有羧基。
37、在另一個(gè)方面中，本公開提供了一種陰極漿料組合物，其包含：
38、a)纖維素組合物，所述纖維素組合物包含多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維；
39、b)一種或多種含硫材料；
40、c)一種或多種傳導(dǎo)材料；以及
41、d)水。
42、在實(shí)施例中，水與組分a)、b)和c)的組合重量的比率為約1ml/g至約40ml/g或約3ml/g至約30ml/g。
43、在實(shí)施例中，當(dāng)在20-25℃的溫度范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，3ml/g漿料的在0.01s-1剪切速率下的粘度大于約1000pa.s。
44、在另一個(gè)方面中，本公開提供了一種制備根據(jù)本文所公開的實(shí)施例中任一項(xiàng)所述的陰極漿料組合物的方法，所述方法包含將纖維素組合物、一種或多種含硫材料、一種或多種傳導(dǎo)材料以及水混合的步驟，所述纖維素組合物包含多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維。
45、在所述方法的實(shí)施例中，在與水混合之前，將所述纖維素組合物、所述一種或多種含硫材料和所述一種或多種傳導(dǎo)材料干混合。
46、在另一個(gè)方面中，本公開提供了一種纖維素組合物，其包含多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維，所述納米纖維具有以下特性中的一種或多種特性：
47、a)原纖維直徑為約0.1nm至約20nm；
48、b)原纖維長(zhǎng)度為約20nm至約1000nm；
49、c)原纖維縱橫比為約10至約1000；以及
50、d)ζ電勢(shì)比約-60mv更負(fù)。
51、在另一個(gè)方面中，本公開提供了一種制備根據(jù)本文所公開的實(shí)施例中任一項(xiàng)所述的纖維素組合物的方法，所述方法包含：
52、a本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種硫陰極，其包含：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硫陰極，其包含：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硫陰極，其包含：
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維具有以下特性中的一種或多種特性：
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中所述一種或多種含硫材料包含元素硫、Li2S和MoS2中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中所述一種或多種傳導(dǎo)材料包含以下中的一種或多種：炭黑、石墨、石墨烯、活性炭、碳納米管和碳纖維。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中所述陰極的孔隙度小于50％或小于40％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中所述陰極的算術(shù)表面粗糙度小于25μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中相對(duì)于不存在所述纖維素組合物的硫陰極，多硫化物陰離子在所述陰極內(nèi)的輸送受到阻礙。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中相對(duì)于不存在所述纖維素組合物的硫陰極，
11.一種鋰硫電池，其包含鋰陽極、隔膜、根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的陰極以及安置在所述陽極與所述陰極之間的電解質(zhì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的鋰硫電池，其中電解質(zhì)體積與硫重量的比率小于約6.0μl/mg。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的鋰硫電池，其中電解質(zhì)體積與硫重量的比率為約3.5μl/mg至約5.0μl/mg。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的原纖維直徑為約0.5nm至約10nm、或約1nm至約6nm、約2nm至約4nm。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至10或14中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的原纖維長(zhǎng)度為約40nm至約700nm、或約70nm至約500nm或約100nm至約400nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至10、14或15中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的原纖維縱橫比為約15至約750、或約20至約500或約25至約200。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至10或14至16中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至16中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的ζ電勢(shì)為約-60mV至約-90mV。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至10或14至17中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至17中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維被官能化為具有以下中的一種或多種：羧基、膦酸根、磺酸根、硫酸根、羥基、硝酸根和碳酸根。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至10或14至18中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至18中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維包含每克納米纖維大于1mmol陰離子基團(tuán)或每克納米纖維大于1.5mmol陰離子基團(tuán)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至10或14至19中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至19中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維包含每克納米纖維約1mmol至約4mmol陰離子基團(tuán)、或每克納米纖維約1.5mmol至約4mmol陰離子基團(tuán)、或每克納米纖維約2mmol至約4mmol陰離子基團(tuán)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至10或14至20中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至20中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維被官能化為具有羧基。
22.根據(jù)權(quán)利要求11至21中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中在充電或放電期間，所述硫陰極促進(jìn)輸送鋰離子穿過所述陰極。
23.根據(jù)權(quán)利要求11至22中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中在充電或放電期間，所述硫陰極阻礙輸送多硫化物離子穿過所述陰極。
24.一種陰極漿料組合物，其包含：
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的陰極漿料組合物，其中水與組分a)、b)和c)的組合重量的比率為約1ml/g至約40ml/g或約3ml/g至約30ml/g。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或權(quán)利要求25所述的陰極漿料組合物，其中當(dāng)在20-25℃的溫度范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，3ml/g漿料的在0.01s-1剪切速率下的粘度大于約1000Pa.s。
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【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】
1.一種硫陰極，其包含：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硫陰極，其包含：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硫陰極，其包含：
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維具有以下特性中的一種或多種特性：
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中所述一種或多種含硫材料包含元素硫、li2s和mos2中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中所述一種或多種傳導(dǎo)材料包含以下中的一種或多種：炭黑、石墨、石墨烯、活性炭、碳納米管和碳纖維。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中所述陰極的孔隙度小于50％或小于40％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中所述陰極的算術(shù)表面粗糙度小于25μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中相對(duì)于不存在所述纖維素組合物的硫陰極，多硫化物陰離子在所述陰極內(nèi)的輸送受到阻礙。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的硫陰極，其中相對(duì)于不存在所述纖維素組合物的硫陰極，鋰離子在所述陰極內(nèi)的輸送得以促進(jìn)。
11.一種鋰硫電池，其包含鋰陽極、隔膜、根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的陰極以及安置在所述陽極與所述陰極之間的電解質(zhì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的鋰硫電池，其中電解質(zhì)體積與硫重量的比率小于約6.0μl/mg。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的鋰硫電池，其中電解質(zhì)體積與硫重量的比率為約3.5μl/mg至約5.0μl/mg。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的原纖維直徑為約0.5nm至約10nm、或約1nm至約6nm、約2nm至約4nm。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至10或14中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的原纖維長(zhǎng)度為約40nm至約700nm、或約70nm至約500nm或約100nm至約400nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至10、14或15中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的原纖維縱橫比為約15至約750、或約20至約500或約25至約200。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至10或14至16中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至16中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素納米纖維的ζ電勢(shì)為約-60mv至約-90mv。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至10或14至17中任一項(xiàng)所述的硫陰極或根據(jù)權(quán)利要求11至17中任一項(xiàng)所述的鋰硫電池，其中所述多個(gè)經(jīng)陰離子官能化的纖維素...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃穎逸，M·沙伊巴尼，M·希爾，M·馬祖姆德爾，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：蒙納什大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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