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JPWO2020198095A5 - - Google Patents

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JPWO2020198095A5
JPWO2020198095A5 JP2021558493A JP2021558493A JPWO2020198095A5 JP WO2020198095 A5 JPWO2020198095 A5 JP WO2020198095A5 JP 2021558493 A JP2021558493 A JP 2021558493A JP 2021558493 A JP2021558493 A JP 2021558493A JP WO2020198095 A5 JPWO2020198095 A5 JP WO2020198095A5
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関連出願の相互参照
本願は、2020年3月22日に出願された米国特許出願第16/826,276号および2019年3月22日に出願された米国仮特許出願第62/822,698号の優先権の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれ、本願における用語のいずれの定義もが支配的である。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims the benefit of priority to U.S. Patent Application No. 16/826,276, filed March 22, 2020, and U.S. Provisional Patent Application No. 62/822,698, filed March 22, 2019, which are incorporated by reference in their entireties herein and any definitions of terms herein are controlling.

本発明は、一般に、ナノ多孔質炭素系材料に関する。より具体的には、これは、例えばリチウム-硫黄電池内の電極材料として、電気化学反応を含む環境での使用に適したカーボンエアロゲルに関する。 The present invention relates generally to nanoporous carbon-based materials. More specifically, it relates to carbon aerogels suitable for use in environments involving electrochemical reactions, for example as electrode materials in lithium-sulfur batteries.

エアロゲルは、ミクロサイズおよびメソサイズの細孔の高度に多孔性のネットワークを含む固体の材料である。使用される前駆体材料および行われる加工に応じて、エアロゲルの細孔は、エアロゲルの密度が約0.05g/ccである場合、頻繁に体積の90%超を占める可能性がある。エアロゲルは、一般に、ゲルの収縮がその表面での毛管力によって最小限に抑えられ得るかまたはまったくもたらされ得ないように、ゲル(その溶媒を含有する固体ネットワーク)から溶媒を除去することによって作成される。溶媒除去の方法には、限定するものではないが、超臨界乾燥(また、超臨界流体の低い表面張力がゲル内の過渡的な溶媒と交換するよう、超臨界流体を使用した乾燥)、超臨界流体との溶媒の交換、超臨界状態に続いて変換される流体との溶媒の交換、臨界未満または臨界に近い乾燥、および凍結乾燥プロセスにおける凍結溶媒の昇華が含まれる。例えば、PCT特許出願公開番号第2016127084号パンフレット(A1)を参照されたい。周囲条件で乾燥させると、溶媒の蒸発によりゲルの収縮が起こり得、キセロゲルが形成され得ることに留意されたい。したがって、ゾル-ゲル法または他の重合法によるエアロゲルの作成は、典型的には以下の一連の工程で進行する:溶媒への溶質の溶解、ゾル/溶液/混合物の形成、ゲルの形成(さらなる架橋を含み得る)、および超臨界乾燥技術または細孔の崩壊を引き起こすことなくゲルから溶媒を除去する任意の他の方法による溶媒の除去。 Aerogels are solid materials that contain a highly porous network of micro- and meso-sized pores. Depending on the precursor materials used and the processing performed, the pores of an aerogel can frequently occupy more than 90% of the volume when the density of the aerogel is about 0.05 g/cc. Aerogels are generally created by removing the solvent from the gel (its solvent-containing solid network) so that shrinkage of the gel can be minimized or not caused at all by capillary forces at its surface. Methods of solvent removal include, but are not limited to, supercritical drying (also drying using a supercritical fluid, where the low surface tension of the supercritical fluid exchanges with the transient solvent in the gel), exchange of the solvent with a supercritical fluid, exchange of the solvent with a fluid that is subsequently converted to a supercritical state, sub- or near-critical drying, and sublimation of the frozen solvent in a freeze-drying process. See, for example, PCT Patent Application Publication No. 2016127084 (A1). It should be noted that drying at ambient conditions may cause gel shrinkage due to solvent evaporation and may form a xerogel. Thus, the creation of aerogels by sol-gel or other polymerization methods typically proceeds in the following sequence of steps: dissolution of solute in solvent, formation of sol/solution/mixture, formation of gel (which may include further crosslinking), and removal of solvent by supercritical drying techniques or any other method that removes the solvent from the gel without causing pore collapse.

エアロゲルは、無機材料および/または有機材料から形成することができる。例えば、フェノール、レゾルシノール-ホルムアルデヒド(RF)、フロログルシノールフルアルデヒド(PF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド(PI)、ポリウレタン(PU)、ポリブタジエン、ポリジシクロペンタジエン、およびそれらの前駆体またはポリマー誘導体などの有機材料で形成される場合、エアロゲルは炭化(例えば、熱分解によって)されて、使用される前駆体材料および方法論に応じて、互いに異なるまたは重なり合う特性(例えば、細孔の体積、細孔径の分布、形態など)を有することができるカーボンエアロゲルを形成することができる。しかし、すべての場合において、材料および用途に基づく特定の欠陥、例えば、低い細孔の体積、広い細孔径の分布、低い機械的強度などがあった。近年、リチウム-硫黄電池(LSB)などのエネルギー貯蔵装置における用途のための性能が改善された電極材料としてのカーボンエアロゲルの開発および特性評価に労力が捧げられている。 Aerogels can be formed from inorganic and/or organic materials. For example, when formed with organic materials such as phenol, resorcinol-formaldehyde (RF), phloroglucinol furaldehyde (PF), polyacrylonitrile (PAN), polyimide (PI), polyurethane (PU), polybutadiene, polydicyclopentadiene, and their precursors or polymer derivatives, the aerogels can be carbonized (e.g., by pyrolysis) to form carbon aerogels that can have different or overlapping properties (e.g., pore volume, pore size distribution, morphology, etc.) depending on the precursor material and methodology used. However, in all cases, there were certain deficiencies based on the material and application, such as low pore volume, wide pore size distribution, low mechanical strength, etc. In recent years, efforts have been dedicated to the development and characterization of carbon aerogels as electrode materials with improved performance for applications in energy storage devices such as lithium-sulfur batteries (LSBs).

LSBは、低コストで高い可逆エネルギー貯蔵および高サイクルを達成する可能性があるため、電気化学エネルギー貯蔵のいっそう魅力的な形態およびリチウムイオン電池(LIB)の代替品になっている。LSBは、放電中にリチウムイオンがアノードからカソードに移動し、充電中にカソードからアノードに移動する充電式電池の一種である。従来、LSBシステムの場合、アノードはリチウム金属から形成され、カソードは炭素-硫黄複合体から形成され、元素状硫黄およびポリスルフィドが炭素の多孔質構造内に存在し、ポリマー結合剤が複合体の完全性を維持するために使用される。硫黄は、LSBのカソードとして使用される場合、高い理論上の比容量(約1672mAh/g、LIBで一般的に使用される金属酸化物カソード材料よりも一桁大きい)を有することが知られている、地球に豊富な元素である。 LSBs are becoming an increasingly attractive form of electrochemical energy storage and alternative to lithium-ion batteries (LIBs) due to their potential to achieve high reversible energy storage and high cycling at low cost. LSBs are a type of rechargeable battery in which lithium ions move from the anode to the cathode during discharge and from the cathode to the anode during charge. Traditionally, for LSB systems, the anode is formed from lithium metal and the cathode is formed from a carbon-sulfur composite, with elemental sulfur and polysulfides present within the porous structure of the carbon, and a polymeric binder is used to maintain the integrity of the composite. Sulfur is an earth-abundant element known to have a high theoretical specific capacity (approximately 1672 mAh/g, an order of magnitude higher than metal oxide cathode materials commonly used in LIBs) when used as the cathode in LSBs.

LSBで超高エネルギー密度を達成する機会があるにもかかわらず、従来のLSBは、より高いサイクル寿命であるがより低いエネルギー密度を特徴とするLIB対応物のようには、広く商業的に採用されていない。従来のLSBは、2つの重大な課題を抱えている。第1の課題は、硫黄の高い電気抵抗率および放電中のLi-S種の形成である。この変換反応は、硫化リチウム(LiS)を形成し、80%もの体積膨張を伴う。他の主要な課題は、複数の充放電サイクルにわたって中間リチウム多硫化物の電解質への溶解度または溶解であり、最終的に放電中の必要な変換反応に利用可能な硫黄の減少をもたらす。 Despite the opportunity to achieve ultra-high energy density with LSBs, conventional LSBs have not been widely adopted commercially like their LIB counterparts, which feature higher cycle life but lower energy density. Conventional LSBs suffer from two significant challenges. The first challenge is the high electrical resistivity of sulfur and the formation of Li-S species during discharge. This conversion reaction forms lithium sulfide (Li 2 S) and is accompanied by a volume expansion of as much as 80%. The other major challenge is the solubility or dissolution of intermediate lithium polysulfides in the electrolyte over multiple charge-discharge cycles, ultimately resulting in a decrease in sulfur available for the required conversion reactions during discharge.

したがって、必要とされているのは、機能的形態および最適な細孔構造を含む改善されたナノ多孔質炭素材料であり、それにおいて、最適な硫黄負荷が達成され得て、硫黄がサイズの一貫した環境(例えば、狭い細孔径の分布)に捕捉されている。しかし、本発明がなされた時点で全体として考慮された技術を考慮すると、従来技術の欠点をどのように克服することができるかは、本発明の分野の当業者には明らかではなかった。 Therefore, what is needed is an improved nanoporous carbon material containing functional morphology and optimal pore structure, in which optimal sulfur loading can be achieved and in which the sulfur is trapped in a size consistent environment (e.g., narrow pore size distribution). However, considering the technology as a whole at the time this invention was made, it was not apparent to one skilled in the art of this invention how the shortcomings of the prior art could be overcome.

本発明の開示を容易にするために従来技術の特定の態様が議論されてきたが、出願人は決してこれらの技術的態様を否定せず、特許請求される発明は、特に本明細書に記載される革新的な態様と組み合わせて、本明細書に記載される従来の技術的態様の1つまたは複数を包含し得ることが企図されている。 Although certain aspects of the prior art have been discussed to facilitate disclosure of the present invention, applicants have in no way rejected these technical aspects, and it is contemplated that the claimed invention may include one or more of the prior art technical aspects described herein, particularly in combination with the innovative aspects described herein.

本発明は、上述した技術の問題および欠点のうちの1つまたは複数に対処することができる。しかし、本発明は、いくつかの技術分野における他の問題および欠陥に対処するのに有用であることが判明し得ると考えられる。したがって、特許請求される発明は、必ずしも本明細書で論じられる特定の問題または欠陥のいずれかに対処することに限定されると解釈されるべきではない。 The present invention may address one or more of the problems and deficiencies of the technology discussed above. However, it is believed that the present invention may prove useful in addressing other problems and deficiencies in some technical fields. Thus, the claimed invention should not necessarily be construed as being limited to addressing any of the particular problems or deficiencies discussed herein.

本明細書において、文書、行為または知識の項目が参照または論述される場合、この参照または論述は、その文書、行為または知識の項目またはそれらの任意の組み合わせが、優先日、公的に利用可能であったこと、公衆に知られていること、共通の一般的な知識の一部であったこと、または適用される法的規定の下で先行技術を構成することを認めるものではないか、または、本明細書が関係するいずれかの問題を解決しようとする試みに関連することが知られている。 Where any document, act or item of knowledge is referenced or discussed in this specification, such reference or discussion is not an admission that that document, act or item of knowledge, or any combination thereof, was publicly available, was known to the public, was part of the common general knowledge, or constitutes prior art under any applicable legal provision, or is known to be relevant to any attempt to solve any problem to which this specification pertains.

PCT特許出願公開番号第2016127084号パンフレット(A1)PCT Patent Application Publication No. 2016127084 (A1)

改善されたナノ多孔質炭素材料に対する、長年にわたるがこれまで満たされていなかった必要性は、現在、新しい有用で非自明な発明によって満たされる。 The long-standing but heretofore unmet need for improved nanoporous carbon materials is now met by a new, useful and unobvious invention.

第1の一般的な態様は、硫黄ドープナノ多孔質炭素材料に関する。細孔構造を含む硫黄ドープナノ多孔質炭素材料は、細孔構造が、フィブリル形態と、元素状硫黄を取り囲む一連の細孔とを含む。 A first general aspect relates to a sulfur-doped nanoporous carbon material comprising a pore structure that includes a fibril morphology and a series of pores that surround elemental sulfur.

第2の一般的な態様は、硫黄ドープナノ多孔質炭素材料であって、フィブリル形態を含む細孔構造;少なくとも約0.2GPaのヤング率;および約0.10g/cc~約1.5g/ccの密度を含む、硫黄ドープナノ多孔質炭素材料に関する。例示的な実施形態では、ナノ多孔質炭素材料は、少なくとも約1S/cmの導電率を有する。 A second general aspect relates to a sulfur-doped nanoporous carbon material comprising a pore structure comprising a fibril morphology; a Young's modulus of at least about 0.2 GPa; and a density of from about 0.10 g/cc to about 1.5 g/cc. In an exemplary embodiment, the nanoporous carbon material has an electrical conductivity of at least about 1 S/cm.

第3の一般的な態様は、硫黄でドープされたナノ多孔質炭素材料であって、フィブリル形態を含む細孔構造;少なくとも約1S/cmの導電率;および約0.10g/cc~約1.5g/ccの密度を含む、ナノ多孔質炭素材料に関する。例示的な実施形態では、ナノ多孔質炭素材料は、少なくとも約0.2GPaのヤング率を有する。 A third general aspect relates to a sulfur-doped nanoporous carbon material comprising a pore structure comprising a fibril morphology; an electrical conductivity of at least about 1 S/cm; and a density of from about 0.10 g/cc to about 1.5 g/cc. In an exemplary embodiment, the nanoporous carbon material has a Young's modulus of at least about 0.2 GPa.

例示的な実施形態では、ナノ多孔質炭素材料は、カーボンエアロゲルを含む。例えば、炭素材料は、ポリイミド由来のカーボンエアロゲルを含む。特定の実施形態では、カーボンエアロゲルは、モノリスまたは粉末形態であり得る。モノリシックな実施形態では、カーボンエアロゲルは、実質的にまたは完全に結合剤を不含有とすることができる。モノリシック炭素は、例えば、約10μm~約1000μmの厚さを有することができる。 In an exemplary embodiment, the nanoporous carbon material comprises a carbon aerogel. For example, the carbon material comprises a polyimide-derived carbon aerogel. In certain embodiments, the carbon aerogel can be in monolithic or powder form. In monolithic embodiments, the carbon aerogel can be substantially or completely free of binder. The monolithic carbon can have a thickness of, for example, about 10 μm to about 1000 μm.

例示的な実施形態では、ナノ多孔質炭素材料の細孔構造は、硫黄を取り囲む細孔によって特徴付けられる。例えば、細孔は、硫黄の周りに相互接続構造を形成し、硫黄と、硫黄が囲まれている各細孔の細孔壁との間の複数の接続点を特徴とする。炭素材料には、炭素材料の約5%~約90%重量基準の硫黄をドープすることができる。 In an exemplary embodiment, the pore structure of the nanoporous carbon material is characterized by pores surrounding the sulfur. For example, the pores form an interconnected structure around the sulfur, characterized by multiple connection points between the sulfur and the pore walls of each pore in which the sulfur is surrounded. The carbon material can be doped with sulfur in an amount ranging from about 5% to about 90% by weight of the carbon material.

任意の実施形態において、炭素材料は、少なくとも0.3cc/gの細孔の体積を有することができる。任意の実施形態において、炭素材料は、約10%~約90%の多孔度を有することができる。任意の実施形態では、炭素材料は、約800mAh/g~約1700mAh/gの容量を有することができる。任意の実施形態において、炭素材料の細孔構造は、約50nm以下の半値全幅を含む。任意の実施形態において、細孔構造は、約100nm以下の分布からの最大ピークにおける細孔径を含む。任意の実施形態において、ナノ多孔質炭素材料のフィブリル形態は、約2~10nmの平均ストラット幅を含むことができる。 In any embodiment, the carbon material may have a pore volume of at least 0.3 cc/g. In any embodiment, the carbon material may have a porosity of about 10% to about 90%. In any embodiment, the carbon material may have a capacity of about 800 mAh/g to about 1700 mAh/g. In any embodiment, the pore structure of the carbon material comprises a full width at half maximum of about 50 nm or less. In any embodiment, the pore structure comprises a pore size at the largest peak from the distribution of about 100 nm or less. In any embodiment, the fibrillar morphology of the nanoporous carbon material may comprise an average strut width of about 2-10 nm.

さらなる一般的な態様は、ナノ多孔質炭素材料で形成された硫黄含有モノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲル複合体であって、複合体が結合剤を不含有で、元素状硫黄がモノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲル複合体の細孔内で囲まれている、硫黄含有モノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲル複合体に関する。 A further general aspect relates to a sulfur-containing monolithic polyimide-derived carbon aerogel composite formed with a nanoporous carbon material, the composite being binder-free and elemental sulfur being enclosed within the pores of the monolithic polyimide-derived carbon aerogel composite.

別の一般的な態様は、フィブリルネットワークおよび一連の細孔を有する連続気泡、モノリシック、ポリイミド由来のナノ多孔質カーボンエアロゲル、および一連の細孔によって囲まれている元素状硫黄を含む、リチウム-硫黄電池用の集電体なし、結合剤なしの、相互接続カソード材料に関する。 Another general aspect relates to a current collector-less, binder-less, interconnected cathode material for lithium-sulfur batteries that includes an open-cell, monolithic, polyimide-derived nanoporous carbon aerogel having a fibril network and a series of pores, and elemental sulfur surrounded by the series of pores.

例示的な実施形態は、任意の他の実施形態のナノ多孔質炭素材料を含む電極を含む。例えば、電極はカソードとすることができる。カソードは、別個の集電体不含有でもよい。さらなる例示的な実施形態は、任意の他の実施形態のナノ多孔質炭素材料または電極を含む電気化学セルまたはエネルギー貯蔵装置を含む。例えば、エネルギー貯蔵装置は、リチウム硫黄電池などの電池とすることができる。 Exemplary embodiments include an electrode comprising any of the other embodiments of the nanoporous carbon material. For example, the electrode can be a cathode. The cathode can be free of a separate current collector. Further exemplary embodiments include an electrochemical cell or energy storage device comprising any of the other embodiments of the nanoporous carbon material or electrode. For example, the energy storage device can be a battery, such as a lithium-sulfur battery.

さらなる一般的な態様は、連続多孔質炭素硫黄複合体を形成する方法に関する。例示的な実施形態では、本方法は、連続多孔質炭素硫黄複合体を形成する方法であって、ポリイミド前駆体を設けること;ポリイミド前駆体を化学的または熱的にイミド化すること;イミド化された混合物を乾燥させて、連続多孔質ポリイミドを得ること;多孔質ポリイミドを熱分解して連続多孔質炭素を得ること;および連続多孔質炭素上または連続多孔質炭素中に硫黄を組み込んで、硫黄の重量が0%超約95%未満であり、多孔度が約10%~約90%である連続多孔質硫黄複合体を得ることを含む、方法を含む。 A further general aspect relates to a method for forming a continuous porous carbon-sulfur composite. In an exemplary embodiment, the method includes a method for forming a continuous porous carbon-sulfur composite, the method including providing a polyimide precursor; chemically or thermally imidizing the polyimide precursor; drying the imidized mixture to obtain a continuous porous polyimide; pyrolyzing the porous polyimide to obtain a continuous porous carbon; and incorporating sulfur on or in the continuous porous carbon to obtain a continuous porous sulfur composite having a weight percent sulfur greater than 0% and less than about 95% and a porosity of about 10% to about 90%.

例示的な実施形態において、ポリイミド前駆体は、適切な溶媒中にジアミンおよび二無水物を含む。例えば、適切な溶媒は、極性の非プロトン性溶媒を含むことができる。いくつかの実施形態では、ジアミンおよび二無水物の少なくとも1つは、芳香族基を含むことができる。 In an exemplary embodiment, the polyimide precursor comprises a diamine and a dianhydride in a suitable solvent. For example, the suitable solvent can comprise a polar aprotic solvent. In some embodiments, at least one of the diamine and the dianhydride can comprise an aromatic group.

例示的な実施形態では、多孔質炭素硫黄複合体はモノリスであり得る。例えば、多孔質炭素硫黄複合体は自立構造であり得る。多孔質炭素硫黄複合体は、基材に作成することができる。いくつかの実施形態では、多孔質炭素硫黄複合体は、不織布材料、例えば織布材料で補強される。いくつかの実施形態では、多孔質炭素硫黄複合体を微粉化して粉末を形成することができる。 In exemplary embodiments, the porous carbon sulfur composite can be a monolith. For example, the porous carbon sulfur composite can be a free-standing structure. The porous carbon sulfur composite can be fabricated on a substrate. In some embodiments, the porous carbon sulfur composite is reinforced with a non-woven material, e.g., a woven material. In some embodiments, the porous carbon sulfur composite can be pulverized to form a powder.

例示的な実施形態では、ポリイミド湿潤ゲル複合体が、亜臨界および/または超臨界二酸化炭素を使用して乾燥されて、多孔質ポリイミドを形成し得る。いくつかの実施形態では、複合体はエアロゲルを含むことができる。 In an exemplary embodiment, the polyimide wet gel composite may be dried using subcritical and/or supercritical carbon dioxide to form a porous polyimide. In some embodiments, the composite may include an aerogel.

