基于石墨烯的阴极材料的系统和方法与流程

本申请要求2021年1月19日提交的第63/139,261号美国申请的优先权，并将其全部内容并入本文。本说明书通常涉及可充电电池的领域，包括用于锂硫电池阴极的活性材料。

背景技术：

1、提出了用于可充电电池的多种化学物质，例如镍镉、锂离子和锂硫(l-s)电池。随着电池驱动的车辆和移动设备的日益普及，需要可以可靠地大规模制造的高耐久性、轻便的、高效和廉价的电池。锂硫电池特别令人关注，因为它们具有约1675mah g-1的极高比容量和约600wh kg-1的高比能。与相对罕见的钴不同，硫是充足的、易于获得而且廉价。硫也是无毒的，使得相对容易用作阴极材料。

2、尽管有这些优点，但硫是高电阻的。这使得在不添加其他导电材料的情况下，硫作为阴极材料具有挑战性。为了克服这种电阻，已经从事了工作将来自还原的氧化石墨烯的高导电性石墨烯与硫混合，以克服硫的电阻率。

3、限制了这些传统方法，石墨烯具有极强的疏水性。结果是很难均匀地将其混合到浆料中。尽管氧化石墨烯没有表现出与石墨烯相同的疏水性质，但将氧化石墨烯还原为石墨烯的过程是昂贵的、不可预测的并且经历高度的可变性。由还原的氧化石墨烯形成的石墨烯通常无法可靠地生产有用的石墨烯-硫活性材料，导致大量的不可预测性、过程不可靠、成本高、可扩展性差和资源浪费，这通常是因为在由还原的氧化石墨烯形成的石墨烯中典型地会发现不想要的杂质。

4、使用基于氧化石墨烯的活性材料导致非常长且不可预测的合成时间。这可能是由于氧化石墨烯的不均匀性和随机属性。硫纳米颗粒形成并吸附到氧化石墨烯表面的酸化反应受到存在的氧化石墨烯的具体性质的影响。因此，合成时间可以在3小时至24小时的范围内，这取决于该批次中存在的氧化石墨烯的具体属性。描述制备用于li-s电池的硫氧化石墨烯复合物的文献声称获得了硫还原的氧化石墨烯产品。然而，在li-s电池文献中，几乎没有证据支持合成过程中的任何硫物类还原氧化石墨烯。硫和氧化石墨烯之间形成碳硫键的典型证据(如果有的话)是xps光谱，它在分析非均质材料时具有局限性。此外，化学文献中没有实例示出或表明在li-s电池文献中提出的合成条件下，硫和氧官能化的石墨碳之间可以形成共价键。

5、本说明书的各方面通过提供活性材料和用于制造所述活性材料的方法来解决这些问题。

技术实现思路

1、在实例方法中，描述的用于制造活性材料的方法可包括用于制造活性材料的方法，其包括制备一种或多种含有多硫属元素的液体；制备含有石墨烯纳米小片的液体；制备基于酸的液体；将所述含有多硫属元素的液体、所述含有石墨烯纳米小片的液体和所述基于酸的液体中的至少一种混合成均匀的混合物；过滤所述混合物以产生滤液；以及干燥所述滤液以产生包含干燥粉末的活性材料。

2、还公开了根据本文所述方法制备的活性材料，并且该活性材料包含硫属元素和石墨烯纳米小片。

3、另外地或可替代地，制备多硫属元素液体可包括将一定量的硫属元素和/或一定量的硫属元素盐与一定量的水混合以制备前体多硫属元素液体，将前体多硫属元素液体加热至预定温度；以及将前体多硫属元素液体搅拌预定时间以形成多硫属元素液体。

4、另外地或可替代地，多硫属元素液体可以是多硫化物液体；并且硫属元素可以是硫。

5、另外地或可替代地，多硫属元素液体可以是多碲化物液体；并且硫属元素可以是碲。

6、另外地或可替代地，多硫属元素液体可以是多硒化物液体；并且硫属元素可以是硒。

7、另外地或可替代地，多硫属元素液体可以是两种或更多种上述多硫属元素液体的组合。

8、另外地或可替代地，制备石墨烯纳米小片悬浮液可包括将一定量的石墨烯纳米小片与一定量的水混合以制备前体石墨烯纳米小片悬浮液，将前体石墨烯纳米小片悬浮液加热至预定温度，以及将前体石墨烯纳米小片悬浮液声波处理预定量的时间以形成石墨烯纳米小片悬浮液。

9、另外地或可替代地，制备有机酸液体(例如柠檬酸液体)可以包括将一定量的有机酸(例如柠檬酸)溶解在一定量的水中以制备一定量的有机酸液体，将有机酸液体冷却至预定温度，以及将第二量的冷水添加至有机酸液体中以制备第二量的有机酸液体。

10、另外地或可替代地，将多硫属元素液体、石墨烯纳米小片悬浮液和有机酸液体与乙二胺和乙醇混合以形成混合物可包括将一定量的水冷却至预定温度，使石墨烯纳米小片悬浮液与一定量的水混合以形成第一混合物，使多硫属元素液体与第一混合物混合以形成第二混合物，使乙二胺与第二混合物混合以形成第三混合物，使乙醇与第三混合物混合以形成第四混合物，确定第四混合物的温度在预定温度范围内，以及将有机酸液体混合入第四混合物以形成第五混合物。