例示的な実施形態では、最大熱分解温度は、約750℃~約1600℃である。いくつかの実施形態では、多孔質炭素硫黄複合体は、約3000℃まで黒鉛化される。いくつかの実施形態では、多孔質ポリイミドは、密度を高めるために、好ましくは一軸方向に圧縮される。例えば、多孔質ポリイミドは、約95%程度の歪みまで圧縮することができる。多孔質炭素硫黄複合体は、圧縮量に基づいて約1.5g/ccまで調整可能な密度を有することができる。 In exemplary embodiments, the maximum pyrolysis temperature is from about 750°C to about 1600°C. In some embodiments, the porous carbon-sulfur composite is graphitized to about 3000°C. In some embodiments, the porous polyimide is preferably uniaxially compressed to increase density. For example, the porous polyimide can be compressed to a strain on the order of about 95%. The porous carbon-sulfur composite can have a tunable density up to about 1.5 g/cc based on the amount of compression.

例示的な実施形態では、硫黄は、溶融注入によって連続多孔質炭素の上または中に組み込むことができる。いくつかの実施形態では、硫黄が、連続多孔質炭素を、硫黄およびポリスルフィドに対して親和性を有する化学官能基で表面処理することによって、連続多孔質炭素の上または中に組み込まれる。 In an exemplary embodiment, sulfur can be incorporated onto or into the continuous porous carbon by melt injection. In some embodiments, sulfur is incorporated onto or into the continuous porous carbon by surface treating the continuous porous carbon with chemical functional groups that have an affinity for sulfur and polysulfides.

本発明をより十分に理解するために、添付の図面に関連して以下の詳細な説明を参照すべきである。 For a fuller understanding of the present invention, reference should be made to the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.

エネルギー貯蔵用途、例えばリチウム-硫黄電池内で使用するための硫黄ドープカーボンエアロゲルの形成を示す流れ図である。1 is a flow diagram illustrating the formation of sulfur-doped carbon aerogel for use in energy storage applications, such as lithium-sulfur batteries. 任意選択的に基材に配置されるカーボンエアロゲルの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a carbon aerogel optionally disposed on a substrate. 電気化学的活性種(例えば、元素状硫黄)が炭素表面にコンフォーマルコーティングを形成している、基材に任意に配置されたカーボンエアロゲルの概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a carbon aerogel randomly disposed on a substrate, with electrochemically active species (e.g., elemental sulfur) forming a conformal coating on the carbon surface. 任意選択で基材に配置されるカーボンエアロゲルの概略図であり、電気化学的活性種(例えば、元素状硫黄)がエアロゲルネットワークの中にナノ粒子として形成され、エアロゲルネットワークに結合されている。FIG. 1 is a schematic diagram of a carbon aerogel optionally disposed on a substrate, with electrochemically active species (e.g., elemental sulfur) formed as nanoparticles within and bonded to the aerogel network. 本明細書に開示される実施形態による硫黄ドープ炭素材料のSEM画像である。1 is a SEM image of a sulfur-doped carbon material according to embodiments disclosed herein. 本明細書に開示される実施形態による硫黄ドープ炭素材料のSEM画像である。1 is a SEM image of a sulfur-doped carbon material according to embodiments disclosed herein. 0.05g/ccの目標密度で作成されたポリイミドゲルから作成された硫黄ドープ炭素材料を使用して作製された電極の0.1Cでの第1のサイクルのハーフセル容量を示す。FIG. 13 shows the first cycle half-cell capacity at 0.1 C of electrodes made using sulfur-doped carbon material made from polyimide gel made with a target density of 0.05 g/cc. 0.05g/ccの目標密度で作成されたポリイミドゲルから作成された硫黄ドープ炭素材料を使用して作製された電極の1Cでの第1のサイクルのハーフセル容量を示す。FIG. 1 shows the first cycle half-cell capacity at 1 C of electrodes made using sulfur-doped carbon material made from polyimide gel made with a target density of 0.05 g/cc. 0.125g/ccの目標密度で作成されたポリイミドゲルから作成された硫黄ドープ炭素材料を使用して作製された電極の0.1Cでの第1のサイクルのハーフセル容量を示す。FIG. 13 shows the first cycle half-cell capacity at 0.1 C of electrodes made using sulfur-doped carbon material made from polyimide gel made with a target density of 0.125 g/cc. 0.125g/ccの目標密度で作成されたポリイミドゲルから作成された硫黄ドープ炭素材料を使用して作製された電極の1Cでの第1のサイクルのハーフセル容量を示す。FIG. 1 shows the first cycle half-cell capacity at 1 C of electrodes made using sulfur-doped carbon material made from polyimide gel made with a target density of 0.125 g/cc. 0.05g/ccの目標密度で作成されたポリイミドゲルから作成された硫黄ドープ炭素材料を使用して作製された電極のハーフセルサイクル性能を示す。FIG. 13 shows the half-cell cycling performance of electrodes made using sulfur-doped carbon material made from polyimide gel made at a target density of 0.05 g/cc. 0.125g/ccの目標密度で作成されたポリイミドゲルから作成された硫黄ドープ炭素材料を使用して作製された電極のハーフセルサイクル性能を示す。FIG. 13 shows the half-cell cycling performance of electrodes made using sulfur-doped carbon material made from polyimide gel made at a target density of 0.125 g/cc.

本発明の以下の詳細な説明では、添付の図面を参照する。図面は、その一部を形成し、本発明を実施することができる特定の実施形態を例示として示す。本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態を利用することができ、構造的変更を行うことができることを理解されたい。 In the following detailed description of the invention, reference is made to the accompanying drawings, which form a part hereof, and in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. It is to be understood that other embodiments may be utilized and structural changes may be made without departing from the scope of the present invention.

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「a」、「an」、および「the」は、内容が明らかにそうでないことを指示しない限り、複数の指示対象を含む。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、「または(or)」という用語は、文脈上他に明確に指示されない限り、「および/または(and/or)」を含む意味で一般的に使用される。 As used in this specification and the appended claims, the singular forms "a," "an," and "the" include plural referents unless the content clearly dictates otherwise. As used in this specification and the appended claims, the term "or" is generally used in its sense including "and/or" unless the context clearly dictates otherwise.

本明細書で使用される場合、「約」は、およそまたはほぼを意味し、記載された数値または範囲の文脈では、数値の±15%を意味する。実施形態では、「約」という用語は、数値の有効数字による従来の丸めを含むことができる。また、「約「x」~「y」」という句は、「約「x」~約「y」」を含む。 As used herein, "about" means approximately or approximately, and in the context of a stated numerical value or range, means ±15% of the numerical value. In embodiments, the term "about" can include conventional rounding to significant figures of the numerical value. Also, the phrase "about 'x' to 'y'" includes "about 'x' to about 'y'".

本開示の文脈の中で、「エアロゲル」または「エアロゲル材料」という用語は、相互接続された構造の骨格を含み、相互接続された細孔の対応するネットワークが骨格内に組み込まれ、分散された間隙媒体として空気などのガスを含むゲルを指す:エアロゲルに起因する以下の物理的および構造的特性(窒素ポロシメトリー試験による):(a)約2nm~約100nmの範囲の平均孔径;(b)少なくとも80%以上の多孔度、および(c)約20m/g以上の表面積。補強材料または電気化学的に活性な種などの添加剤を含めると、得られるエアロゲル複合体の多孔度が低下する可能性があることが理解され得る。緻密化はまた、得られるエアロゲル複合体の多孔度を低下させ得る。これは、本明細書が続くにつれてより明確になる。 Within the context of this disclosure, the term "aerogel" or "aerogel material" refers to a gel that includes a skeleton of an interconnected structure with a corresponding network of interconnected pores embedded within the skeleton and containing a gas, such as air, as the dispersed pore medium: the following physical and structural properties (by nitrogen porosimetry testing) are attributed to aerogel: (a) an average pore size ranging from about 2 nm to about 100 nm; (b) a porosity of at least 80% or greater, and (c) a surface area of about 20 m2 /g or greater. It may be appreciated that the inclusion of additives such as reinforcing materials or electrochemically active species may decrease the porosity of the resulting aerogel composite. Densification may also decrease the porosity of the resulting aerogel composite. This will become more clear as the present specification continues.

したがって、本開示のエアロゲル材料は、キセロゲル、クリオゲル、アンビゲル、マイクロポーラス材料などに分類することができる化合物を含む、前の段落に記載の定義的な要素を満たす任意のエアロゲルまたは他の連続気泡化合物を含む。 Thus, the aerogel materials of the present disclosure include any aerogel or other open-cell compound that meets the defining elements described in the previous paragraph, including compounds that can be classified as xerogels, cryogels, ambigels, microporous materials, etc.

本開示の文脈の中で、「骨格」または「骨格構造」という用語は、ゲルまたはエアロゲルの固体構造を形成する相互接続されたオリゴマー、ポリマー、またはコロイド粒子のネットワークを指す。骨格構造を構成するポリマーまたは粒子は、典型的には、約100オングストロームの直径を有する。しかし、本開示の骨格構造は、ゲルまたはエアロゲル内で固体の構造を形成するすべての直径サイズの相互接続されたオリゴマー、ポリマー、またはコロイド粒子のネットワークも含み得る。 In the context of this disclosure, the term "skeleton" or "skeletal structure" refers to the network of interconnected oligomeric, polymeric, or colloidal particles that form the solid structure of a gel or aerogel. The polymers or particles that make up the skeletal structure typically have diameters of about 100 angstroms. However, the skeletal structure of this disclosure can also include a network of interconnected oligomeric, polymeric, or colloidal particles of all diameter sizes that form a solid structure within a gel or aerogel.

本開示の文脈の中で、「エアロゲル組成物」という用語は、複合材の成分としてエアロゲル材料を含む任意の複合材を指す。エアロゲル組成物の例には、維強化エアロゲル複合体;乳白剤および電気化学的活性種などの添加要素を含むエアロゲル複合体;エアロゲル-フォーム複合体;エアロゲル-ポリマー複合体;およびエアロゲル微粒子、粒子、顆粒、ビーズまたは粉末を、結合剤、樹脂、セメント、フォーム、ポリマーまたは同様の固体の材料などの、固体または半固体の材料に組み込む複合材が含まれるが、これらに限定されない。 Within the context of this disclosure, the term "aerogel composition" refers to any composite that includes an aerogel material as a component of the composite. Examples of aerogel compositions include, but are not limited to, fiber- reinforced aerogel composites; aerogel composites containing added elements such as opacifiers and electrochemically active species; aerogel-foam composites; aerogel-polymer composites; and composites that incorporate aerogel particulates, particles, granules, beads, or powders into solid or semi-solid materials, such as binders, resins, cements, foams, polymers, or similar solid materials.

本開示の文脈の中で、「強化エアロゲル組成物」という用語は、エアロゲル材料内に補強相を含むエアロゲル組成物を指し、エアロゲル組成物は、エアロゲル骨格の一部ではないか、またはエアロゲル骨格に共有結合するように修飾することができる。補強相は、エアロゲル材料に高い柔軟性、弾力性、適合性または構造安定性を与える任意の材料であってもよい。周知の補強材の例には、連続気泡フォーム補強材、独立気泡フォーム補強材、連続気泡膜、ハニカム補強材、ポリマー補強材、およびディスクリート維、織物材料、不織材料、バッティング、ウェブ、マット、およびフェルトなどの維補強材が含まれるが、これらに限定されない。さらに、補強材は、他の補強材の1つまたは複数と組み合わせてもよく、組成物の全体または限定された好ましい部分に連続的に配向することができる。他の実施形態では、エアロゲル材料および/またはエアロゲル骨格がそれ自体で構造的に安定している場合(すなわち、自立している)、強化相をまったく使用しなくてもよい。特定のカーボンエアロゲルのこの自立性は、本明細書が続くにつれてより明確になる。 Within the context of this disclosure, the term "reinforced aerogel composition" refers to an aerogel composition that includes a reinforcing phase within the aerogel material, which is not part of the aerogel skeleton or can be modified to be covalently bonded to the aerogel skeleton. The reinforcing phase can be any material that provides the aerogel material with high flexibility, elasticity, conformability or structural stability. Examples of well-known reinforcing materials include, but are not limited to, open-cell foam reinforcement, closed-cell foam reinforcement, open-cell membranes, honeycomb reinforcement, polymeric reinforcement, and fibrous reinforcement such as discrete fibers , woven materials, nonwoven materials, battings, webs, mats, and felts. Additionally, the reinforcing material may be combined with one or more of the other reinforcing materials and may be oriented continuously throughout or in a limited preferred portion of the composition. In other embodiments, a reinforcing phase may not be used at all if the aerogel material and/or aerogel skeleton is structurally stable by itself (i.e., self-supporting). This self-supporting nature of certain carbon aerogels will become more clear as this specification continues.

本開示の文脈の中で、「湿潤ゲル」という用語は、相互接続された細孔のネットワーク内の移動性間隙相が、従来の溶媒などの液相、液体二酸化炭素などの液化ガス、またはそれらの組み合わせで主に構成されるゲルを指す。エアロゲルは、典型的には、湿潤ゲルの初期生成と、それに続く、ゲル中の移動性間隙液相を空気または別のガスで置換するための処理および抽出とを必要とする。湿潤ゲルの例としては、アルコゲル、ヒドロゲル、ケトゲル、カルボノゲル、および当業者に公知の任意の他の湿潤ゲルが挙げられるが、これらに限定されない。 Within the context of this disclosure, the term "wet gel" refers to a gel in which the mobile interstitial phase within a network of interconnected pores is composed primarily of a liquid phase, such as a conventional solvent, a liquefied gas, such as liquid carbon dioxide, or a combination thereof. Aerogels typically require the initial generation of a wet gel, followed by processing and extraction to replace the mobile interstitial liquid phase in the gel with air or another gas. Examples of wet gels include, but are not limited to, alcogels, hydrogels, ketogels, carbonogels, and any other wet gels known to those of skill in the art.

本開示の文脈の中で、「添加剤」または「添加要素」という用語は、組成物の製造前、製造中、または製造後に組成物に添加することができる材料を指す。添加剤は、例えば、エアロゲル組成物中の望ましい特性を変更もしくは改善するために、またはエアロゲル組成物中の望ましくない特性を打ち消すもしくは緩和するために添加することができる。添加剤は、典型的には、ゲル化の前または間にエアロゲル組成物に添加される。添加剤は、原子層堆積または化学蒸着(CVD)によってエアロゲル組成物に添加することもできる。添加剤の特定の例は、硫黄元素などの電気化学的に活性な種である。 In the context of this disclosure, the term "additive" or "additive element" refers to a material that can be added to a composition before, during, or after the production of the composition. Additives can be added, for example, to modify or improve a desirable property in an aerogel composition, or to counteract or mitigate an undesirable property in an aerogel composition. Additives are typically added to an aerogel composition before or during gelation. Additives can also be added to an aerogel composition by atomic layer deposition or chemical vapor deposition (CVD). A particular example of an additive is an electrochemically active species, such as elemental sulfur.

本開示の文脈の中で、「自立」という用語は、主にエアロゲルの物理的特性に基づいて、エアロゲル材料または組成物が可撓性および/または弾性になり得ることを指す。本開示の自立型エアロゲル材料または組成物は、材料に可撓性および/または弾性を与えるために下にある基材または補強材料に依存するコーティングなどの他のエアロゲル材料と区別することができる。 In the context of this disclosure, the term "free-standing" refers to an aerogel material or composition that can be flexible and/or elastic, based primarily on the physical properties of the aerogel. Free-standing aerogel materials or compositions of the present disclosure can be distinguished from other aerogel materials, such as coatings, that rely on an underlying substrate or reinforcing material to provide the material with flexibility and/or elasticity.

本開示の文脈の中で、「密度」という用語は、エアロゲル材料または組成物の単位体積当たりの質量の測定値を指す。「密度」という用語は、一般に、エアロゲル材料の真密度およびエアロゲル組成物のかさ密度を指す。密度は、典型的にはkg/mまたはg/ccとして記録される。エアロゲル材料または組成物の密度は、これらに限定されないが、Standard Test Method for Dimensions and Density of Preformed Block and Board-Type Thermal Insulation(ASTM C303,ASTM International,West Conshohocken,Pa.);Standard Test Methods for Thickness and Density of Blanket or Batt Thermal Insulations(ASTM C167,ASTM International,West Conshohocken,Pa.);またはDetermination of the apparent density of preformed pipe insulation(ISO 18098,International Organization for Standardization,スイス)を含む当技術分野で公知の方法によって決定することができる。本開示の文脈の中では、特に明記しない限り、密度の測定値はASTM C 167の規格に従って取得される。好ましくは、本開示のエアロゲル材料または組成物は、1.50g/cc以下、1.40g/cc以下、1.30g/cc以下、1.20g/cc以下、1.10g/cc以下、1.00g/cc以下、0.90g/cc以下、0.80g/cc以下、0.70g/cc以下、0.60g/cc以下、0.50g/cc以下、0.40g/cc以下、0.30g/cc以下、0.20g/cc以下、0.10g/cc以下、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の密度を有する。 In the context of this disclosure, the term "density" refers to a measurement of the mass per unit volume of an aerogel material or composition. The term "density" generally refers to the true density of an aerogel material and the bulk density of an aerogel composition. Density is typically reported as kg/ m3 or g/cc. The density of the aerogel material or composition may be determined in accordance with, but not limited to, Standard Test Method for Dimensions and Density of Preformed Block and Board-Type Thermal Insulation (ASTM C303, ASTM International, West Conshohocken, Pa.); Standard Test Methods for Thickness and Density of Blanket or Batt Thermal Insulations (ASTM C167, ASTM International, West Conshohocken, Pa.); or Determination of the apparent density of preformed pipe insulation (ISO 18098, International Organization for Standardization, Switzerland). In the context of this disclosure, unless otherwise specified, density measurements are taken according to ASTM C 167 standard. Preferably, the aerogel materials or compositions of the present disclosure have a density of 1.50 g/cc or less, 1.40 g/cc or less, 1.30 g/cc or less, 1.20 g/cc or less, 1.10 g/cc or less, 1.00 g/cc or less, 0.90 g/cc or less, 0.80 g/cc or less, 0.70 g/cc or less, 0.60 g/cc or less, 0.50 g/cc or less, 0.40 g/cc or less, 0.30 g/cc or less, 0.20 g/cc or less, 0.10 g/cc or less, or a range between any two of these values.

特定の実施形態によるエアロゲルの製造は、一般に、以下の工程を含む:i)ゲル前駆体を含有する溶液の形成;ii)溶液からのゲルの形成;およびiii)ゲル材料から溶媒を抽出して、乾燥エアロゲル材料を得ること。このプロセスは、特にポリイミドエアロゲルなどの有機エアロゲルの形成のコンテキストに関連して、以下により詳細に説明される。しかし、本明細書で提供される特定の例および例示は、本開示を任意の特定の種類のエアロゲルおよび/または作成方法に限定することを意図するものではない。本開示は、当業者に公知の任意の関連する作成方法によって形成された任意のエアロゲルを含むことができる。 The manufacture of aerogels according to certain embodiments generally involves the following steps: i) forming a solution containing gel precursors; ii) forming a gel from the solution; and iii) extracting the solvent from the gel material to obtain a dry aerogel material. This process is described in more detail below, particularly in the context of forming organic aerogels such as polyimide aerogels. However, the specific examples and illustrations provided herein are not intended to limit the present disclosure to any particular type of aerogel and/or method of preparation. The present disclosure may include any aerogel formed by any relevant method of preparation known to one of skill in the art.

シリカエアロゲルを製造するための例示的な溶液は、少なくとも1つのゲル化前駆体を溶媒と組み合わせることによって形成される。溶液の形成に使用するのに適した溶媒には、1~6個、好ましくは2~4個の炭素原子を有する低級アルコールが含まれるが、当業者に知られているように他の溶媒を使用することもできる。有用な溶媒の例としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、酢酸エチル、アセト酢酸エチル、アセトン、ジクロロメタン、テトラヒドロフランなどが挙げられるが、これらに限定されない。所望のレベルの分散を達成するために、またはゲル材料の特性を最適化するために、複数の溶媒を組み合わせることもできる。したがって、重合およびゲル形成工程に最適な溶媒の選択は、溶液に組み込まれる特定の前駆体、充填剤、および添加剤、ならびにゲル化および液相抽出のための目標処理条件、ならびに最終エアロゲル材料の所望の特性に拠る。 An exemplary solution for producing silica aerogel is formed by combining at least one gelling precursor with a solvent. Suitable solvents for use in forming the solution include lower alcohols having 1-6, preferably 2-4 carbon atoms, although other solvents may be used as known to those skilled in the art. Examples of useful solvents include, but are not limited to, methanol, ethanol, isopropanol, ethyl acetate, ethyl acetoacetate, acetone, dichloromethane, tetrahydrofuran, and the like. Multiple solvents may also be combined to achieve a desired level of dispersion or to optimize the properties of the gel material. Thus, the selection of the optimal solvent for the polymerization and gel formation process depends on the particular precursors, fillers, and additives to be incorporated into the solution, as well as the target processing conditions for gelation and liquid phase extraction, and the desired properties of the final aerogel material.

ポリイミドエアロゲルを製造するための例示的な溶液は、共通の極性非プロトン性溶媒中で少なくとも1つのジアミンおよび少なくとも1つの二無水物を組み合わせることによって形成される。ポリイミドゲル/エアロゲルの形成に関するさらなる詳細は、Rhineらの米国特許第7,074,880号明細書および第7,071,287号明細書;Suzukiらの米国特許第6,399,669号明細書;Leventisらの米国特許第9,745,198号明細書;Leventis et al.,Polyimide Aerogels by Ring-Opening Metathesis Polymerization(ROMP),Chem.Mater.2011,23,8,2250-2261;Leventis et al.,Isocyanate-Derived Organic Aerogels:Polyureas,Polyimides,Polyamides,MRS Proceedings,1306(2011),Mrsf10-1306-bb03-01.doi:10.1557/opl.2011.90;Chidambareswarapattar et al.,One-step room-temperature synthesis of fibrous polyimide aerogels from anhydrides and isocyanates and conversion to isomorphic carbons,J.Mater.Chem.,2010,20,9666-9678;Guo et al.,Polyimide Aerogels Cross-Linked through Amine Functionalized Polyoligomeric Silsesquioxane,ACS Appl.Mater.Interfaces 2011,3,546-552;Nguyen et al.,Development of High Temperature,Flexible Polyimide Aerogels,American Chemical Society,proceedings published 2011;Meador et al.,Mechanically Strong,Flexible Polyimide Aerogels Cross-Linked with Aromatic Triamine,ACS Appl.Mater.Interfaces,2012,4(2),pp 536-544;Meador et al.,Polyimide Aerogels with Amide Cross-Links:A Low Cost Alternative for Mechanically Strong Polymer Aerogels,ACS Appl.Mater.Interfaces 2015,7,1240-1249;Pei et al.,Preparation and Characterization of Highly Cross-Linked Polyimide Aerogels Based on Polyimide Containing Trimethoxysilane Side Groups,Langmuir 2014,30,13375-13383において見出される。その各々は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。ゲル材料の特性を最適化するために、ジアミンまたはそれらの組み合わせの代わりに、またはそれに加えて、トリアミン、テトラアミン、ペンタミン、ヘキサミンなどを使用することもできる。ゲル材料の特性を最適化するために、二無水物またはそれらの組み合わせの代わりに、またはそれに加えて、三無水物、四無水物、五無水物、六無水物を使用することもできる。脱水剤および触媒を溶液に組み込み、イミド化を開始および駆動することができる。 An exemplary solution for making polyimide aerogels is formed by combining at least one diamine and at least one dianhydride in a common polar aprotic solvent. Further details regarding the formation of polyimide gels/aerogels can be found in U.S. Patents 7,074,880 and 7,071,287 to Rhine et al.; U.S. Patent 6,399,669 to Suzuki et al.; U.S. Patent 9,745,198 to Leventis et al.; Leventis et al., Polyimide Aerogels by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP), Chem. Mater. 2011,23,8,2250-2261; Leventis et al., Polymerization of Polyimide Aerogels by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP), Chem. Mater. 2011,23,8,2250-2261; , Isocyanate-Derived Organic Aerogels: Polyureas, Polyimides, Polyamides, MRS Proceedings, 1306 (2011), Mrsf10-1306-bb03-01. doi:10.1557/opl. 2011.90; Chidambareswarapatter et al. , One-step room-temperature synthesis of fibrous polyimide aerogels from anhydrides and isocyanates and conversion to isomo rphic carbons, J. Mater. Chem. , 2010, 20, 9666-9678; Guo et al. , Polyimide Aerogels Cross-Linked through Amine Functionalized Polyoligomeric Silsesquioxane, ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 546-552; Nguyen et al. , Development of High Temperature, Flexible Polyimide Aerogels, American Chemical Society, proceedings published 2011; tal. , Mechanically Strong, Flexible Polyimide Aerogels Cross-Linked with Aromatic Triamine, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4(2), pp 536-544; Meador et al. , Polyimide Aerogels with Amide Cross-Links: A Low Cost Alternative for Mechanically Strong Polymer Aerogels, ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 1240-1249; Pei et al. , Preparation and Characterization of Highly Cross-Linked Polyimide Aerogels Based on Polyimide Containing Trimethoxysilane Side Groups, Langmuir 2014,30,13375-13383, each of which is incorporated herein by reference in its entirety. Triamines, tetraamines, pentamines, hexamines, and the like can also be used in place of or in addition to diamines or combinations thereof to optimize the properties of the gel material. Trianhydrides, tetraanhydrides, pentaanhydrides , hexanhydrides can also be used in place of or in addition to dianhydrides or combinations thereof to optimize the properties of the gel material. Dehydrating agents and catalysts can be incorporated into the solution to initiate and drive the imidization.

溶液は、追加の共ゲル化前駆体、ならびに充填剤材料および他の添加剤を含むことができる。充填剤材料および他の添加剤は、ゲルの形成前または形成時の任意の時点で溶液に分注されてもよい。充填剤材料および他の添加剤はまた、当業者に公知の様々な技術によってゲル化後にゲル材料に組み込まれてもよい。好ましくは、ゲル化前駆体、溶媒、触媒、水、充填剤材料、および他の添加剤を含む溶液は、適切な条件下での効果的なゲルの形成が可能な、均質な溶液である。 The solution may contain additional co-gelling precursors, as well as filler materials and other additives. The filler materials and other additives may be dispensed into the solution at any time prior to or during the formation of the gel. The filler materials and other additives may also be incorporated into the gel material after gelation by various techniques known to those skilled in the art. Preferably, the solution containing the gelling precursors, solvent, catalyst, water, filler materials, and other additives is a homogenous solution capable of forming an effective gel under appropriate conditions.

溶液が形成され、最適化されると、溶液の中のゲル形成成分をゲル材料に移行させることができる。ゲル形成成分をゲル材料に移行させるプロセスは、ゲルがゲル材料のゲル化点まで固化する、初期のゲル形成工程を含む。ゲル材料のゲル化点は、ゲル化溶液が流動への抵抗を示し、および/またはその体積部全体にわたって実質的に連続したポリマー骨格を形成する点と見なすことができる。様々なゲル形成技術が当業者に知られている。例としては、限定されないが、混合物を十分な期間にわたって静止状態に維持すること;触媒の濃度の調整;溶液の温度の調節;エネルギーの形態を混合物に向けること(紫外線、可視光、赤外線、マイクロ波、超音波、粒子放射、電磁);またはそれらの組み合わせを含む。 Once the solution is formed and optimized, the gel-forming components within the solution can be transferred into a gel material. The process of transferring the gel-forming components into a gel material includes an initial gel formation step where the gel solidifies to the gel point of the gel material. The gel point of the gel material can be considered the point at which the gelling solution exhibits resistance to flow and/or forms a substantially continuous polymer backbone throughout its volume. Various gel formation techniques are known to those skilled in the art. Examples include, but are not limited to, maintaining the mixture in a quiescent state for a sufficient period of time; adjusting the concentration of a catalyst; adjusting the temperature of the solution; directing a form of energy (ultraviolet, visible, infrared, microwave, ultrasonic, particle radiation, electromagnetic) to the mixture; or a combination thereof.

ゲル形成成分をゲル材料に移行させるプロセスはまた、液相抽出の前に熟成工程(硬化とも呼ばれる)を含むことができる。ゲル化点に達した後にゲル材料を熟成させると、ネットワーク内の架橋の数を増加させることによってゲル骨格をさらに強化することができる。ゲル熟成の持続時間を調整して、得られるエアロゲル材料内の様々な特性を制御することができる。この熟成手順は、液相抽出中の潜在的な体積部に損失および収縮を防止するのに有用であり得る。熟成は、ゲルを(抽出前に)長期間静止状態に維持すること;ゲルを高温に維持すること;架橋促進化合物の添加;またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。熟成のための好ましい温度は、通常、約10℃~約200℃である。ゲル材料の熟成は、典型的には、湿潤ゲル材料の液相抽出まで続く。 The process of transferring gel-forming components to the gel material can also include an aging step (also called curing) prior to liquid-phase extraction. Aging the gel material after reaching the gel point can further strengthen the gel skeleton by increasing the number of crosslinks in the network. The duration of gel aging can be adjusted to control various properties within the resulting aerogel material. This aging procedure can be useful to prevent potential volume loss and shrinkage during liquid-phase extraction. Aging can include maintaining the gel in a quiescent state for an extended period of time (prior to extraction); maintaining the gel at an elevated temperature; adding a crosslinking-promoting compound; or any combination thereof. The preferred temperature for aging is usually from about 10°C to about 200°C. Aging of the gel material typically continues until liquid-phase extraction of the wet gel material.

ゲル形成材料をゲル材料に移行させるための時間は、(ゲル化の開始からゲル化点までの)最初のゲル形成の持続時間、ならびに(ゲル化点から液相抽出の開始までの)液相抽出前のゲル材料のその後の任意の硬化および熟成の持続時間の両方を含む。ゲル形成材料をゲル材料に移行させるための総時間は、典型的には約1分~数日の間、好ましくは約30時間以下、約24時間以下、約15時間以下、約10時間以下、約6時間以下、約4時間以下、約2時間以下、約1時間以下、約30分以下、または約15分以下である。 The time for transitioning the gel-forming material into a gel material includes both the duration of initial gel formation (from the onset of gelation to the gel point) and the duration of any subsequent hardening and aging of the gel material prior to liquid phase extraction (from the gel point to the onset of liquid phase extraction). The total time for transitioning the gel-forming material into a gel material is typically between about 1 minute and several days, preferably about 30 hours or less, about 24 hours or less, about 15 hours or less, about 10 hours or less, about 6 hours or less, about 4 hours or less, about 2 hours or less, about 1 hour or less, about 30 minutes or less, or about 15 minutes or less.

得られたゲル材料を適切な二次溶媒の中で洗浄して、湿潤ゲルに存在する一次反応溶媒を置換することができる。このような二次溶媒は、1個以上の脂肪族炭素原子を有する直鎖一価アルコール、2個以上の炭素原子を有する二価アルコール、分岐アルコール、環状アルコール、脂環式アルコール、芳香族アルコール、多価アルコール、エーテル、ケトン、環状エーテルまたはそれらの誘導体であり得る。 The resulting gel material can be washed in a suitable secondary solvent to displace the primary reaction solvent present in the wet gel. Such secondary solvents can be straight chain monohydric alcohols having one or more aliphatic carbon atoms, dihydric alcohols having two or more carbon atoms, branched alcohols, cyclic alcohols, alicyclic alcohols, aromatic alcohols, polyhydric alcohols, ethers, ketones, cyclic ethers or derivatives thereof.

ゲル材料が形成および処理されると、次いで、処理および抽出技術を含む抽出方法を使用して、ゲルの液相を湿潤ゲルから少なくとも部分的に抽出して、エアロゲル材料を形成することができる。液相抽出は、他の要因の中でも、多孔度および密度などのエアロゲルの特性、ならびに熱伝導率などの関連する特性を操作する上で、重要な役割を果たす。一般に、エアロゲルは、湿潤ゲルの多孔質ネットワークおよび骨格に低い収縮を引き起こす方法で、ゲルから液相を抽出するときに、得られる。 Once the gel material has been formed and processed, the liquid phase of the gel can then be at least partially extracted from the wet gel using extraction methods, including processing and extraction techniques, to form an aerogel material. Liquid phase extraction plays an important role in manipulating the properties of the aerogel, such as porosity and density, as well as related properties, such as thermal conductivity, among other factors. In general, aerogels are obtained when the liquid phase is extracted from the gel in a manner that causes low shrinkage in the porous network and skeleton of the wet gel.

エアロゲルは、一般に、液体移動相の臨界点付近またはそれを超える温度および圧力で、ゲル材料から液体移動相を除去することによって、形成される。臨界点に達するか、または臨界を超える(超臨界)と(すなわち、システムの圧力および温度は、それぞれ臨界圧力および臨界温度以上であると)、液相または気相とは異なる新しい超臨界相が流体に現れる。次いで、液体-蒸気界面、毛細管圧、または典型的には液体-蒸気境界に関連する任意の関連する物質移動の制限を導入することなく、溶媒を除去することができる。さらに、超臨界相は一般に有機溶媒とより混和性であり、したがってより良好な抽出能力を有する。共溶媒および溶媒の交換もまた、超臨界流体乾燥プロセスを最適化するために一般的に使用される。 Aerogels are generally formed by removing a liquid mobile phase from a gel material at temperatures and pressures near or above the critical point of the liquid mobile phase. Once the critical point is reached or surpassed (supercritical) (i.e., the pressure and temperature of the system are at or above the critical pressure and temperature, respectively), a new supercritical phase appears in the fluid that is distinct from the liquid or gas phases. The solvent can then be removed without introducing liquid-vapor interfaces, capillary pressures, or any of the associated mass transfer limitations typically associated with liquid-vapor boundaries. In addition, the supercritical phase is generally more miscible with organic solvents and therefore has better extraction capabilities. Co-solvents and solvent exchanges are also commonly used to optimize supercritical fluid drying processes.

蒸発または抽出が超臨界点未満で起こる場合、液体の蒸発によって生じる毛細管力は、ゲル材料内で収縮および細孔の崩壊を引き起こす可能性がある。溶媒抽出プロセスの中に移動相を臨界圧力および臨界温度付近、またはそれを超えて維持することにより、そのような毛管力の悪影響が低減される。本開示の特定の実施形態では、溶媒系の臨界点のすぐ下の臨界に近い状態を使用することは、十分に収縮が低次のエアロゲル材料または組成物の製造を可能にし、したがって商業的に実行可能な最終製品を製造することができる。 If evaporation or extraction occurs below the supercritical point, capillary forces resulting from evaporation of the liquid can cause shrinkage and pore collapse within the gel material. By maintaining the mobile phase near or above the critical pressure and temperature during the solvent extraction process, the adverse effects of such capillary forces are reduced. In certain embodiments of the present disclosure, the use of near-critical conditions just below the critical point of the solvent system allows for the production of aerogel materials or compositions with sufficiently low shrinkage to produce a commercially viable end product.

エアロゲルの乾燥において超臨界流体を使用する際の様々なアプローチの範囲、ならびに周囲乾燥技術を含む、いくつかの追加のエアロゲル抽出技術が当技術分野で公知である。例えば、Kistler(J.Phys.Chem.(1932)36:52-64)は、ゲル溶媒がその臨界圧力および臨界温度を超えて維持され、それによって蒸発毛細管力を減少させ、ゲルネットワークの構造的完全性を維持する単純な超臨界抽出プロセスを記載している。米国特許第4,610,863号明細書は、ゲル溶媒を液体二酸化炭素と交換し、続いて二酸化炭素が超臨界状態にある状態で抽出する抽出プロセスを記載している。米国特許第6,670,402号明細書は、実質的に超臨界状態以上に予熱および予備加圧された抽出器に超臨界(液体ではなく)二酸化炭素を注入することによって、迅速な溶媒交換を介してゲルから液相を抽出し、それによってエアロゲルを生成することを教示している。米国特許第5,962,539号明細書は、有機溶媒をポリマー分解温度未満の臨界温度を有する流体と交換し、流体/ゾル-ゲルを超臨界抽出することによって、有機溶媒中でゾル-ゲルの形態であるポリマー材料からエアロゲルを得る方法を記載している。米国特許第6,315,971号明細書は、ゲル固体および乾燥剤を含む湿潤ゲルを乾燥させて、乾燥中のゲルの収縮を減少させるのに十分な乾燥条件下で乾燥剤を除去することを含む、ゲル組成物を製造する方法を開示している。米国特許第5,420,168号明細書には、レゾルシノール/ホルムアルデヒドエアロゲルを単純な風乾手順を用いて製造することができる方法が記載されている。米国特許第5,565,142号明細書は、周囲乾燥または亜臨界抽出の最中にゲル骨格および細孔が崩壊に耐えることができるように、ゲル表面をより強くかつより疎水性になるように改質する乾燥技術を記載している。エアロゲル材料から液相を抽出する他の例は、米国特許第5,275,796号明細書および第5,395,805号明細書に見出せる。 Several additional aerogel extraction techniques are known in the art, including a range of different approaches in using supercritical fluids in drying aerogels, as well as ambient drying techniques. For example, Kistler (J. Phys. Chem. (1932) 36:52-64) describes a simple supercritical extraction process in which the gel solvent is maintained above its critical pressure and temperature, thereby reducing the evaporative capillary forces and maintaining the structural integrity of the gel network. U.S. Pat. No. 4,610,863 describes an extraction process in which the gel solvent is exchanged with liquid carbon dioxide, followed by extraction with the carbon dioxide in a supercritical state. U.S. Pat. No. 6,670,402 teaches the extraction of the liquid phase from the gel via rapid solvent exchange by injecting supercritical (rather than liquid) carbon dioxide into an extractor that is preheated and prepressurized substantially above the supercritical state, thereby producing an aerogel. US Patent No. 5,962,539 describes a method of obtaining an aerogel from a polymeric material in the form of a sol-gel in an organic solvent by exchanging the organic solvent with a fluid having a critical temperature below the polymer decomposition temperature and supercritical extraction of the fluid/sol-gel. US Patent No. 6,315,971 discloses a method of producing a gel composition comprising drying a wet gel containing gel solids and a desiccant to remove the desiccant under drying conditions sufficient to reduce shrinkage of the gel during drying. US Patent No. 5,420,168 describes a method by which resorcinol/formaldehyde aerogels can be produced using a simple air-drying procedure. US Patent No. 5,565,142 describes a drying technique that modifies the gel surface to be stronger and more hydrophobic so that the gel skeleton and pores can resist collapse during ambient drying or subcritical extraction. Other examples of extracting liquid phases from aerogel materials can be found in US Patents 5,275,796 and 5,395,805.

湿潤ゲルから液相を抽出する1つの好ましい実施形態は、二酸化炭素の超臨界条件を使用する、例えば、最初にゲルの細孔ネットワークに存在する一次溶媒を液体二酸化炭素と実質的に交換すること;および、次いで、湿潤ゲル(通常オートクレーブで)を二酸化炭素の臨界温度(約31.06℃)を超えるよう加熱し、系の圧力を二酸化炭素の臨界圧力(約1070psig)より高い圧力まで上昇させることを含む。ゲル材料の周囲の圧力をわずかに変動させて、ゲルからの超臨界二酸化炭素流体の除去を容易にすることができる。湿潤ゲルからの一次溶媒の連続的な除去を容易にするために、抽出システムを通して二酸化炭素を再循環させることができる。最後に、温度および圧力を周囲条件にゆっくり戻して、乾燥エアロゲル材料を製造する。二酸化炭素は、抽出チャンバに注入される前に超臨界状態に前処理することもできる。他の実施形態では、抽出は、任意の適切な機構、例えば上述の圧力、タイミング、および溶媒を変更して行うことができる。 One preferred embodiment of extracting the liquid phase from the wet gel involves using supercritical conditions of carbon dioxide, e.g., first substantially exchanging the primary solvent present in the pore network of the gel with liquid carbon dioxide; and then heating the wet gel (usually in an autoclave) above the critical temperature of carbon dioxide (about 31.06° C.) and increasing the pressure of the system to a pressure higher than the critical pressure of carbon dioxide (about 1070 psig). The pressure surrounding the gel material can be slightly varied to facilitate the removal of the supercritical carbon dioxide fluid from the gel. Carbon dioxide can be recirculated through the extraction system to facilitate the continuous removal of the primary solvent from the wet gel. Finally, the temperature and pressure are slowly returned to ambient conditions to produce a dry aerogel material. Carbon dioxide can also be pretreated to a supercritical state before being injected into the extraction chamber. In other embodiments, the extraction can be performed by any suitable mechanism, e.g., varying the pressure, timing, and solvent as described above.

本開示の特定の実施形態では、乾燥ポリイミドエアロゲル組成物は、3時間以上、10秒~3時間、10秒~2時間、10秒~1時間、10秒~45分、10秒~30分、10秒~15分、10秒~5分、10秒~1分、1分~3時間、1分~1時間、1分~45分、1分~30分、1分~15分、1分~5分、10分~3時間、10分~1時間、10分~45分、10分~30分、10分~15分、30分~3時間、30分~1時間、30分~45分、45分~3時間、45分~90分、45分~60分、1時間~3時間、1時間~2時間、1時間~90分という持続時間、1回以上の熱処理に供することができる。 In certain embodiments of the present disclosure, the dried polyimide aerogel composition can be subjected to one or more heat treatments for durations of 3 hours or more, 10 seconds to 3 hours, 10 seconds to 2 hours, 10 seconds to 1 hour, 10 seconds to 45 minutes, 10 seconds to 30 minutes, 10 seconds to 15 minutes, 10 seconds to 5 minutes, 10 seconds to 1 minute, 1 minute to 3 hours, 1 minute to 1 hour, 1 minute to 45 minutes, 1 minute to 30 minutes, 1 minute to 15 minutes, 1 minute to 5 minutes, 10 minutes to 3 hours, 10 minutes to 1 hour, 10 minutes to 45 minutes, 10 minutes to 30 minutes, 10 minutes to 15 minutes, 30 minutes to 3 hours, 30 minutes to 1 hour, 30 minutes to 45 minutes, 45 minutes to 3 hours, 45 minutes to 90 minutes, 45 minutes to 60 minutes, 1 hour to 3 hours, 1 hour to 2 hours, 1 hour to 90 minutes.