11、另外地或可替代地，过滤混合物以产生滤液可包括将混合物排入布氏漏斗以产生第一滤液，并用水冲洗第一滤液，直到由冲洗产生的流出水在形成滤液的预定ph范围内。

12、另外地或可替代地，干燥滤液以产生活性材料可包括将滤液置于烘箱中预定时间和/或在第一预定温度下，并通过将滤液置于炉中预定时间和/或在第二预定温度下热处理滤液以形成活性材料，其中炉内的气体组成基本上是氩。

13、在实例活性材料中，活性材料可以包括硫属元素、石墨烯纳米小片和胺中的一种或多种。

14、另外地或可替代地，石墨烯纳米小片和/或硫属元素可以与胺形成络合物。

15、另外地或可替代地，可以使用石墨烯纳米小片和硫属元素中的至少之一与铵之间的非共价相互作用来得到络合物。

16、另外地或可替代地，石墨烯纳米小片可以均匀地分散遍及活性材料。

17、另外地或可替代地，石墨烯纳米小片的均匀分散可以通过与硫属元素络合的胺来驱动。

18、另外地或可替代地，活性材料中硫属元素的浓度可以在30重量％和95重量％之间。

19、另外地或可替代地，石墨烯纳米小片的浓度可以在5重量％和70重量％之间。

20、另外地或可替代地，螯合剂(乙二胺)可包括各种胺(二胺、三胺、四胺)或氨基羧酸(apca)中的至少一种，实例包括：eda、尸胺、腐胺、edta、dtpa和edds。

21、另外地或可替代地，硫属元素的颗粒尺寸范围可以在1nm和100nm之间。

22、另外地或可替代地，石墨烯纳米小片的颗粒尺寸范围可以在1μm和1000μm之间。

23、另外地或可替代地，硫属元素可以是硫。

24、另外地或可替代地，硫属元素可以包括掺杂剂，掺杂剂可以包括碲或硒中的一种或多种。

25、另外地或可替代地，掺杂剂的浓度可以在1重量％至10重量％之间。

26、如请求保护的，上述概括性的技术实现要素：和以下详细描述都是示例性的并且不限制本发明。

技术特征：

1.用于制造活性材料的方法，其包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中制备所述含有多硫属元素的液体包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述多硫属元素液体包括多硫化物液体，并且所述硫属元素是硫。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述多硫属元素液体包括多碲化物液体，并且所述硫属元素是碲。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述多硫属元素液体包括多硒化物液体并且所述硫属元素是硒。

6.根据权利要求1所述的方法，其中制备所述含有石墨烯纳米小片的液体包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其中制备所述基于酸的液体进一步包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

9.根据权利要求1所述的方法，其中过滤所述混合物以产生所述滤液进一步包括用水冲洗所述滤液直到达到一定的ph。

10.根据权利要求1所述的方法，其中干燥所述滤液以产生所述活性材料进一步包括：

11.活性材料，其包含硫属元素和石墨烯纳米小片。

12.根据权利要求11所述的活性材料，其中所述石墨烯纳米小片和/或所述硫属元素与胺形成络合物。

13.根据权利要求12所述的活性材料，其中使用所述石墨烯纳米小片和所述硫属元素中至少之一与胺官能团之间的非共价相互作用来得到所述络合物。

14.根据权利要求11所述的活性材料，其中所述石墨烯纳米小片均匀分散遍及所述活性材料。

15.根据权利要求14所述的活性材料，其中所述石墨烯纳米小片的均匀分散是由与所述硫属元素络合的胺驱动的。

16.根据权利要求11所述的活性材料，其中所述石墨烯纳米小片用胺修饰。

17.根据权利要求11所述的活性材料，其中所述活性材料内硫属元素的浓度为30重量％和95重量％之间。

18.根据权利要求11所述的活性材料，其中所述石墨烯纳米小片的浓度为5重量％和70重量％之间。

19.根据权利要求11所述的活性材料，其中胺选自但不限于：eda、edta、尸胺、腐胺、二胺、三胺及其混合物。

20.根据权利要求11所述的活性材料，其中所述硫属元素的颗粒尺寸范围在1nm至1000nm的范围内。

21.根据权利要求11所述的活性材料，其中所述石墨烯纳米小片的颗粒尺寸范围在1μm至1000μm的范围内。

22.根据权利要求11所述的活性材料，其中所述硫属元素是硫。

23.根据权利要求11所述的活性材料，其中所述硫属元素包含两种元素，第一硫属元素和第二硫属元素，所述第一硫属元素包括硫；并且所述第二硫属元素包括碲、硒、另一种硫属元素、后过渡金属或其混合物。

24.根据权利要求23所述的活性材料，其中所述第二硫属元素的浓度在1重量％至30重量％的范围内。

技术总结包含活性材料的组合物及其形成方法。用于制造活性材料的方法可以包括制备一种或多种含有多硫属元素的液体、制备含有石墨烯纳米小片的液体、制备有机酸液体、以及将各种液体(其可以是液体、悬浮液或乳液的形式)混合以形成混合物。此外，该方法可包括过滤混合物以产生滤液，并干燥滤液以产生活性材料。技术研发人员：扎卡里·费维斯,达斯汀·帕特森,法比奥·阿尔巴诺,比尔·博格受保护的技术使用者：新泰克电池股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/1/25