特定の実施形態では、本発明は、エネルギー貯蔵装置内の電極材料として、例えばLSB中の一次カソード材料として、カーボンエアロゲルなどのナノ多孔質炭素系足場または構造の形成および使用を含む。ナノ多孔質足場の細孔は、硫黄、リン酸鉄、または他の適切な種を収容するように設計、編成、および構造化される。あるいは、ナノ多孔質足場の細孔は、硫化物、水素化物、任意の適切なポリマー、または添加剤を導電性材料(すなわち、足場/エアロゲル)と接触させてより効果的な電極を設けることが有益である他の添加剤で充填されてもよい。 In certain embodiments, the invention involves the formation and use of nanoporous carbon-based scaffolds or structures, such as carbon aerogels, as electrode materials in energy storage devices, e.g., as the primary cathode material in LSBs. The pores of the nanoporous scaffold are designed, organized, and structured to accommodate sulfur, iron phosphate, or other suitable species. Alternatively, the pores of the nanoporous scaffold may be filled with sulfides, hydrides, any suitable polymer, or other additives where it is beneficial to have the additive in contact with the conductive material (i.e., the scaffold/aerogel) to provide a more effective electrode.

LSB内の例示的な用途をさらに拡張するために、本発明の特定の実施形態のようにカーボンエアロゲル材料が一次カソード材料として利用される場合、エアロゲルのナノ多孔質構造は狭い細孔径の分布を有し、高い導電率、高い機械的強度、ならびに高い重量パーセントの元素状硫黄およびその膨張に対応するための形態および十分な細孔の体積(最終的な密度での)を備えている。構造的に、本発明の特定の実施形態は、他の特性の中でも、上述の狭い細孔径の分布および高い細孔の体積を生成するストラットのサイズを有するフィブリル形態、および増強させた結合性を有する。 To further expand on the exemplary applications within the LSB, when carbon aerogel materials are utilized as the primary cathode material, as in certain embodiments of the present invention, the nanoporous structure of the aerogel has a narrow pore size distribution, high electrical conductivity, high mechanical strength, and morphology and sufficient pore volume (at final density) to accommodate a high weight percent of elemental sulfur and its expansion. Structurally, certain embodiments of the present invention have, among other properties, a fibril morphology with strut sizes that produce the narrow pore size distribution and high pore volume described above, and enhanced connectivity.

以下でさらに論じるように、カーボンエアロゲルの細孔内に含まれる硫黄および多硫化物による性能を高めるために、カーボンエアロゲルの表面を化学的、物理的、または機械的方法によって改質してもよい。 As discussed further below, the surface of the carbon aerogel may be modified by chemical, physical, or mechanical methods to enhance the performance of the sulfur and polysulfides contained within the pores of the carbon aerogel.

追加または代替の実施形態では、カーボンエアロゲル自体は、その導電性および機械的強度のために集電体として機能し、したがって好ましい実施形態では、カソード側に別個の集電体を必要としない(カソードがカーボンエアロゲルで形成される場合)。留意されたいことに、従来のLSBでは、アルミニウム箔がその集電体としてカソードに結合されている。しかし、カーボンエアロゲルの用途に応じて、これらの成分の一方または両方を除去すると、より多くの電極材料のための追加の空間が生じ、セル/個々の電極の容量がさらに大きくなり、パッケージされた電池システムの全体的なエネルギー密度が大きくなる。しかし、特定の実施形態では、既存の集電体は、アルミニウム箔の集電能力または容量を増強するために、様々な他の実施形態のカソード材料と一体化されてもよい。 In additional or alternative embodiments, the carbon aerogel itself acts as a current collector due to its electrical conductivity and mechanical strength, and thus in preferred embodiments, no separate current collector is required on the cathode side (if the cathode is formed of carbon aerogel). Of note, in conventional LSBs, aluminum foil is bonded to the cathode as its current collector. However, depending on the application of the carbon aerogel, removing one or both of these components would create additional space for more electrode material, further increasing the capacity of the cell/individual electrodes and the overall energy density of the packaged battery system. However, in certain embodiments, the existing current collector may be integrated with the cathode material of various other embodiments to enhance the current collection capability or capacity of the aluminum foil.

特定の実施形態では、ナノ多孔質炭素系足場または構造、特にカーボンエアロゲルは、エネルギー貯蔵装置のカソード側の導電性ネットワークまたは集電体として使用することができる。完全に相互接続されたカーボンエアロゲルネットワークは、電気化学的に活性な種で満たされており、電気化学的に活性な種は、炭素ネットワークに直接接触しているか、または物理的に接続されている。電気化学的に活性な種の充填は、高い安定した容量および改善されたエネルギー貯蔵装置の安全性のために、細孔の体積および多孔度に対して調整される。カソード側で利用される場合、電気化学的に活性な種は、例えば、硫黄、リン酸鉄、または他の機能的に適切な種を含み得る。さらに別の実施形態では、カソードは、ナノ多孔質炭素系足場または構造、特にカーボンエアロゲルを含み得る。 In certain embodiments, the nanoporous carbon-based scaffold or structure, particularly carbon aerogel, can be used as a conductive network or current collector on the cathode side of an energy storage device. The fully interconnected carbon aerogel network is filled with electrochemically active species, which are in direct contact or physically connected to the carbon network. The loading of the electrochemically active species is tailored to the pore volume and porosity for high stable capacity and improved energy storage device safety. When utilized on the cathode side, the electrochemically active species can include, for example, sulfur, iron phosphate, or other functionally suitable species. In yet another embodiment, the cathode can include a nanoporous carbon-based scaffold or structure, particularly carbon aerogel.

本開示の文脈の中で、「集電体なし」という用語は、電極に直接接続された別個の集電体がないことを指す。上述したように、従来のLSBでは、アルミニウム箔が通常、その集電体としてカソードに結合されている。本発明の実施形態によれば、ナノ多孔質炭素系足場または構造(例えば、カーボンエアロゲル)から形成された電極は、足場または構造自体がその高い導電性のために集電体として機能するので、独立した構造であり得るか、またはそうでなければ集電体なしの機能を有し得る。電気化学セル内では、連続多孔質炭素を製造する溶液工程の間に固体、メッシュ、織物タブを埋め込むことによって、または、リードを多孔質炭素表面の一部にはんだ付け、溶接、または金属堆積することによって、集電体なしの電極を接続して回路を形成することができる。炭素を系の残りの部分に接触させる他の機構も本明細書で企図される。代替的な実施形態では、ナノ多孔質炭素系足場または構造、具体的にはカーボンエアロゲルは、専用の集電基材(例えば、銅箔、アルミニウム箔などである)上に配置されるか、そうでなければそれと連通してもよい。このシナリオでは、カーボンエアロゲルは、導電性接着剤を使用して固体集電体に取り付けられ、様々な量の圧力を加えられ得る。 In the context of this disclosure, the term "current collector -less " refers to the absence of a separate current collector directly connected to the electrode. As mentioned above, in conventional LSBs, an aluminum foil is usually bonded to the cathode as its current collector. According to embodiments of the present invention, an electrode formed from a nanoporous carbon-based scaffold or structure (e.g., carbon aerogel) can be a freestanding structure or can otherwise function without a current collector, as the scaffold or structure itself functions as a current collector due to its high electrical conductivity. In an electrochemical cell, the current collector -less electrodes can be connected to form a circuit by embedding a solid, mesh, or woven tab during the solution process that produces the continuous porous carbon, or by soldering, welding, or metal depositing a lead to a portion of the porous carbon surface. Other mechanisms for contacting the carbon to the rest of the system are also contemplated herein. In alternative embodiments, the nanoporous carbon-based scaffold or structure, specifically the carbon aerogel, may be disposed on or otherwise in communication with a dedicated current collecting substrate (e.g., copper foil, aluminum foil, etc.). In this scenario, the carbon aerogel can be attached to a solid current collector using a conductive adhesive and subjected to varying amounts of pressure.

さらに、本明細書では、ナノ多孔質炭素系足場または構造、特にカーボンエアロゲルは、モノリシック構造の形態または粉末形態をとることができると考えられる。本質的にモノリシックである場合、カーボンエアロゲルは、任意の結合剤の必要性を排除する。換言すれば、カソードは結合剤なしであり得る。本明細書で使用される場合、「モノリシック」という用語は、エアロゲル材料または組成物に含まれるエアロゲルの大部分(重量で)が単一の連続的な相互接続されたエアロゲルナノ構造の形態であるエアロゲル材料を指す。モノリシックエアロゲル材料は、最初は一体的に相互接続されたゲルまたはエアロゲルのナノ構造を有するように形成されるが、その後、非一体型エアロゲルのナノ構造に亀裂、破壊またはセグメント化され得るエアロゲル材料を含む。モノリシックエアロゲルは、自立構造または強化(維または発泡体)材料の形態をとることができる。比較すると、例としてLSBを使用すると、モノリシックエアロゲルに組み込まれた硫黄は、従来のプロセスを使用してスラリーに組み込まれた、同じ量の硫黄と比較して、理論的な容量に対してより効果的に利用することができる。 Further, it is contemplated herein that the nanoporous carbon-based scaffold or structure, particularly carbon aerogel, can be in the form of a monolithic structure or in powder form. When essentially monolithic, the carbon aerogel eliminates the need for any binder. In other words, the cathode can be binder -free . As used herein, the term "monolithic" refers to an aerogel material in which the majority (by weight) of the aerogel contained in the aerogel material or composition is in the form of a single continuous interconnected aerogel nanostructure. Monolithic aerogel materials include aerogel materials that are initially formed to have an integrally interconnected gel or aerogel nanostructure, but may subsequently crack, break or segment into non-integral aerogel nanostructures. Monolithic aerogels can be in the form of free-standing structures or reinforced ( fiber or foam) materials. By comparison, using LSB as an example, sulfur incorporated into monolithic aerogels can be more effectively utilized relative to theoretical capacity compared to the same amount of sulfur incorporated into a slurry using conventional processes.

モノリシックエアロゲル材料は、粒状エアロゲル材料と区別される。「粒状エアロゲル材料」という用語は、エアロゲル材料に含まれるエアロゲルの大部分(重量基準)が、微粒子、粒子、顆粒、ビーズまたは粉末の形態であるエアロゲル材料を指し、これらは一緒に(すなわち、ポリマー結合剤などの結合剤を介して)組み合わさる、または一緒に圧縮することができるが、個々の粒子間に相互接続されたエアロゲルのナノ構造を欠いている。集合的に、この形態のエアロゲル材料は、(モノリシック形態とは対照的に)粉末または粒子の形態を有すると言及される。単一構造を有する粉末の個々の粒子であるにもかかわらず、個々の粒子は、本明細書ではモノリスと見なされないことに留意されたい。エアロゲル粉末の電気化学セルへの統合は、典型的には、粉末からのペーストまたはスラリーの作成、基材へのキャスティングおよび乾燥を含み、任意選択で、カレンダ加工を含んでもよい。 Monolithic aerogel materials are distinguished from granular aerogel materials. The term "granular aerogel materials" refers to aerogel materials in which the majority (by weight) of the aerogel contained in the aerogel material is in the form of particulates, particles, granules, beads or powders that can be combined together (i.e., via a binder, such as a polymeric binder) or compressed together, but lack the interconnected nanostructure of aerogel between the individual particles. Collectively, aerogel materials in this form are referred to as having a powder or particle form (as opposed to a monolithic form). It should be noted that, despite the individual particles of the powder having a unitary structure, the individual particles are not considered monoliths herein. Integration of aerogel powders into electrochemical cells typically involves creating a paste or slurry from the powder, casting onto a substrate and drying, and may optionally include calendering.

本開示の文脈の中で、「結合剤なし」または「結合剤不含有」(またはその誘導体)という用語は、その材料を一緒に保持するための結合剤または接着剤を実質的に含まない材料を指す。例えば、モノリシックなナノ多孔質炭素材料は、その骨格が一体の連続的な相互接続構造として形成されるため、結合剤を含まない。結合剤なしであることの利点は、導電率および細孔の体積などに対する結合剤のあらゆる悪影響を回避することを含む。一方、エアロゲル粉末または粒子は、より大きな機能性材料を形成するために一緒に保持するために結合剤を必要とする。このようなより大きな材料は、本明細書ではモノリスであるとは考えられない。さらに、この「結合剤不含有」という用語は、結合剤の全使用を排除するものではない。例えば、本発明によるモノリシックエアロゲルは、エアロゲル材料の主表面に結合剤または接着剤を配置することによって、別のモノリシックエアロゲルまたは非エアロゲル材料に固定され得る。このようにして、結合剤は積層複合体を作製するために使用されるが、結合剤はモノリシックエアロゲル骨格自体の安定性を維持する機能を有さない。 Within the context of this disclosure, the term "binder- free " or "binder-free" (or derivatives thereof) refers to a material that is substantially free of a binder or adhesive to hold the material together. For example, a monolithic nanoporous carbon material does not contain a binder since its framework is formed as an integral continuous interconnected structure. The advantages of being binder- free include avoiding any adverse effects of binders on electrical conductivity, pore volume, etc. Aerogel powders or particles, on the other hand, require a binder to hold them together to form a larger functional material. Such larger materials are not considered to be monoliths herein. Furthermore, the term "binder-free" does not exclude the total use of a binder. For example, a monolithic aerogel according to the present invention may be secured to another monolithic aerogel or non-aerogel material by placing a binder or adhesive on a major surface of the aerogel material. In this way, a binder is used to create a laminated composite, but the binder does not function to maintain the stability of the monolithic aerogel framework itself.

さらに、本開示のモノリシックポリマーエアロゲル材料または組成物は、エアロゲルを高密度化し、多孔度を最小限に低減しながら、エアロゲル骨格の著しい破壊または破砕なしに、最大95%の歪みで圧縮され得る。特定の実施形態では、圧縮されたポリマーエアロゲル材料または組成物は、続いて、本明細書に記載の様々な方法を使用して炭化され、ナノ多孔質炭素材料を形成する。圧縮量は、得られる炭素材料の厚さに影響を及ぼし、厚さは、本明細書が続くにつれてより明確になるように、容量に影響を及ぼすことが理解され得る。以下に記載される実施例は、本発明によって形成され企図される様々な厚さを示し、厚さは圧縮に基づいて調整可能である。したがって、複合体の厚さ(典型的には圧縮されたもの)は、最終的な複合体に必要な利点に基づいて、約10~1000μm、またはその中の任意のより狭い範囲とすることができる。本発明はまた、結合剤が必要とされ、粒径が最適化されるカーボンエアロゲルの粉末または粒子の形態を企図する。粒径の範囲は、約5~50μmであり得る。 Furthermore, the monolithic polymer aerogel material or composition of the present disclosure may be compressed at strains up to 95% without significant destruction or fracturing of the aerogel skeleton, while densifying the aerogel and minimizing porosity. In certain embodiments, the compressed polymer aerogel material or composition is subsequently carbonized using various methods described herein to form a nanoporous carbon material. It can be understood that the amount of compression affects the thickness of the resulting carbon material, which in turn affects the volume, as will become more clear as the present specification continues. The examples described below show the various thicknesses formed and contemplated by the present invention, which thickness is adjustable based on compression. Thus, the thickness of the composite (typically compressed) can be about 10-1000 μm, or any narrower range therein, based on the benefits desired for the final composite. The present invention also contemplates powder or particulate forms of carbon aerogel where a binder is required and particle size is optimized. The particle size range can be about 5-50 μm.

本発明によるカーボンエアロゲルなどのナノ多孔質炭素は、任意の適切な有機前駆体材料から形成することができる。そのような材料の例には、RF、PF、PI、ポリアミド、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、アクリレートオリゴマー、ポリオキシアルキレン、ポリウレタン、ポリフェノール、ポリブタジエン、トリアルコキシシリル末端ポリジメチルシロキサン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリフルフラール、メラミン-ホルムアルデヒド、クレゾールホルムアルデヒド、フェノール-フルフラール、ポリエーテル、ポリオール、ポリイソシアネート、ポリヒドロキシベンズ、ポリビニルアルコールジアルデヒド、ポリシアヌレート、ポリアクリルアミド、様々なエポキシ、寒天、アガロース、キトサン、ならびにそれらの組み合わせおよび誘導体が含まれるが、これらに限定されない。これらの材料の任意の前駆体を使用して、得られた材料を作製および使用することができる。例示的な実施形態では、カーボンエアロゲルは、熱分解/炭化ポリイミド系エアロゲル、すなわちポリイミドの重合から形成される。さらにより具体的には、ポリイミド系エアロゲルは、Rhineらの米国特許第7,071,287号明細書および第7,074,880号明細書に記載されている1つ以上の方法論を使用して、例えば、ポリ(アミド)酸のイミド化および超臨界流体を使用した、得られたゲルの乾燥によって、製造することができる。ポリイミドエアロゲル(およびそれに由来するカーボンエアロゲル)を製造する他の適切な方法も、本明細書で企図されており、例えば、Suzukiらの米国特許第6,399,669号明細書;Leventisらの米国特許第9,745,198号明細書;Leventis et al.,Polyimide Aerogels by Ring-Opening Metathesis Polymerization(ROMP),Chem.Mater.2011,23,8,2250-2261;Leventis et al.,Isocyanate-Derived Organic Aerogels:Polyureas,Polyimides,Polyamides,MRS Proceedings,1306(2011),Mrsf10-1306-bb03-01.doi:10.1557/opl.2011.90;Chidambareswarapattar et al.,One-step room-temperature synthesis of fibrous polyimide aerogels from anhydrides and isocyanates and conversion to isomorphic carbons,J.Mater.Chem.,2010,20,9666-9678;Guo et al.,Polyimide Aerogels Cross-Linked through Amine Functionalized Polyoligomeric Silsesquioxane,ACS Appl.Mater.Interfaces 2011,3,546-552;Nguyen et al.,Development of High Temperature,Flexible Polyimide Aerogels,American Chemical Society,proceedings published 2011;Meador et al.,Mechanically Strong,Flexible Polyimide Aerogels Cross-Linked with Aromatic Triamine,ACS Appl.Mater.Interfaces,2012,4(2),pp 536-544;Meador et al.,Polyimide Aerogels with Amide Cross-Links:A Low Cost Alternative for Mechanically Strong Polymer Aerogels,ACS Appl.Mater.Interfaces 2015,7,1240-1249;Pei et al.,Preparation and Characterization of Highly Cross-Linked Polyimide Aerogels Based on Polyimide Containing Trimethoxysilane Side Groups,Langmuir 2014,30,13375-13383に記載されているものが挙げられる。次いで、得られたポリイミドエアロゲルを熱分解して、ポリイミド由来のカーボンエアロゲルを形成する。 Nanoporous carbons, such as carbon aerogels according to the present invention, can be formed from any suitable organic precursor material. Examples of such materials include, but are not limited to, RF, PF, PI, polyamides, polyacrylates, polymethylmethacrylates, acrylate oligomers, polyoxyalkylenes, polyurethanes, polyphenols, polybutadienes, trialkoxysilyl-terminated polydimethylsiloxanes, polystyrenes, polyacrylonitriles, polyfurfural, melamine-formaldehyde, cresol formaldehyde, phenol-furfural, polyethers, polyols, polyisocyanates, polyhydroxybenz, polyvinyl alcohol dialdehyde, polycyanurates, polyacrylamides, various epoxies, agar, agarose, chitosan, and combinations and derivatives thereof. Any precursor of these materials can be used to make and use the resulting material. In an exemplary embodiment, the carbon aerogels are formed from pyrolyzed/carbonized polyimide-based aerogels, i.e., polymerization of polyimides. Even more specifically, polyimide-based aerogels can be produced using one or more of the methodologies described in U.S. Patents 7,071,287 and 7,074,880 to Rhine et al., for example, by imidization of poly(amide) acids and drying the resulting gel using a supercritical fluid. Other suitable methods of producing polyimide aerogels (and carbon aerogels derived therefrom) are also contemplated herein, including, for example, U.S. Patents 6,399,669 to Suzuki et al.; 9,745,198 to Leventis et al.; Polyimide Aerogels by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP), Chem. Mater. 2011, 23, 8, 2250-2261; Leventis et al. , Isocyanate-Derived Organic Aerogels: Polyureas, Polyimides, Polyamides, MRS Proceedings, 1306 (2011), Mrsf10-1306-bb03-01. doi:10.1557/opl. 2011.90; Chidambareswarapatter et al. , One-step room-temperature synthesis of fibrous polyimide aerogels from anhydrides and isocyanates and conversion to isomo rphic carbons, J. Mater. Chem. , 2010, 20, 9666-9678; Guo et al. , Polyimide Aerogels Cross-Linked through Amine Functionalized Polyoligomeric Silsesquioxane, ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 546-552; Nguyen et al. , Development of High Temperature, Flexible Polyimide Aerogels, American Chemical Society, proceedings published 2011; tal. , Mechanically Strong, Flexible Polyimide Aerogels Cross-Linked with Aromatic Triamine, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4(2), pp 536-544; Meador et al. , Polyimide Aerogels with Amide Cross-Links: A Low Cost Alternative for Mechanically Strong Polymer Aerogels, ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 1240-1249; Pei et al. , Preparation and Characterization of Highly Cross-Linked Polyimide Aerogels Based on Polyimide Containing Trimethoxysilane Side Groups, Langmuir 2014, 30, 13375-13383. The resulting polyimide aerogel is then pyrolyzed to form a polyimide-derived carbon aerogel.

本開示の例示的な実施形態によるカーボンエアロゲル、例えばポリイミド由来のカーボンエアロゲルは、少なくとも約4重量%の残留窒素含有量を有することができる。例えば、本明細書に開示される実施形態によるカーボンエアロゲルは、少なくとも約0.1重量%、少なくとも約0.5重量%、少なくとも約1重量%、少なくとも約2重量%、少なくとも約3重量%、少なくとも約4重量%、少なくとも約5重量%、少なくとも約6重量%、少なくとも約7重量%、少なくとも約8重量%、少なくとも約9重量%、少なくとも約10重量%、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の残留窒素含有量を有することができる。 Carbon aerogels according to exemplary embodiments of the present disclosure, such as polyimide-derived carbon aerogels, can have a residual nitrogen content of at least about 4% by weight. For example, carbon aerogels according to embodiments disclosed herein can have a residual nitrogen content of at least about 0.1% by weight, at least about 0.5% by weight, at least about 1% by weight, at least about 2% by weight, at least about 3% by weight, at least about 4% by weight, at least about 5% by weight, at least about 6% by weight, at least about 7% by weight, at least about 8% by weight, at least about 9% by weight, at least about 10% by weight, or a range between any two of these values.

本開示の特定の実施形態では、乾燥ポリマーエアロゲル組成物は、有機(例えばポリイミド)エアロゲルの炭化のために、200℃以上、400℃以上、600℃以上、800℃以上、1000℃以上、1200℃以上、1400℃以上、1600℃以上、1800℃以上、2000℃以上、2200℃以上、2400℃以上、2600℃以上、2800℃以上、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の処理温度に供することができる。例示的な実施形態において、乾燥ポリマーエアロゲル組成物は、約1000℃~約1100℃の範囲の処理温度、例えば約1050℃に供することができる。理論に束縛されるものではないが、エアロゲル組成物の導電率は炭化温度と共に増加することが本明細書では企図される。 In certain embodiments of the present disclosure, the dry polymer aerogel composition can be subjected to a processing temperature of 200° C. or more, 400° C. or more, 600° C. or more, 800° C. or more, 1000° C. or more, 1200° C. or more, 1400° C. or more, 1600° C. or more, 1800° C. or more, 2000° C. or more, 2200° C. or more, 2400° C. or more, 2600° C. or more, 2800° C. or more, or a range between any two of these values, for carbonization of the organic (e.g., polyimide) aerogel. In exemplary embodiments, the dry polymer aerogel composition can be subjected to a processing temperature ranging from about 1000° C. to about 1100° C., for example, about 1050° C. Without being bound by theory, it is contemplated herein that the electrical conductivity of the aerogel composition increases with carbonization temperature.

本開示の文脈の中で、「導電率」という用語は、電流を伝導するか、または他の方法で電子がそこを通ってまたはその中を流れることを可能にする材料の能力の測定値を指す。導電率は、具体的には、材料の単位の大きさ当たりの材料の導電率/サセプタンス/アドミタンスとして測定される。これは、典型的には、S/m(シーメンス/メートル)またはS/cm(シーメンス/センチメートル)として記録される。材料の導電率または抵抗率は、例えば、これらに限定されないが、直列4点抵抗率(ASTM F84-99の二重構成試験方法を使用)を含む、当技術分野で公知の方法によって決定することができる。本開示の文脈の中では、特に明記しない限り、導電率の測定値は、電圧(V)を電流(I)で割って測定することによって得られるASTM F84-抵抗率(R)測定に従って取得される。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約1S/cm以上、約5S/cm以上、約10S/cm以上、20S/cm以上、30S/cm以上、40S/cm以上、50S/cm以上、60S/cm以上、70S/cm以上、80S/cm以上、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の導電率を有する。 Within the context of this disclosure, the term "electrical conductivity" refers to a measurement of a material's ability to conduct electric current or otherwise allow electrons to flow through or within it. Electrical conductivity is specifically measured as the conductivity/susceptance/admittance of a material per unit size of the material. It is typically recorded as S/m (Siemens/meter) or S/cm (Siemens/centimeter). The electrical conductivity or resistivity of a material can be determined by methods known in the art, including, for example, but not limited to, series four-point resistivity (using the dual configuration test method of ASTM F84-99). Within the context of this disclosure, unless otherwise stated, electrical conductivity measurements are taken according to the ASTM F84-Resistivity (R) measurement, which is obtained by measuring the voltage (V) divided by the current (I). In certain embodiments, the aerogel material or composition of the present disclosure has a conductivity of about 1 S/cm or more, about 5 S/cm or more, about 10 S/cm or more, 20 S/cm or more, 30 S/cm or more, 40 S/cm or more, 50 S/cm or more, 60 S/cm or more, 70 S/cm or more, 80 S/cm or more, or a range between any two of these values.

本開示の文脈の中で、「電気化学的に活性な種」という用語は、エネルギー貯蔵装置内でイオンを受容および放出することができる添加剤を指す。例としてLSBを使用すると、カソード内の電気化学的に活性な種は、放電中にリチウムイオンを受け入れ(したがって、硫化リチウム種への変換を経る)、充電中にリチウムイオンを放出する。電気化学的に活性な種は、ナノ多孔質炭素との直接/物理的結合を有することによって、カソード内で安定化することができる。特定の実施形態では、ナノ多孔質炭素ネットワークは、電気化学的に活性な種の周りに相互接続構造を形成する。電気化学的に活性な種は、複数の点でナノ多孔質炭素に結合している。電気化学的に活性な種の例は硫黄であり、これは硫化リチウムに変換すると膨張する。しかし、硫黄はナノ多孔質カーボン(エアロゲル)との複数の接続点を有するため、硫黄は細孔内に保持され、活性のままであり得る。ナノ多孔質炭素材料に組み込まれる硫黄の量は、LSBの従来のカソードと比較して増強され得る。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、カソードの約5重量%とカソードの約90重量%の間、またはこれらの2つの値の間の任意の範囲の硫黄含有量を有する。 In the context of this disclosure, the term "electrochemically active species" refers to an additive capable of accepting and releasing ions in an energy storage device. Using LSB as an example, the electrochemically active species in the cathode accepts lithium ions during discharge (thus undergoing conversion to lithium sulfide species) and releases lithium ions during charging. The electrochemically active species can be stabilized in the cathode by having a direct/physical bond with the nanoporous carbon. In certain embodiments, the nanoporous carbon network forms an interconnected structure around the electrochemically active species. The electrochemically active species is bonded to the nanoporous carbon at multiple points. An example of an electrochemically active species is sulfur, which expands when converted to lithium sulfide. However, because sulfur has multiple connection points with the nanoporous carbon (aerogel), the sulfur can be retained in the pores and remain active. The amount of sulfur incorporated into the nanoporous carbon material can be enhanced compared to conventional cathodes with LSB. In certain embodiments, the aerogel material or composition of the present disclosure has a sulfur content between about 5% by weight of the cathode and about 90% by weight of the cathode, or any range between these two values.

本開示の文脈の中で、「圧縮強度」、「曲げ強度」、および「引張強度」という用語は、それぞれ圧縮力、曲げる力または屈曲する力、および引張る力または引く力の下での破断または破壊に対する材料の耐性を指す。これらの強度は、具体的には、荷重/力に抵抗する単位面積当たりの荷重/力の量として測定される。これは、典型的には、ポンド/平方インチ(psi)、メガパスカル(MPa)、またはギガパスカル(GPa)として記録される。とりわけ、材料の圧縮強度、曲げ強度、および引張強度は、材料の構造的完全性に集合的に寄与し、これはLSBにおいて有益である。機械的強度の指標であるヤング率を特に言及すると、この弾性率は、例えば、限定はしないが、Standard Test Practice for Instrumented Indentation Testing(ASTM E2546,ASTM International,West Conshocken,PA);またはStandardized Nanoindentation(ISO 14577,International Organization for Standardization、スイス)を含む、当技術分野で公知の方法によって判定することができる。本開示の文脈の中で、ヤング率の測定値は、特に明記しない限り、ASTM E2546およびISO 14577に従って取得されている。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約0.2GPa以上、0.4GPa以上、0.6GPa以上、1GPa以上、2GPa以上、4GPa以上、6GPa以上、8GPa以上、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲のヤング率を有する。 Within the context of this disclosure, the terms "compressive strength," "flexural strength," and "tensile strength" refer to a material's resistance to breaking or fracture under compressive, bending or flexing, and tensile or pulling forces, respectively. These strengths are specifically measured as the amount of load/force per unit area resisting the load/force. This is typically recorded as pounds per square inch (psi), megapascals (MPa), or gigapascals (GPa). Among other things, the compressive, flexural, and tensile strengths of a material collectively contribute to the structural integrity of the material, which is beneficial in LSBs. With particular reference to Young's modulus, which is a measure of mechanical strength, this modulus can be determined by methods known in the art, including, for example, but not limited to, Standard Test Practice for Instrumented Indentation Testing (ASTM E2546, ASTM International, West Conshocken, PA); or Standardized Nanoindentation (ISO 14577, International Organization for Standardization, Switzerland). In the context of this disclosure, Young's modulus measurements are taken in accordance with ASTM E2546 and ISO 14577, unless otherwise specified. In certain embodiments, the aerogel material or composition of the present disclosure has a Young's modulus of about 0.2 GPa or more, 0.4 GPa or more, 0.6 GPa or more, 1 GPa or more, 2 GPa or more, 4 GPa or more, 6 GPa or more, 8 GPa or more, or in a range between any two of these values.

本開示の文脈の中で、「細孔径の分布」という用語は、多孔質材料のサンプル体積内の各細孔径の統計的分布または相対的な量を指す。より狭い細孔径の分布は、狭い範囲の細孔径での比較的大きな割合の細孔を指し、したがって電気化学的に活性な種を取り囲むことができる細孔の量を最適化し、細孔の体積の使用を最大化する。逆に、より広い細孔径の分布は、狭い範囲の細孔径での比較的小さい割合の細孔を指す。したがって、細孔径の分布は、典型的には、細孔の体積の関数として測定され、細孔径の分布のチャートの主なピークの半値全幅の単位のサイズとして記録される。多孔質材料の細孔径の分布は、例えば、細孔径の分布を計算することができる窒素吸脱着による表面積および多孔度分析器を含むがこれらに限定されない、当技術分野で公知の方法によって判定することができる。本開示の文脈の中で、細孔径の分布の測定値は、特に明記しない限り、この方法に従って取得される。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約50nm以下、45nm以下、40nm以下、35nm以下、30nm以下、25nm以下、20nm以下、15nm以下、10nm以下、5nm以下、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の比較的狭い細孔径の分布(半値全幅)を有する。 Within the context of this disclosure, the term "pore size distribution" refers to the statistical distribution or relative amount of each pore size within a sample volume of a porous material. A narrower pore size distribution refers to a relatively large percentage of pores in a narrow range of pore sizes, thus optimizing the amount of pores that can surround electrochemically active species and maximizing the use of the pore volume. Conversely, a wider pore size distribution refers to a relatively small percentage of pores in a narrow range of pore sizes. Thus, the pore size distribution is typically measured as a function of pore volume and recorded as a size in units of full width at half maximum of the main peak of a pore size distribution chart. The pore size distribution of a porous material can be determined by methods known in the art, including, for example, but not limited to, surface area and porosity analyzers by nitrogen adsorption/desorption, from which the pore size distribution can be calculated. Within the context of this disclosure, measurements of the pore size distribution are obtained according to this method unless otherwise specified. In certain embodiments, the aerogel material or composition of the present disclosure has a relatively narrow pore size distribution (full width at half maximum) of about 50 nm or less, 45 nm or less, 40 nm or less, 35 nm or less, 30 nm or less, 25 nm or less, 20 nm or less, 15 nm or less, 10 nm or less, 5 nm or less, or a range between any two of these values.

本開示の文脈の中で、「細孔の体積」という用語は、多孔質材料のサンプル内の細孔の総体積を指す。細孔の体積は、具体的には、多孔質材料内の空隙の空間の体積として測定され、その空隙の空間は、測定可能であってもよく、および/または別の材料、例えば硫黄などの電気化学的活性種が接近可能であってもよい。これは、通常、立方センチメートル/グラム(cm/gまたはcc/g)として記録される。多孔質材料の細孔の体積は、例えば、細孔径の体積を計算することができる窒素吸脱着による表面積および多孔度分析器を含むがこれらに限定されない、当技術分野で公知の方法によって判定することができる。本開示の文脈の中で、細孔の体積の測定値は、特に明記しない限り、この方法に従って取得される。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物(電気化学的に活性な種、例えば硫黄を組み込むことなく)は、約1cc/g以上、1.5cc/g以上、2cc/g以上、2.5cc/g以上、3cc/g以上、3.5cc/g以上、4cc/g以上、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の比較的大きな細孔の体積を有する。他の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または、組成物(電気化学的に活性な種、例えば、硫黄を組み込んでいる)は、約0.10cc/g以上、0.3cc/g以上、0.6cc/g以上、0.9cc/g以上、1.2cc/g以上、1.5cc/g以上、1.8cc/g以上、2.1cc/g以上、2.4cc/g以上、2.7cc/g以上、3.0cc/g以上、3.3cc/g以上、3.6cc/g以上、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の細孔の体積を有する。 In the context of this disclosure, the term "pore volume" refers to the total volume of pores in a sample of a porous material. Pore volume is specifically measured as the volume of void space within a porous material, which void space may be measurable and/or accessible to another material, such as an electrochemically active species, such as sulfur. This is usually recorded as cubic centimeters per gram ( cm3 /g or cc/g). The pore volume of a porous material can be determined by methods known in the art, including, for example, but not limited to, surface area and porosity analyzers by nitrogen adsorption/desorption, which can calculate the volume of the pore size. In the context of this disclosure, pore volume measurements are taken according to this method unless otherwise specified. In certain embodiments, the aerogel materials or compositions of the present disclosure (without incorporating an electrochemically active species, e.g., sulfur) have a relatively large pore volume of about 1 cc/g or more, 1.5 cc/g or more, 2 cc/g or more, 2.5 cc/g or more, 3 cc/g or more, 3.5 cc/g or more, 4 cc/g or more, or a range between any two of these values. In other embodiments, the aerogel materials or compositions of the present disclosure (incorporating an electrochemically active species, e.g., sulfur) have a pore volume of about 0.10 cc/g or more, 0.3 cc/g or more, 0.6 cc/g or more, 0.9 cc/g or more, 1.2 cc/g or more, 1.5 cc/g or more, 1.8 cc/g or more, 2.1 cc/g or more, 2.4 cc/g or more, 2.7 cc/g or more, 3.0 cc/g or more, 3.3 cc/g or more, 3.6 cc/g or more, or a range between any two of these values.

本開示の文脈の中で、「多孔度」という用語は、細孔の壁に結合した別の材料(例えば、硫黄などの電気化学的に活性な種)を含まない細孔の体積比を指す。明確化および例示の目的のために、LSBにおける一次カソード材料としての硫黄ドープカーボンエアロゲルの特定の実施態様では、多孔度は、元素状の硫黄を含んだ後の空隙の空間を指すことに留意されたい。多孔度は、例えば、エアロゲル材料の細孔の体積とそのかさ密度との比を含むがこれらに限定されない、当技術分野で公知の方法によって判定され得る。本開示の文脈の中で、多孔度の測定値は、特に明記しない限り、この方法に従って取得される。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約80%以下、70%以下、60%以下、50%以下、40%以下、30%以下、20%以下、10%以下、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の多孔度を有する。 In the context of this disclosure, the term "porosity" refers to the volume fraction of the pores that does not contain another material (e.g., an electrochemically active species such as sulfur) bound to the walls of the pores. For purposes of clarity and illustration, it is noted that in certain implementations of sulfur-doped carbon aerogels as the primary cathode material at the LSB, porosity refers to the void space after including elemental sulfur. Porosity may be determined by methods known in the art, including, for example, but not limited to, the ratio of the volume of the pores of the aerogel material to its bulk density. In the context of this disclosure, porosity measurements are obtained according to this method unless otherwise indicated. In certain embodiments, the aerogel materials or compositions of the present disclosure have a porosity of about 80% or less, 70% or less, 60% or less, 50% or less, 40% or less, 30% or less, 20% or less, 10% or less, or a range between any two of these values.

細孔の体積と多孔度が、細孔構造の同じ特性、すなわち細孔構造内の「空いている空間」に対する異なる尺度であるということに留意されたい。例えば、硫黄がナノ多孔質炭素材料の細孔内に囲まれた電気化学的活性種として使用される場合、細孔の体積および多孔度は、「空」の空間、すなわち炭素または電気化学的活性種によって利用されない空間を指す。見て分かるように、予備炭素化されたナノ多孔質材の、例えば圧縮による緻密化は、他の特性の中でも、細孔の体積および多孔度に影響を及ぼし得る。 It should be noted that pore volume and porosity are different measures for the same property of the pore structure, namely the "empty space" within the pore structure. For example, if sulfur is used as an electrochemically active species enclosed within the pores of a nanoporous carbon material, the pore volume and porosity refer to the "empty" space, i.e., the space not utilized by the carbon or the electrochemically active species. As can be seen, densification of the pre-carbonized nanoporous material, for example by compression, can affect the pore volume and porosity, among other properties.

本開示の文脈の中で、「分布からの最大ピークにおける細孔径」という用語は、細孔径の分布を示すグラフ上の識別可能なピークでの値を指す。分布からの最大ピークにおける細孔径は、最大のパーセンテージの細孔が形成される細孔径として具体的に測定される。これは、典型的には、細孔径の任意の単位長さ、例えばμmまたはnmとして記録される。分布からの最大ピークにおける細孔径は、例えば、それだけに限らないが、細孔径の分布を計算することができ、最大ピークでの細孔径を判定することができる窒素吸脱着による表面積および多孔度分析器を含む、当技術分野で公知の方法によって判定することができる。本開示の文脈の中で、分布からの最大ピークでの細孔径の測定値は、特に明記しない限り、この方法に従って取得される。特定の実施形態において、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約150nm以下、140nm以下、130nm以下、120nm以下、110nm以下、100nm以下、90nm以下、80nm以下、70nm以下、60nm以下、50nm以下、40nm以下、30nm以下、20nm以下、10nm以下、5nm以下、2nm以下、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の分布からの最大ピークにおける細孔径を有する。 In the context of this disclosure, the term "pore size at the maximum peak from a distribution" refers to the value at a discernible peak on a graph showing the distribution of pore sizes. The pore size at the maximum peak from a distribution is specifically measured as the pore size at which the largest percentage of pores are formed. This is typically recorded as an arbitrary unit length of pore size, e.g., μm or nm. The pore size at the maximum peak from a distribution can be determined by methods known in the art, including, for example, but not limited to, surface area and porosity analyzers by nitrogen adsorption/desorption, which can calculate the distribution of pore sizes and determine the pore size at the maximum peak. In the context of this disclosure, measurements of the pore size at the maximum peak from a distribution are taken according to this method unless otherwise specified. In certain embodiments, the aerogel material or composition of the present disclosure has a pore size at the largest peak from a distribution of about 150 nm or less, 140 nm or less, 130 nm or less, 120 nm or less, 110 nm or less, 100 nm or less, 90 nm or less, 80 nm or less, 70 nm or less, 60 nm or less, 50 nm or less, 40 nm or less, 30 nm or less, 20 nm or less, 10 nm or less, 5 nm or less, 2 nm or less, or a range between any two of these values.

本開示の文脈の中で、「ストラット幅」という用語は、フィブリル形態を有するエアロゲルを形成するナノストラット、ナノロッド、ナノファイバー、またはナノフィラメントの平均直径を指す。これは、典型的には、任意の単位長さ、例えばμmまたはnmとして記録される。ストラット幅は、例えば、限定はしないが、走査型電子顕微鏡画像分析を含む、当技術分野で公知の方法によって判定することができる。本開示の文脈の中で、ストラット幅の測定値は、特に明記しない限り、この方法に従って取得される。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約10nm以下、9nm以下、8nm以下、7nm以下、6nm以下、5nm以下、4nm以下、3nm以下、2nm以下、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲のストラット幅を有する。約2~5nmの範囲のストラット幅などのより小さいストラット幅は、より多くの量のストラットがネットワーク内に存在することを可能にし、したがって電気化学的活性種と接触し、ひいてはより多くの電気化学的活性種が複合体内に存在することを可能にする。これにより、導電性および機械的強度が向上する。 Within the context of the present disclosure, the term "strut width" refers to the average diameter of the nanostruts, nanorods, nanofibers , or nanofilaments that form the aerogel having a fibril morphology. This is typically recorded as any unit length, e.g., μm or nm. Strut width can be determined by methods known in the art, including, for example, but not limited to, scanning electron microscope image analysis. Within the context of the present disclosure, strut width measurements are taken according to this method unless otherwise indicated. In certain embodiments, the aerogel materials or compositions of the present disclosure have a strut width of about 10 nm or less, 9 nm or less, 8 nm or less, 7 nm or less, 6 nm or less, 5 nm or less, 4 nm or less, 3 nm or less, 2 nm or less, or in the range between any two of these values. Smaller strut widths, such as strut widths in the range of about 2-5 nm, allow for a greater amount of struts to be present in the network and therefore in contact with the electrochemically active species, which in turn allows for more electrochemically active species to be present in the composite. This improves electrical conductivity and mechanical strength.

本開示の文脈の中で、「フィブリル形態」という用語は、ストラット、ロッド、繊維、またはフィラメントを含むナノ多孔質炭素(例えば、エアロゲル)の構造形態を指す。例えば、実施形態では、ジメチルアセトアミド(DMAC)などの溶媒の選択は、そのような形態の生成に影響を及ぼし得る。さらに、特定の実施形態では、カーボンエアロゲルがポリイミドに由来する場合、結晶性ポリイミドは、線状ポリマーを形成するポリイミドから生じる。以下の実施例でより明確になるように、特定の実施形態は、驚くべきことに、相互接続されたポリマー構造としてフィブリル形態を含むことが観察されており、それにおいてポリイミド前駆体の既知の挙動に基づいて、長い線状構造が予想された。比較して、ナノ多孔質炭素の生成物形態は、代わりに、カーボンエアロゲルのフィブリル形態が持続する粒子状の性質または粉末であってもよい。本明細書が続くにつれて明らかになるように、特にナノ多孔質炭素が特定の用途、例えばLSB中のカソードの材料として実施される場合、フィブリル形態は、機械的安定性/強度および導電率などの粒子形態を超える特定の利点をもたらすことができる。このフィブリル形態は、モノリシック形態および粉末形態の両方のナノ多孔質炭素に見出すことができる、言い換えれば、モノリシック炭素は、フィブリル形態を有することができ、エアロゲル粉末/粒子はフィブリル形態を有することができることに留意されたい。さらに、特定の実施形態では、ナノ多孔質炭素材料が硫黄などの添加剤を含有する場合、炭素材料に固有のフィブリルナノ構造が保存され、添加剤粒子間の架橋として機能する。 In the context of this disclosure, the term "fibril morphology" refers to a structural morphology of nanoporous carbon (e.g., aerogel) that includes struts, rods, fibers, or filaments. For example, in embodiments, the choice of solvent, such as dimethylacetamide (DMAC), may affect the generation of such morphology. Furthermore, in certain embodiments, when the carbon aerogel is derived from a polyimide, the crystalline polyimide results from the polyimide forming a linear polymer. As will become clearer in the examples below, certain embodiments have been surprisingly observed to include fibril morphology as an interconnected polymer structure, where long linear structures were expected based on the known behavior of polyimide precursors. In comparison, the product morphology of nanoporous carbon may instead be of a particulate nature or powder in which the fibril morphology of the carbon aerogel persists. As will become clear as this specification continues, the fibril morphology can provide certain advantages over the particulate morphology, such as mechanical stability/strength and electrical conductivity, especially when the nanoporous carbon is implemented in certain applications, such as the material of the cathode in LSBs. It should be noted that this fibril morphology can be found in both monolithic and powder forms of nanoporous carbon, in other words, monolithic carbon can have a fibril morphology and aerogel powders/particles can have a fibril morphology. Furthermore, in certain embodiments, when the nanoporous carbon material contains an additive such as sulfur, the fibril nanostructure inherent to the carbon material is preserved and acts as a bridge between the additive particles.

本開示の文脈の中で、「サイクル寿命」という用語は、その容量がその元の定格容量の約80%未満になる前にカソードまたは電池(例えば、LSB)が支えることができる完全な充電/放電サイクルの数を指す。サイクル寿命は、経時的に大きく影響されない様々な要因、例えば、下にある基材(例えば、カーボンエアロゲル)の機械的強度、エアロゲル内の硫黄の結合性、エアロゲルネットワーク内の電解質への硫黄またはポリスルフィドの溶解、およびエアロゲルの相互接続性の維持によって影響され得る。これらの要因が実際には経時的に比較的変化しないままであることは、本発明の特定の実施形態の驚くべき態様であることに留意されたい。サイクル寿命は、当技術分野で公知の方法、例えば非限定的にサイクル試験などによって決定することができ、それにおいては電池セルが所定の電流の速度および動作電圧で繰り返し充電/放電サイクルを受ける。本開示の文脈の中で、サイクル寿命の測定値は、特に明記しない限り、この方法に従って取得される。本開示の特定の実施形態では、エネルギー貯蔵装置、例えば電池、またはその電極は、約25サイクル以上、50サイクル以上、75サイクル以上、100サイクル以上、200サイクル以上、300サイクル以上、500サイクル以上、1000サイクル以上、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲のサイクル寿命を有する。 Within the context of this disclosure, the term "cycle life" refers to the number of complete charge/discharge cycles that a cathode or battery (e.g., LSB) can support before its capacity falls below about 80% of its original rated capacity. Cycle life can be influenced by a variety of factors that are not significantly affected over time, such as the mechanical strength of the underlying substrate (e.g., carbon aerogel), the connectivity of sulfur within the aerogel, dissolution of sulfur or polysulfides into the electrolyte within the aerogel network, and maintenance of aerogel interconnectivity. It is noted that it is a surprising aspect of certain embodiments of the present invention that these factors remain relatively unchanged over time. Cycle life can be determined by methods known in the art, such as, but not limited to, cycle testing, in which a battery cell is subjected to repeated charge/discharge cycles at a given rate of current and operating voltage. Within the context of this disclosure, cycle life measurements are taken according to this method unless otherwise specified. In certain embodiments of the present disclosure, the energy storage device, e.g., a battery, or an electrode thereof, has a cycle life of about 25 cycles or more, 50 cycles or more, 75 cycles or more, 100 cycles or more, 200 cycles or more, 300 cycles or more, 500 cycles or more, 1000 cycles or more, or a range between any two of these values.

本開示の文脈の中で、「容量」という用語は、電池が貯蔵することができる特定のエネルギーまたは電荷の量を指す。容量は、具体的には、単位質量当たりに電池が経時的に供給することができる放電電流として測定される。これは、典型的には、総電極質量1グラム当たりのアンペア時またはミリアンペア時、Ah/gまたはmAh/gとして記録される。電池(および特にカソード)の容量は、例えば、セルの電圧が放電電圧値の末端に達するまで、完全に充電されたセルに固定の一定電流の負荷を印加すること;一定電流を乗じた放電電圧の末端に達するまでの時間が放電容量であること;放電容量を電極材料の重量または体積で割ることによって、比容量および体積測定的容量を判定することができることを含むが、これに限定されない、当技術分野で公知の方法によって判定することができる。本開示の文脈の中で、容量の測定値は、特に明記しない限り、この方法に従って取得される。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約200mAh/g以上、300mAh/g以上、400mAh/g以上、500mAh/g以上、600mAh/g以上、700mAh/g以上、800mAh/g以上、900mAh/g以上、1000mAh/g以上、1100mAh/g以上、1200mAh/g以上、1300mAh/g以上、1400mAh/g以上、1500mAh/g以上、1600mAh/g以上、1700mAh/g以上、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の容量を有する。 In the context of this disclosure, the term "capacity" refers to the amount of specific energy or charge that a battery can store. Capacity is specifically measured as the discharge current that a battery can deliver over time per unit mass. It is typically recorded as ampere-hours or milliampere-hours per gram of total electrode mass, Ah/g or mAh/g. The capacity of a battery (and particularly the cathode) can be determined by methods known in the art, including, but not limited to, applying a fixed constant current load to a fully charged cell until the cell voltage reaches the end of the discharge voltage value; the time to reach the end of the discharge voltage multiplied by the constant current is the discharge capacity; specific and volumetric capacity can be determined by dividing the discharge capacity by the weight or volume of the electrode material. In the context of this disclosure, capacity measurements are taken according to this method unless otherwise specified. In certain embodiments, the aerogel material or composition of the present disclosure has a capacity of about 200 mAh/g or more, 300 mAh/g or more, 400 mAh/g or more, 500 mAh/g or more, 600 mAh/g or more, 700 mAh/g or more, 800 mAh/g or more, 900 mAh/g or more, 1000 mAh/g or more, 1100 mAh/g or more, 1200 mAh/g or more, 1300 mAh/g or more, 1400 mAh/g or more, 1500 mAh/g or more, 1600 mAh/g or more, 1700 mAh/g or more, or a range between any two of these values.

特定の実施形態では、本発明は、元素状硫黄を取り囲む、含有する、または封入する一連の細孔を有するPI由来ナノ多孔質炭素材料(例えば、カーボンエアロゲル)である。ナノ多孔質炭素材料は、その最適な細孔構造、機能的細孔形態および高い機械的完全性のために、硫黄の理想的なホストとして機能する。ナノ多孔質炭素材料(カーボンエアロゲル)は、狭い細孔径の分布を特徴としされたネットワーク全体にわたって、硫黄およびポリスルフィド種の一貫した挙動をもたらす。炭素材料自体は、従来のLSBの大きな欠点、すなわち硫黄およびポリスルフィド種の高い抵抗率を克服するのに役立つ高い導電率をさらに特徴とする。現在のナノ多孔質炭素材料の上記の特徴は、個々におよび組み合わせて、得られるLSBシステムまたはそのカソードのサイクル寿命およびセル寿命を増加させる特定の利点を与える。 In a particular embodiment, the present invention is a PI-derived nanoporous carbon material (e.g., carbon aerogel) having a series of pores that surround, contain, or encapsulate elemental sulfur. The nanoporous carbon material serves as an ideal host for sulfur due to its optimal pore structure, functional pore morphology, and high mechanical integrity. The nanoporous carbon material (carbon aerogel) results in consistent behavior of sulfur and polysulfide species throughout the network characterized by a narrow pore size distribution. The carbon material itself is further characterized by high electrical conductivity that helps overcome a major drawback of conventional LSBs, namely the high resistivity of sulfur and polysulfide species. The above features of the present nanoporous carbon material, individually and in combination, confer certain advantages that increase the cycle life and cell life of the resulting LSB system or its cathode.

実施形態では、本発明は、硫黄ドープのポリイミド由来のカーボンエアロゲルを含むLSBのカソードであり、元素状硫黄は、カーボンエアロゲルの細孔内で囲まれている(図2A~図2Cを参照されたい)。見て分かるように、カーボンエアロゲル細孔の構造は、必要性(例えば、LSBにおける電極のサイズまたは容量)に基づいて異なる特性(例えば、細孔の体積、細孔径、細孔径の分布、および表面積)を有するように調整可能である。別の実施形態では、本発明は、そのようなカソードを含むLSBまたはその電気化学セルの電極である。LSBでは、バランスのとれた容量を達成するために、硫黄カソード(硫黄ドープナノ多孔質炭素材料または硫黄ドープカーボンエアロゲルとして本明細書に記載されるものなど)は、最も一般的には、リチウム金属アノードと対になっている。これらの硫黄カソードはまた、例えばケイ素系、ケイ素ドープ、またはケイ素優勢のアノード材料を含む、高容量を達成することができる非リチウム金属アノードと対にすることができる。またさらなる実施形態では、本発明は、そのようなエネルギー貯蔵装置を組み込む装置またはシステムである。 In an embodiment, the invention is a cathode of an LSB comprising a sulfur-doped polyimide-derived carbon aerogel, in which elemental sulfur is enclosed within the pores of the carbon aerogel (see Figures 2A-2C). As can be seen, the structure of the carbon aerogel pores can be tailored to have different properties (e.g., pore volume, pore size, pore size distribution, and surface area) based on the need (e.g., size or capacity of the electrode in the LSB). In another embodiment, the invention is an LSB comprising such a cathode or an electrode of an electrochemical cell thereof. In the LSB, sulfur cathodes (such as those described herein as sulfur-doped nanoporous carbon materials or sulfur-doped carbon aerogels) are most commonly paired with lithium metal anodes to achieve balanced capacity. These sulfur cathodes can also be paired with non-lithium metal anodes that can achieve high capacity, including, for example, silicon-based, silicon-doped, or silicon-dominant anode materials. In yet a further embodiment, the invention is a device or system incorporating such an energy storage device.

特定の実施形態では、本発明は、カーボンエアロゲルなどの硫黄ドープの連続多孔質炭素複合体を形成または製造する方法である。芳香族基および/または脂肪族基をそれぞれ含むことができるジアミンおよび二無水物などのポリイミド前駆体を、適切な溶媒(例えば、極性、非プロトン性溶媒)中で混合する。次いで、イミド化ゲル化触媒を添加して、ゲル化のための混合を開始させる。代替的な実施形態では、イミド化は熱イミド化によって達成することができ、この場合、任意の適切な温度および時間の範囲が企図される(例えば、約100℃~200℃で約20分~約8時間、その後、約300℃~400℃で約20分~約1時間加熱する)。次いで、ゲル化した混合物を乾燥させて連続多孔質ポリイミド複合体を得、この場合乾燥は亜臨界および/または超臨界二酸化炭素を使用して行うことができる。任意選択的に、ポリイミド複合体を圧縮して密度を増加させることができ、圧縮量に基づいて約1.5g/ccまで調整可能である。例示的な実施形態では、ポリイミド複合体は、複合体を熱分解する前に約80%を超える歪みに圧縮することができる。圧縮が行われたかどうかにかかわらず、ポリイミド複合体は熱分解されて連続多孔質炭素を生じ、炭素は約5%~99%の間の多孔度を含む。特定の実施形態では、熱分解は、約750℃~約1600℃、例えば約1050℃の最高温度で、任意選択で約1600℃~約3000℃の黒鉛化を用いて実施することができる。 In a particular embodiment, the present invention is a method for forming or producing a sulfur-doped continuous porous carbon composite, such as a carbon aerogel. Polyimide precursors, such as diamines and dianhydrides , which may each contain aromatic and/or aliphatic groups, are mixed in a suitable solvent (e.g., polar, aprotic solvent). An imidization gelling catalyst is then added to initiate the gelling mixture. In an alternative embodiment, imidization can be achieved by thermal imidization, where any suitable temperature and time range is contemplated (e.g., about 100° C.-200° C. for about 20 minutes to about 8 hours, followed by heating at about 300° C.-400° C. for about 20 minutes to about 1 hour). The gelled mixture is then dried to obtain a continuous porous polyimide composite, where drying can be performed using subcritical and/or supercritical carbon dioxide. Optionally, the polyimide composite can be compressed to increase density, which can be adjusted down to about 1.5 g/cc based on the amount of compression. In an exemplary embodiment, the polyimide composite can be compressed to a strain of greater than about 80% before pyrolyzing the composite. Whether or not compression is performed, the polyimide composite is pyrolyzed to produce an open porous carbon, the carbon containing between about 5% and 99% porosity. In certain embodiments, pyrolysis can be carried out at a maximum temperature of about 750°C to about 1600°C, for example about 1050°C, with optional graphitization at about 1600°C to about 3000°C.

炭化後、任意の適切な方法を使用して硫黄を多孔質炭素のネットワークに組み込み、硫黄ドープの連続多孔質炭素複合体を形成する。硫黄を炭素ネットワークに組み込む例示的な方法は、溶融注入によるものである。この組み込みは、最適な硫黄重量負荷および保持された多孔度を達成するように制御することができる。例えば、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約5重量%、約10重量%、約15重量%、約20重量%、約25重量%、約30重量%、約35重量%、約40重量%、約45重量%、約50重量%、約55重量%、約60重量%、約65重量%、約70重量%、約75重量%、約80重量%、約85重量%、約90重量%、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の硫黄含有量を有することができる。例示的な実施形態では、本開示の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料は、約60重量%~75重量%、例えば約70重量%の範囲の硫黄含有量を有することができる。本開示のエアロゲル材料または組成物は、10mg/cm以上、8mg/cm以上、7mg/cm以上、6mg/cm以上、5mg/cm以上、4mg/cm以上、3mg/cm以上、2.5mg/cm以上、2mg/cm以上、1.5mg/cm以上、1mg/cm以上、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の硫黄の面積質量負荷を有することができる。例示的な実施形態では、本開示の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料は、約1.5mg/cm~約2.5mg/cmの範囲、例えば約2mg/cmの硫黄の面質量負荷を有することができる。 After carbonization, sulfur is incorporated into the porous carbon network using any suitable method to form a sulfur-doped continuous porous carbon composite. An exemplary method of incorporating sulfur into the carbon network is by melt infusion. This incorporation can be controlled to achieve optimal sulfur weight loading and retained porosity. For example, the aerogel material or composition of the present disclosure can have a sulfur content of about 5 wt%, about 10 wt%, about 15 wt%, about 20 wt%, about 25 wt%, about 30 wt%, about 35 wt%, about 40 wt%, about 45 wt%, about 50 wt%, about 55 wt%, about 60 wt%, about 65 wt%, about 70 wt%, about 75 wt%, about 80 wt%, about 85 wt%, about 90 wt%, or a range between any two of these values. In an exemplary embodiment, the sulfur-doped nanoporous carbon material of the present disclosure can have a sulfur content in the range of about 60 wt% to 75 wt%, for example about 70 wt%. The aerogel material or composition of the present disclosure can have an areal mass loading of sulfur of 10 mg/ cm2 or more, 8 mg/ cm2 or more, 7 mg/cm2 or more, 6 mg/ cm2 or more, 5 mg/ cm2 or more, 4 mg/ cm2 or more, 3 mg/ cm2 or more, 2.5 mg/cm2 or more, 2 mg/cm2 or more, 1.5 mg/ cm2 or more, 1 mg/ cm2 or more, or a range between any two of these values. In an exemplary embodiment, the sulfur-doped nanoporous carbon material of the present disclosure can have an areal mass loading of sulfur in the range of about 1.5 mg/ cm2 to about 2.5 mg/ cm2 , for example about 2 mg/ cm2 .

多孔質炭素のネットワークへの硫黄の組み込みは、硫黄ドープ炭素複合体の多孔度を、ドープされていない材料の多孔度から低下させる。その結果、非ドープ材料の細孔径よりも、硫黄ドープ複合体の方が、細孔径が小さくなる。別の例では、または溶融注入と組み合わせて、天然の炭素ネットワークは、ネットワーク内の封じ込めを強化し、サイクル寿命容量を安定化させるのを助けるために、硫黄およびポリスルフィドに対する親和性を有する化学官能基で表面処理することができる。さらに別の実施形態では、炭化後に添加される硫黄の化学的または物理的適応を助ける添加剤を、ゲル前駆体(すなわち、プレゲル化)と共に含めることができる。 The incorporation of sulfur into the porous carbon network reduces the porosity of the sulfur-doped carbon composite from that of the undoped material. This results in smaller pore sizes in the sulfur-doped composite than in the undoped material. In another example, or in combination with melt infusion, the native carbon network can be surface treated with chemical functional groups that have an affinity for sulfur and polysulfides to enhance containment within the network and help stabilize cycle life capacity. In yet another embodiment, additives can be included with the gel precursor (i.e., pregelation) to aid in the chemical or physical accommodation of the sulfur added after carbonization.

特定の実施形態では、炭素硫黄複合体は、モノリスまたは自立構造であってもよく、基材の上または外で作成されてもよく、または粉末形態に微粉化されてもよい。さらに、複合体は、不織布または織布材料(例えば、維、発泡体など)の有無にかかわらず強化され得る。任意選択的に、炭素硫黄複合体は、ポリスルフィドの拡散を抑制し、したがって高いサイクル寿命を保持するために、単独でまたは他の適切な添加剤と組み合わせて、窒素で選択的にドープされてもよい。 In certain embodiments, the carbon-sulfur composites may be monolithic or free-standing, fabricated on or off a substrate, or pulverized into powder form. Additionally, the composites may be reinforced with or without non-woven or woven materials (e.g., fibers , foams, etc.). Optionally, the carbon-sulfur composites may be selectively doped with nitrogen, alone or in combination with other suitable additives, to inhibit polysulfide diffusion and thus preserve high cycle life.

特定の実施形態において、本開示の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料または組成物は、約150nm以下、140nm以下、130nm以下、120nm以下、110nm以下、100nm以下、90nm以下、80nm以下、70nm以下、60nm以下、50nm以下、40nm以下、30nm以下、20nm以下、10nm以下、5nm以下、2nm以下、またはこれらの値のいずれか2つの間の範囲の分布からの最大ピークにおける細孔径を有する。さらに、本明細書では、細孔径は必要に応じて調整可能であると考えられる。例えば、細孔径は、硫黄ドープ炭素材料が電池に組み込まれるときの効率的な電池の動作に十分な量の電解質に対応するように調整することができる。本明細書で教示される細孔径を調整する5つの主要な方法がある。第1に、固形分の量、具体的にはポリイミド前駆体モノマー(例えば、芳香族または脂肪族ジアミンおよび芳香族または脂肪族二無水物)の量は、細孔径を調整することができる。より小さい細孔径は、相互接続がより密接に行われるように利用可能な空間がより少ないために、流体の単位体積当たりの固体の量がより多いことに起因する。ストラット幅は、使用される固形物の量にかかわらず、測定可能に変化しないことに留意されたい。固形物の量は、ネットワークの密度に関連する。 In certain embodiments, the sulfur-doped nanoporous carbon material or composition of the present disclosure has a pore size at the maximum peak from the distribution of about 150 nm or less, 140 nm or less, 130 nm or less, 120 nm or less, 110 nm or less, 100 nm or less, 90 nm or less, 80 nm or less, 70 nm or less, 60 nm or less, 50 nm or less, 40 nm or less, 30 nm or less, 20 nm or less, 10 nm or less, 5 nm or less, 2 nm or less, or a range between any two of these values. Furthermore, it is contemplated herein that the pore size can be adjusted as needed. For example, the pore size can be adjusted to accommodate a sufficient amount of electrolyte for efficient battery operation when the sulfur-doped carbon material is incorporated into a battery. There are five main ways to adjust the pore size taught herein. First, the amount of solids, specifically the amount of polyimide precursor monomers (e.g., aromatic or aliphatic diamines and aromatic or aliphatic dianhydrides ), can adjust the pore size. The smaller pore size results from a higher amount of solids per unit volume of fluid, since there is less space available for the interconnections to be made closer together. Note that the strut width does not change measurably regardless of the amount of solids used. The amount of solids is related to the density of the network.

細孔径を調整する別の方法は、ポリイミド状態または炭素状態のいずれかで複合体に放射線(例えば、電波、マイクロ波、赤外線、可視光、紫外線、X線、ガンマ線)を使用することである。放射線は酸化作用を有し、その結果、表面積の増加、細孔径の増加、および細孔径の分布の広がりをもたらす。第3に、細孔径はポリイミド複合体の巨視的圧縮によって影響を受ける。以下の実施例で証明されるように、細孔径は圧縮と共に減少する。 Another method of tailoring pore size is the use of radiation (e.g., radio waves, microwaves, infrared, visible light, ultraviolet light, x-rays, gamma rays) on the composite in either the polyimide or carbon state. Radiation has an oxidative effect, resulting in an increase in surface area, an increase in pore size, and a broadening of the pore size distribution. Third, pore size is affected by macroscopic compression of the polyimide composite. As evidenced in the examples below, pore size decreases with compression.

細孔径を調整するさらに別の方法は、ポリイミド状態または炭素状態のいずれかでの複合体のイオンボンバードである。イオンボンバードの効果は、指定された方法に依存する。例えば、何かが添加され、細孔径の減少をもたらす付加的イオンボンバード(例えば、CVD)がある。細孔径が増大する破壊的イオンボンバードもある。最後に、細孔径は、例えば二酸化炭素または一酸化炭素の存在、化学的に活性な環境、水素還元環境などの異なるガスの環境下での熱処理によって、調整(増加または減少)することができる。例えば、活性化の場合に質量が除去され、細孔径が増加し、表面積が増加する二酸化炭素環境は、活性炭を作ることが知られている。 Yet another method of adjusting the pore size is ion bombardment of the composite in either the polyimide or carbon state. The effect of ion bombardment depends on the method specified. For example, there is additive ion bombardment (e.g., CVD), where something is added and results in a decrease in pore size. There is also destructive ion bombardment, where the pore size increases. Finally, the pore size can be adjusted (increased or decreased) by heat treatment in different gas environments, for example in the presence of carbon dioxide or carbon monoxide, chemically active environments, hydrogen reducing environments, etc. For example, a carbon dioxide environment, where in the case of activation mass is removed, the pore size increases, and the surface area increases, is known to make activated carbon.

以下の実施例は、例示のみを目的として記載されており、決して本発明の様々な実施形態の範囲を限定することを意図するものではない。
実施例1:PI複合体
The following examples are offered for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the various embodiments of the present invention in any way.
Example 1: PI Complex

DMAC溶媒中、モル比1:1で、目標密度0.05g/cc(低密度)および0.125g/cc(高密度)で、ピロメリット酸二無水物(PMDA)と1,4-フェニレンジアミン(PDA)とから、PIゲルを作成した。前駆体を室温で3時間混合し、次いで、無水酢酸(AA)を4.3モル比でPMDAに添加し、溶液と2時間混合した。イミド化をピリジン(Py)で触媒した。 PI gels were made from pyromellitic dianhydride (PMDA) and 1,4-phenylenediamine (PDA) in a 1:1 molar ratio in DMAC solvent with target densities of 0.05 g/cc (low density) and 0.125 g/cc (high density). The precursors were mixed at room temperature for 3 hours, then acetic anhydride (AA) was added to the PMDA in a 4.3 molar ratio and mixed with the solution for 2 hours. Imidization was catalyzed with pyridine (Py).

PI複合体を作成するために、溶液をテフロン(登録商標)容器内で約6mmの厚さでキャストした。ゲルを室温で一晩硬化させ、続いて超臨界COの抽出の前に68℃でエタノール交換した。PIエアロゲル複合体を不活性雰囲気下で1時間熱分解して炭化し、モノリシックPI複合体を形成した。より低い目標密度PI(目標密度0.05g/cc)を850℃で熱分解した。得られたカーボンエアロゲル材料は、629.9m/gの表面積、4.0cc/gの細孔の体積、および20.8nmの細孔径を有していた。より高い目標密度PI(0.125g/cc)を1050℃で熱分解した。得られたカーボンエアロゲル材料は、553.8m/gの表面積、1.7cc/gの細孔の体積、および10.9nmの細孔径を有していた。多孔質構造のパラメータは、Quadrasorbガス収着分析器(米国ボイントンビーチのQuantachrome Instruments)を使用して、-196℃での窒素吸着等温線(SBET-表面積;V-全細孔の体積)から計算した。細孔の幅(nm)は、Barrett-Joyner-Halendaモデルを使用して推定した。分析前に試料を100mTorrおよび60℃で12時間脱気した。
実施例2:PI複合体の硫黄ドープ
To create the PI composite, the solution was cast at a thickness of approximately 6 mm in a Teflon container. The gel was allowed to cure overnight at room temperature followed by ethanol exchange at 68°C prior to extraction of supercritical CO2 . The PI aerogel composite was pyrolyzed for 1 hour under inert atmosphere to carbonize and form a monolithic PI composite. The lower target density PI (target density 0.05 g/cc) was pyrolyzed at 850°C. The resulting carbon aerogel material had a surface area of 629.9 m2 /g, a pore volume of 4.0 cc/g, and a pore diameter of 20.8 nm. The higher target density PI (0.125 g/cc) was pyrolyzed at 1050°C. The resulting carbon aerogel material had a surface area of 553.8 m2 /g, a pore volume of 1.7 cc/g, and a pore diameter of 10.9 nm. The parameters of the porous structure were calculated from the nitrogen adsorption isotherms (S BET - surface area; V t - total pore volume) at −196° C. using a Quadrasorb gas sorption analyzer (Quantachrome Instruments, Boynton Beach, USA). The pore width (nm) was estimated using the Barrett-Joyner-Halenda model. Samples were degassed at 100 mTorr and 60° C. for 12 h before analysis.
Example 2: Sulfur doping of PI complex

各モノリシックPI複合体を粉砕し、粉末形態にした。得られた粉末状PI材料を硫黄粉末と30:72(重量%)の比率で混合し、混合物を約10分間粉砕した。次いで、硫黄および粉末PI混合物をバイアルに入れ、Ar雰囲気中155℃で12時間アニールした。得られた硫黄ドープの炭素材料は、約70重量%の硫黄を含有していた。図3Aおよび図3Bは、硫黄ドープの炭素材料のSEM画像を示す。より低い目標密度PI(0.05g/cc目標密度)から作成した硫黄ドープカーボンエアロゲル材料は、109m/gの表面積、0.82cc/gの細孔の体積、および17.6nmの細孔径を有していた。より高い目標密度PI(0.125g/cc)から作成された硫黄ドープカーボンエアロゲル材料は、29m/gの表面積、0.12cc/gの細孔の体積、および12.4nmの細孔径を有していた。実施例1と同様の方法を使用して多孔質構造のパラメータを算出した。
実施例3:硫黄ドープ炭素材料を使用して作成された電極
Each monolithic PI composite was ground into powder form. The resulting powdered PI material was mixed with sulfur powder in a ratio of 30:72 (wt%), and the mixture was ground for about 10 minutes. The sulfur and powdered PI mixture was then placed in a vial and annealed at 155° C. for 12 hours in an Ar atmosphere. The resulting sulfur-doped carbon material contained about 70 wt% sulfur. FIGS. 3A and 3B show SEM images of the sulfur-doped carbon material. The sulfur-doped carbon aerogel material made from the lower target density PI (0.05 g/cc target density) had a surface area of 109 m 2 /g, a pore volume of 0.82 cc/g, and a pore diameter of 17.6 nm. The sulfur-doped carbon aerogel material made from the higher target density PI (0.125 g/cc) had a surface area of 29 m2/g, a pore volume of 0.12 cc/g, and a pore diameter of 12.4 nm. The porous structure parameters were calculated using a method similar to that in Example 1.
Example 3: Electrodes made using sulfur-doped carbon materials

実施例2の硫黄ドープ炭素材料を30分間乾式粉砕し、次いで、N-メチルピロリドン(NMP)中80重量%の硫黄ドープ炭素材料、10重量%のPVDF(ポリフッ化ビニリデン)および10重量%のSuper C45(導電性炭素)で(8:1:1の比)、PVDFおよびSuper C45と混合して、スラリーを作製した。スラリーを30分間湿式粉砕した。得られたスラリーをアルミニウム箔にドクターブレードでコーティングし、真空中で12時間乾燥させた。乾燥後、Sの面積質量負荷が約2mg/cmの電極を得た。
実施例4:硫黄ドープ炭素電極から構築されたハーフセルユニット
The sulfur doped carbon material of Example 2 was dry milled for 30 minutes, and then mixed with PVDF and Super C45 to make a slurry at 80 wt% of the sulfur doped carbon material, 10 wt% of PVDF (polyvinylidene fluoride) and 10 wt% of Super C45 (conductive carbon) in N-methylpyrrolidone (NMP) (8:1:1 ratio). The slurry was wet milled for 30 minutes. The resulting slurry was coated on an aluminum foil with a doctor blade and dried in vacuum for 12 hours. After drying, an electrode with an areal mass loading of S of about 2 mg/ cm2 was obtained.
Example 4: Half-cell units constructed from sulfur-doped carbon electrodes

対電極としてリチウム箔を用い、電極間に微孔質セパレータとしてCELGARD 2500を用い、実施例3に従って作成した電極を用いて、ハーフセルユニット(2032個のコインセル)を構築した。電解質は、ジメチルエーテル(DME)/1,3-ジオキソラン(DOL)中1.0MのLiTFSI(重量比1:1)であった。図4Aは、上記の実施例に従って作成された低密度の硫黄ドープ炭素から作成された電極の0.1Cでの第1のサイクルのハーフセルの容量を示す。図4Bは、上記の実施例に従って作成された低密度の硫黄ドープ炭素から作成された電極の1Cでの第1のサイクルのハーフセルの容量を示す。図5Aは、上記の実施例に従って作成された高密度の硫黄ドープ炭素から作成された電極の0.1Cでの第1のサイクルのハーフセルの容量を示す。図5Bは、上記の実施例に従って作成された高密度の硫黄ドープ炭素から作成された電極の1Cでの第1のサイクルのハーフセルの容量を示す。図6は、上記の実施例に従って作成された低密度の硫黄ドープ炭素から作成された電極のハーフセルのサイクル性能を示す。図7は、上記の実施例に従って作成された高密度の硫黄ドープ炭素から作成された電極のハーフセルのサイクル性能を示す。
PIエアロゲルを製造する代替方法
Half-cell units (2032 coin cells) were constructed using electrodes made according to Example 3 with lithium foil as the counter electrode and CELGARD 2500 as the microporous separator between the electrodes. The electrolyte was 1.0 M LiTFSI in dimethyl ether (DME)/1,3-dioxolane (DOL) (1:1 weight ratio). FIG. 4A shows the capacity of the half-cell for the first cycle at 0.1 C of an electrode made from low density sulfur doped carbon made according to the above example. FIG. 4B shows the capacity of the half-cell for the first cycle at 1 C of an electrode made from low density sulfur doped carbon made according to the above example. FIG. 5A shows the capacity of the half-cell for the first cycle at 0.1 C of an electrode made from high density sulfur doped carbon made according to the above example. FIG. 5B shows the capacity of the half-cell for the first cycle at 1 C of an electrode made from high density sulfur doped carbon made according to the above example. Figure 6 shows the cycling performance of a half-cell of an electrode made from low density sulfur-doped carbon made according to the above examples, and Figure 7 shows the cycling performance of a half-cell of an electrode made from high density sulfur-doped carbon made according to the above examples.
Alternative methods for producing PI aerogels

本明細書で論じられている先行の例は、PIエアロゲルを形成する特定の方法論を教示している。特定の実施形態では、本発明は、PIエアロゲルを形成する代替方法も企図する。このような代替的な方法論の非網羅的かつ非限定的な例を一式、これより論じる。 The preceding examples discussed herein teach specific methodologies for forming PI aerogels. In certain embodiments, the present invention also contemplates alternative methods for forming PI aerogels. A set of non-exhaustive and non-limiting examples of such alternative methodologies are discussed below.

例えば、Suzukiらの米国特許第6,399,669号明細書は、PI乾燥ゲル(エアロゲル)を作製する4つの関連する方法を教示している。第1の方法では、PI前駆体を合成した後、PI前駆体からイミドを形成してポリイミドを製造する。PI溶液または膨潤バルクを作成し、溶液/膨潤バルクをゲル化させてPI湿潤ゲルを生成する。この湿潤ゲルを乾燥させ、PI乾燥ゲル(エアロゲル)を得る。第2の方法では、PI前駆体を合成した後、PI前駆体溶液または膨潤バルクを作成する。溶液/膨潤バルクをゲル化して、PI前駆体湿潤ゲルを生成する。次いで、PI前駆体からイミドを形成して、PI湿潤ゲルを形成する。この湿潤ゲルを乾燥させ、PI乾燥ゲル(エアロゲル)を得る。第3の方法では、PI前駆体を合成した後、PI前駆体溶液または膨潤バルクを作成する。次いで、PI前駆体をゲル化させてPI湿潤ゲルを生成しながら、PI前駆体からイミドを形成する。第3の方法では、PI前駆体を合成した後、PI前駆体溶液または膨潤バルクを作成する。溶液/膨潤バルクをゲル化して、PI前駆体湿潤ゲルを生成する。次いで、この湿潤ゲルを乾燥させて、PI前駆体乾燥ゲルを生成する。次いで、PI前駆体乾燥ゲルからイミドを形成して、PI乾燥ゲル(エアロゲル)を形成する。 For example, U.S. Patent No. 6,399,669 to Suzuki et al. teaches four related methods of making PI dry gels (aerogels). In the first method, a PI precursor is synthesized, followed by formation of an imide from the PI precursor to produce a polyimide. A PI solution or swollen bulk is made, and the solution/swollen bulk is gelled to produce a PI wet gel. The wet gel is dried to obtain a PI dry gel (aerogel). In the second method, a PI precursor is synthesized, followed by formation of a PI precursor solution or swollen bulk. The solution/swollen bulk is gelled to produce a PI precursor wet gel. An imide is then formed from the PI precursor to form a PI wet gel. The wet gel is dried to obtain a PI dry gel (aerogel). In the third method, a PI precursor is synthesized, followed by formation of a PI precursor solution or swollen bulk. An imide is then formed from the PI precursor while the PI precursor is gelled to produce a PI wet gel. In the third method, after synthesizing the PI precursor, a PI precursor solution or swollen bulk is created. The solution/swollen bulk is gelled to produce a PI precursor wet gel. The wet gel is then dried to produce a PI precursor dry gel. An imide is then formed from the PI precursor dry gel to form a PI dry gel (aerogel).

さらなる例として、Leventisら[Polyimide Aerogels by Ring-Opening Metathesis Polymerization(ROMP),Chem.Mater.2011,23,8,2250-2261]は、ROMP法を使用したPIエアロゲルの形成を論じている。重合性基でエンドキャップされた低分子量イミド化オリゴマーを得て、重合(例えば、ROMP)触媒と混合する。こうして重合が開始され、架橋ポリイミドが生成される。このポリイミドをゲル化させ、乾燥させてPIエアロゲルを形成する。Leventisら[米国特許第9,745,198号明細書;Chidambareswarapattar et al.,One-step room-temperature synthesis of fibrous polyimide aerogels from anhydrides and isocyanates and conversion to isomorphic carbons,J.Mater.Chem.,2010,20,9666-9678]はまた、二無水物(例えば、PMDA)をイソシアネート(例えば、4,4’-ジイソシアナトジフェニルメタンまたはメチレンジパラフェニルジイソシアネート)と混合してゾルゲル材料を形成することによる、PIエアロゲルの形成を、教示している。次いで、そのゾル-ゲル材料を乾燥させてPIエアロゲルを製造する。Leventisら[Isocyanate-Derived Organic Aerogels:Polyureas,Polyimides,Polyamides,MRS Proceedings,1306(2011),Mrsf10-1306-bb03-01.doi:10.1557/opl.2011.90]はまた、DESMODUR N 3300A、DESMODUR RE、およびMONDUR CD(すべてBAYER CORPから入手)がイソシアネートとして利用され得ることを記している。 As a further example, Leventis et al. [Polyimide Aerogels by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP), Chem. Mater. 2011,23,8,2250-2261] discuss the formation of PI aerogels using the ROMP method. A low molecular weight imidized oligomer end-capped with a polymerizable group is obtained and mixed with a polymerization (e.g., ROMP) catalyst. Polymerization is then initiated to produce a crosslinked polyimide. The polyimide is gelled and dried to form the PI aerogel. Leventis et al. [U.S. Pat. No. 9,745,198; Chidambareswarapattar et al. , One-step room-temperature synthesis of fibrous polyimide aerogels from anhydrides and isocyanates and conversion to isomorphic carbons, J. Mater. Chem. , 2010,20,9666-9678] also teaches the formation of PI aerogels by mixing a dianhydride (e.g., PMDA) with an isocyanate (e.g., 4,4′-diisocyanatodiphenylmethane or methylenediparaphenyldiisocyanate) to form a sol-gel material, which is then dried to produce the PI aerogel. Leventis et al. [Isocyanate-Derived Organic Aerogels: Polyureas, Polyimides, Polyamides, MRS Proceedings, 1306 (2011), Mrsf10-1306-bb03-01. doi:10.1557/opl. 2011.90] also note that DESMODUR N 3300A, DESMODUR RE, and MONDUR CD (all available from BAYER CORP) can be utilized as the isocyanate.

別の方法論において、Guoら[Polyimide Aerogels Cross-Linked through Amine Functionalized Polyoligomeric Silsesquioxane,ACS Appl.Mater.Interfaces 2011,3,546-552]は、アミノシルセスキオキサンを、無水物基でエンドキャップされたポリアミド酸オリゴマーと反応させることによるPIエアロゲルの形成を論じている。生成物をピリジンを用いてイミド化し(熱イミド化も考えられるが)、ゲル化させ、続いて乾燥させてPIエアロゲルを得る。Nguyenら[Development of High Temperature,Flexible Polyimide Aerogels,American Chemical Society,proceedings published 2011]には、ジアミンと二無水物を混合し、イミド化した後、マルチアミノ化合物(例えば、1,3,5-トリス(4-アミノフェノキシベンゼン))と反応させることにより、分岐ポリイミドを生成することが記載されている。次いで、この生成物を4,4’-メチレンジイソシアネートと反応させ、乾燥させてPI-尿素エアロゲルを形成する。 In another methodology, Guo et al. [Polyimide Aerogels Cross-Linked through Amine Functionalized Polyoligomeric Silsesquioxane, ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 546-552] discuss the formation of PI aerogels by reacting aminosilsesquioxanes with polyamic acid oligomers end-capped with anhydride groups. The products are imidized with pyridine (although thermal imidization is also possible), gelled, and subsequently dried to obtain PI aerogels. Nguyen et al. [Development of High Temperature, Flexible Polyimide Aerogels, American Chemical Society, proceedings published 2011] describe the production of branched polyimides by mixing diamines and dianhydrides, imidizing, and then reacting with a multi-amino compound (e.g., 1,3,5-tris(4-aminophenoxybenzene)). This product is then reacted with 4,4'-methylene diisocyanate and dried to form a PI-urea aerogel.

他の実施形態では、Meadorら[Mechanically Strong,Flexible Polyimide Aerogels Cross-Linked with Aromatic Triamine,ACS Appl.Mater.Interfaces,2012,4(2),pp 536-544]は、無水物基でエンドキャップされたポリアミド酸オリゴマーを溶液中の芳香族トリアミンで架橋し、続いてイミド化することによるPIゲルの生成を論じている。得られた湿潤物を乾燥させて、PIエアロゲルを形成する。さらに、Meadorら[Polyimide Aerogels with Amide Cross-Links:A Low Cost Alternative for Mechanically Strong Polymer Aerogels,ACS Appl.Mater.Interfaces 2015,7,1240-1249]は、アミンキャップオリゴマーを1,3,5-ベンゼントリカルボニルトリクロリドと架橋することによるPIゲルの形成を論じている。得られたゲルを乾燥させて、PIエアロゲルを形成した。 In another embodiment, Meador et al. [Mechanically Strong, Flexible Polyimide Aerogels Cross-Linked with Aromatic Triamine, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4(2), pp 536-544] discuss the production of PI gels by crosslinking polyamic acid oligomers end-capped with anhydride groups with aromatic triamines in solution, followed by imidization. The resulting wet mass is dried to form the PI aerogel. Additionally, Meador et al. [Polyimide Aerogels with Amide Cross-Links: A Low Cost Alternative for Mechanically Strong Polymer Aerogels, ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 1240-1249] discuss the formation of PI gels by crosslinking amine-capped oligomers with 1,3,5-benzenetricarbonyl trichloride. The resulting gels were dried to form PI aerogels.

さらに別の実施形態では、Peiら[Preparation and Characterization of Highly Cross-Linked Polyimide Aerogels Based on Polyimide Containing Trimethoxysilane Side Groups,Langmuir 2014,30,13375-13383]は、酸クロリド側基および3-アミノプロピルトリメトキシシランを含有するポリイミドの縮合生成物であった、トリメトキシシラン側基を含有するポリイミドからPIエアロゲルを製造する。得られたゲルを乾燥させて、PIエアロゲルを形成した。 In yet another embodiment, Pei et al. [Preparation and Characterization of Highly Cross-Linked Polyimide Aerogels Based on Polyimide Containing Trimethoxysilane Side Groups, Langmuir 2014,30,13375-13383] produced PI aerogels from polyimides containing trimethoxysilane side groups, which were the condensation products of polyimides containing acid chloride side groups and 3-aminopropyltrimethoxysilane. The resulting gel was dried to form the PI aerogel.

これらの方法のいずれにおいても、グラフェンの懸濁液を添加することができる(Zhang et al.,Graphene/carbon aerogels derived from graphene crosslinked polyimide as electrode materials for supercapacitors,RSC Adv.,2015,5,1301を参照されたい)。 In any of these methods, a suspension of graphene can be added (see Zhang et al., Graphene/carbon aerogels derived from graphene crosslinked polyimide as electrode materials for supercapacitors, RSC Adv., 2015, 5, 1301).

これらの方法の各々は、ポリイミドエアロゲルをもたらすことができ、本発明は、そのようなポリイミドエアロゲルを製造するための任意の適切な方法を企図する。本発明の特定の実施形態によれば、どの方法を利用してPIエアロゲルを製造するかにかかわらず、得られたPIエアロゲルを熱分解してPI由来カーボンエアロゲルを形成することができる。本明細書で論じられる特定の実施形態によれば、硫黄などの添加剤も同様に導入することができる。 Each of these methods can result in a polyimide aerogel, and the present invention contemplates any suitable method for producing such a polyimide aerogel. Regardless of which method is utilized to produce the PI aerogel, according to certain embodiments of the present invention, the resulting PI aerogel can be pyrolyzed to form a PI-derived carbon aerogel. According to certain embodiments discussed herein, additives such as sulfur can be introduced as well.

すべての参照した刊行物は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。さらに、参照により本明細書に組み込まれる、参照における用語の定義または使用が、本明細書で提供されるその用語の定義と矛盾するまたは逆である場合、本明細書で提供されるその用語の定義が適用され、参照におけるその用語の定義は無視されるべきである。 All referenced publications are incorporated herein by reference in their entirety. Furthermore, if a definition or use of a term in a reference incorporated herein by reference is inconsistent with or contrary to the definition of that term provided herein, the definition of that term provided herein shall apply and the definition of that term in the reference shall be disregarded.

上記の利点、および上記の説明から明らかになる利点は、効率的に達成される。本発明の範囲から逸脱することなく上記の構成に特定の変更を加えることができるので、上記の説明に含まれるかまたは添付の図面に示されるすべての事項は、例示的なものとして解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではないことが意図される。 The above advantages and those which will become apparent from the above description are efficiently achieved. Since certain modifications may be made to the above configuration without departing from the scope of the invention, it is intended that all matter contained in the above description or shown in the accompanying drawings should be interpreted as illustrative and not in a limiting sense.

また、以下の特許請求の範囲は、本明細書に記載された本発明の一般的および特定の特徴のすべて、および言語の問題としてそれらの間にあると言われる可能性のある本発明の範囲のすべての記述を網羅することを意図していることも理解されたい。
本発明に関連する発明の実施形態の一部を以下に示す。
[実施形態1]
細孔構造を含む硫黄ドープナノ多孔質炭素材料であって、前記細孔構造が、フィブリル形態と、元素状硫黄を取り囲む一連の細孔とを含む、硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。
[実施形態2]
硫黄ドープナノ多孔質炭素材料であって、
フィブリル形態を含む細孔構造、
少なくとも約0.2GPaのヤング率、および
約0.10g/cc~約1.5g/ccの密度を含む、硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。
[実施形態3]
硫黄でドープされたナノ多孔質炭素材料であって、
フィブリル形態を含む細孔構造、
少なくとも約1S/cmの導電率、および
約0.10g/cc~約1.5g/ccの密度を含む、ナノ多孔質炭素材料。
[実施形態4]
前記炭素材料が少なくとも約1S/cmの導電率を有する、実施形態1および/または実施形態2に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態5]
前記炭素材料が、少なくとも約0.2GPaのヤング率を有する、実施形態1および/または実施形態3に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態6]
前記ナノ多孔質炭素材料が、カーボンエアロゲルを含む、実施形態1~5のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態7]
前記炭素材料がポリイミド由来のカーボンエアロゲルを含む、実施形態6に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態8]
前記カーボンエアロゲルがモノリスまたは粉末の形態である、実施形態6および/または実施形態7に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態9]
前記モノリシックカーボンエアロゲルが実質的にまたは完全に結合剤を含まない、実施形態8に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態10]
前記モノリシックカーボンエアロゲルが、約10μm~約1000μmの厚さを有する、実施形態6および/または実施形態7に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態11]
前記細孔構造が、前記硫黄を取り囲む細孔を特徴とする、実施形態1~10のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態12]
前記細孔が、前記硫黄の周りに相互接続構造を形成し、前記硫黄と、前記硫黄が囲まれている各細孔の細孔壁との間の複数の接続点を特徴とする、実施形態11に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態13]
前記炭素材料が、前記炭素材料の約5%~90重量%の硫黄でドープされている、実施形態1~12のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態14]
前記炭素材料が少なくとも0.3cc/gの細孔の体積を有する、実施形態1~13のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態15]
前記炭素材料が、約10%~約90%の多孔度を有する、実施形態1~14のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態16]
前記炭素材料が、約800mAh/g~約1700mAh/gの容量を有する、実施形態1~15のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態17]
前記細孔構造が、約50nm以下の半値全幅を含む、実施形態1~16のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態18]
前記細孔構造が、約100nm以下の分布からの最大ピークにおける細孔径を含む、実施形態1~17のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態19]
前記ナノ多孔質炭素材料の前記フィブリル形態が約2~10nmの平均ストラット幅を含む、実施形態1~18のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料。
[実施形態20]
ナノ多孔質炭素材料で形成された硫黄含有モノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲル複合体であって、前記複合体が結合剤を不含有で、元素状硫黄が前記モノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲル複合体の細孔内で囲まれている、硫黄含有モノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲル複合体。
[実施形態21]
フィブリルネットワークおよび一連の細孔を有する連続気泡、モノリシック、ポリイミド由来のナノ多孔質カーボンエアロゲル、および前記一連の細孔によって囲まれている元素状硫黄を含む、リチウム-硫黄電池用の集電体なし、結合剤なしの、相互接続カソード材料。
[実施形態22]
先行の実施形態1~20のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料を含む電極。
[実施形態23]
前記電極がカソードである、実施形態22に記載の電極。
[実施形態24]
前記カソードは別個の集電体不含有である、実施形態23に記載の電極。
[実施形態25]
前述の実施形態1~20のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料を含む電気化学セル。
[実施形態26]
実施形態22~24のいずれか一項に記載の電極を含む電気化学セル。
[実施形態27]
前述の実施形態1~20のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料を含む、エネルギー貯蔵装置。
[実施形態28]
実施形態25および/または実施形態26に記載の電気化学セルを備えるエネルギー貯蔵装置。
[実施形態29]
前記エネルギー貯蔵装置が電池である、実施形態27および28のいずれかに記載のエネルギー貯蔵装置。
[実施形態30]
前記電池がリチウム-硫黄電池である、実施形態29に記載のエネルギー貯蔵装置。
[実施形態31]
連続多孔質炭素硫黄複合体を形成する方法であって、
ポリイミド前駆体を設けること、
前記ポリイミド前駆体を化学的または熱的にイミド化すること、
前記イミド化された混合物を乾燥させて、連続多孔質ポリイミドを得ること、
前記多孔質ポリイミドを熱分解して連続多孔質炭素を得ること、および
前記連続多孔質炭素上または前記連続多孔質炭素中に硫黄を組み込んで、硫黄の重量が0%超約95%未満であり、多孔度が約10%~約90%である前記連続多孔質硫黄複合体を得ることを含む、方法。
[実施形態32]
前記多孔質炭素硫黄複合体がモノリスである、実施形態31に記載の方法。
[実施形態33]
前記多孔質炭素硫黄複合体が自立構造である、実施形態31に記載の方法。
[実施形態34]
前記多孔質炭素硫黄複合体が基材に作成される、実施形態31に記載の方法。
[実施形態35]
前記多孔質炭素硫黄複合体が不織布材料で補強される、実施形態31~34のいずれか一項に記載の方法。
[実施形態36]
前記多孔質炭素硫黄複合体が織布材料で補強されている、実施形態31~34のいずれか一項に記載の方法。
[実施形態37]
前記多孔質炭素硫黄複合体を微粉化して粉末を形成する、実施形態31または34~36のいずれか一項に記載の方法。
[実施形態38]
前記ポリイミド湿潤ゲル複合体が、亜臨界および/または超臨界二酸化炭素を使用して乾燥されて、前記多孔質ポリイミドを形成する、実施形態31~37のいずれか一項に記載の方法。
[実施形態39]
前記複合体がエアロゲルを含む、実施形態31~38のいずれか一項に記載の方法。
[実施形態40]
最大熱分解温度が約750℃~約1600℃である、実施形態31~39のいずれか一項に記載の方法。
[実施形態41]
前記多孔質炭素硫黄複合体が約3000℃まで黒鉛化されている、実施形態40に記載の方法。
[実施形態42]
前記多孔質ポリイミドが、密度を増加させるために、好ましくは一軸方向に圧縮される、実施形態31~39のいずれか一項に記載の方法。
[実施形態43]
前記多孔質ポリイミドが約95%もの歪みまで圧縮される、実施形態42に記載の方法。
[実施形態44]
前記多孔質炭素硫黄複合体が、圧縮量に基づいて約1.5g/ccまで調整可能な密度を有する、実施形態42に記載の方法。
[実施形態45]
前記硫黄が、溶融注入によって前記連続多孔質炭素の上または中に組み込まれる、実施形態31~44のいずれか一項に記載の方法。
[実施形態46]
前記硫黄が、前記連続多孔質炭素を、硫黄およびポリスルフィドに対して親和性を有する化学官能基で表面処理することによって、前記連続多孔質炭素の上または中に組み込まれる、実施形態31~45のいずれか一項に記載の方法。
[実施形態47]
前記ポリイミド前駆体が、適切な溶媒中にジアミンおよび酸二無水物を含む、実施形態31~46のいずれか一項に記載の方法。
[実施形態48]
前記ジアミンおよび前記酸二無水物の少なくとも一方が芳香族基を含む、実施形態47に記載の方法。
[実施形態49]
前記適切な溶媒が極性非プロトン性溶媒を含む、実施形態47および/または実施形態48に記載の方法。
It is also to be understood that the following claims are intended to cover all of the general and specific features of the invention described herein, and all statements of the scope of the invention that may be said to lie therebetween as a matter of language.
Some of the embodiments of the invention related to the present invention are given below.
[Embodiment 1]
1. A sulfur-doped nanoporous carbon material comprising a pore structure, the pore structure comprising a fibril morphology and a series of pores surrounding elemental sulfur.
[Embodiment 2]
1. A sulfur-doped nanoporous carbon material, comprising:
Pore structure including fibril morphology;
A Young's modulus of at least about 0.2 GPa; and
A sulfur-doped nanoporous carbon material comprising a density of about 0.10 g/cc to about 1.5 g/cc.
[Embodiment 3]
1. A sulfur-doped nanoporous carbon material, comprising:
Pore structure including fibril morphology;
A conductivity of at least about 1 S/cm, and
A nanoporous carbon material comprising a density of about 0.10 g/cc to about 1.5 g/cc.
[Embodiment 4]
3. The nanoporous carbon material of embodiment 1 and/or embodiment 2, wherein the carbon material has a conductivity of at least about 1 S/cm.
[Embodiment 5]
4. The nanoporous carbon material of embodiment 1 and/or embodiment 3, wherein the carbon material has a Young's modulus of at least about 0.2 GPa.
[Embodiment 6]
6. The nanoporous carbon material of any one of the preceding embodiments, wherein the nanoporous carbon material comprises a carbon aerogel.
[Embodiment 7]
7. The nanoporous carbon material of embodiment 6, wherein the carbon material comprises a polyimide-derived carbon aerogel.
[Embodiment 8]
The nanoporous carbon material of embodiment 6 and/or embodiment 7, wherein the carbon aerogel is in the form of a monolith or a powder.
[Embodiment 9]
9. The nanoporous carbon material of embodiment 8, wherein the monolithic carbon aerogel is substantially or completely free of binder.
[Embodiment 10]
8. The nanoporous carbon material of embodiment 6 and/or embodiment 7, wherein the monolithic carbon aerogel has a thickness of about 10 μm to about 1000 μm.
[Embodiment 11]
11. The nanoporous carbon material of any one of the preceding claims, wherein the pore structure is characterized by pores surrounding the sulfur.
[Embodiment 12]
12. The nanoporous carbon material of embodiment 11, wherein the pores form an interconnected structure around the sulfur, characterized by a plurality of connection points between the sulfur and the pore walls of each pore in which the sulfur is surrounded.
[Embodiment 13]
13. The nanoporous carbon material of any one of the preceding embodiments, wherein the carbon material is doped with about 5% to 90% sulfur by weight of the carbon material.
[Embodiment 14]
14. The nanoporous carbon material of any one of the preceding embodiments, wherein the carbon material has a pore volume of at least 0.3 cc/g.
[Embodiment 15]
15. The nanoporous carbon material of any one of the preceding embodiments, wherein the carbon material has a porosity of about 10% to about 90%.
[Embodiment 16]
16. The nanoporous carbon material of any one of the preceding embodiments, wherein the carbon material has a capacity of about 800 mAh/g to about 1700 mAh/g.
[Embodiment 17]
17. The nanoporous carbon material of any one of the preceding embodiments, wherein the pore structure comprises a full width at half maximum of about 50 nm or less.
[Embodiment 18]
18. The nanoporous carbon material of any one of the preceding embodiments, wherein the pore structure comprises a pore size at the largest peak from the distribution of about 100 nm or less.
[Embodiment 19]
19. The nanoporous carbon material of any one of the preceding embodiments, wherein the fibrillar morphology of the nanoporous carbon material comprises an average strut width of about 2 to 10 nm.
[Embodiment 20]
1. A sulfur-containing monolithic polyimide-derived carbon aerogel composite formed of a nanoporous carbon material, the composite being binder-free and elemental sulfur is enclosed within the pores of the monolithic polyimide-derived carbon aerogel composite.
[Embodiment 21]
A current collector-less, binder-less, interconnected cathode material for lithium-sulfur batteries comprising an open-cell, monolithic, polyimide-derived nanoporous carbon aerogel having a fibril network and an array of pores, and elemental sulfur surrounded by the array of pores.
[Embodiment 22]
21. An electrode comprising the nanoporous carbon material of any one of the preceding embodiments 1 to 20.
[Embodiment 23]
23. The electrode of embodiment 22, wherein the electrode is a cathode.
[Embodiment 24]
24. The electrode of embodiment 23, wherein the cathode does not contain a separate current collector.
[Embodiment 25]
21. An electrochemical cell comprising the nanoporous carbon material according to any one of the preceding embodiments 1 to 20.
[Embodiment 26]
25. An electrochemical cell comprising the electrode of any one of embodiments 22 to 24.
[Embodiment 27]
21. An energy storage device comprising the nanoporous carbon material according to any one of the preceding embodiments 1 to 20.
[Embodiment 28]
An energy storage device comprising an electrochemical cell according to embodiment 25 and/or embodiment 26.
[Embodiment 29]
29. An energy storage device according to any of embodiments 27 and 28, wherein the energy storage device is a battery.
[Embodiment 30]
30. The energy storage device of embodiment 29, wherein the battery is a lithium-sulfur battery.
[Embodiment 31]
1. A method for forming a continuous porous carbon-sulfur composite, comprising:
providing a polyimide precursor;
chemically or thermally imidizing the polyimide precursor;
drying the imidized mixture to obtain a continuous porous polyimide;
pyrolyzing the porous polyimide to obtain continuous porous carbon; and
incorporating sulfur on or into said continuous porous carbon to obtain said continuous porous sulfur composite having a weight percent of sulfur greater than 0% but less than about 95% and a porosity of about 10% to about 90%.
[Embodiment 32]
32. The method of embodiment 31, wherein the porous carbon sulfur composite is a monolith.
[Embodiment 33]
32. The method of embodiment 31, wherein the porous carbon sulfur composite is free-standing.
[Embodiment 34]
32. The method of embodiment 31, wherein the porous carbon sulfur composite is prepared on a substrate.
[Embodiment 35]
35. The method of any one of embodiments 31-34, wherein the porous carbon sulfur composite is reinforced with a nonwoven material.
[Embodiment 36]
35. The method of any one of embodiments 31-34, wherein the porous carbon sulfur composite is reinforced with a woven material.
[Embodiment 37]
37. The method of any one of embodiments 31 or 34-36, wherein the porous carbon sulfur composite is pulverized to form a powder.
[Embodiment 38]
38. The method of any one of embodiments 31-37, wherein the polyimide wet gel composite is dried using subcritical and/or supercritical carbon dioxide to form the porous polyimide.
[Embodiment 39]
39. The method of any one of embodiments 31-38, wherein the composite comprises an aerogel.
[Embodiment 40]
40. The method of any one of embodiments 31 to 39, wherein the maximum pyrolysis temperature is from about 750°C to about 1600°C.
[Embodiment 41]
41. The method of embodiment 40, wherein the porous carbon sulfur composite is graphitized to about 3000° C.
[Embodiment 42]
40. The method of any one of embodiments 31 to 39, wherein the porous polyimide is preferably uniaxially compressed to increase its density.
[Embodiment 43]
43. The method of embodiment 42, wherein the porous polyimide is compressed to a strain of as much as about 95%.
[Embodiment 44]
43. The method of embodiment 42, wherein the porous carbon sulfur composite has a density tunable up to about 1.5 g/cc based on the amount of compression.
[Embodiment 45]
45. The method of any one of embodiments 31-44, wherein the sulfur is incorporated onto or into the continuous porous carbon by melt infusion.
[Embodiment 46]
46. The method of any one of embodiments 31-45, wherein the sulfur is incorporated onto or into the continuous porous carbon by surface treating the continuous porous carbon with chemical functional groups that have an affinity for sulfur and polysulfides.
[Embodiment 47]
47. The method of any one of embodiments 31 through 46, wherein the polyimide precursor comprises a diamine and a dianhydride in a suitable solvent.
[Embodiment 48]
48. The method of embodiment 47, wherein at least one of the diamine and the dianhydride comprises an aromatic group.
[Embodiment 49]
The method of embodiment 47 and/or embodiment 48, wherein the suitable solvent comprises a polar aprotic solvent.

Claims (40)

硫黄ドープナノ多孔質炭素材料であって、
ナノストラット、ナノロッド、ナノファイバー及び/又はナノフィラメントを含むフィブリル形態を有する骨格を含み、かつ、相互接続された複数の細孔のネットワークを有するナノ多孔質カーボンエアロゲル材料;及び
前記ナノ多孔質カーボンエアロゲル材料の前記相互接続された複数の細孔のネットワーク中に含まれる元素状硫黄
を含み、前記硫黄ドープナノ多孔質炭素材料が、
少なくとも0.2GPaのヤング率、及び
0.10g/cc~1.5g/ccの密度、
を有する、硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。
1. A sulfur-doped nanoporous carbon material, comprising:
A nanoporous carbon aerogel material comprising a scaffold having a fibril morphology including nanostruts, nanorods, nanofibers and/or nanofilaments and having a network of a plurality of interconnected pores; and
elemental sulfur contained within the network of interconnected pores of the nanoporous carbon aerogel material ;
and the sulfur-doped nanoporous carbon material comprises:
A Young's modulus of at least 0.2 GPa, and
A density of 0.10 g/cc to 1.5 g/cc;
The sulfur-doped nanoporous carbon material has the following properties :
前記硫黄ドープナノ多孔質炭素材料が、少なくともS/cmの導電率を有する請求項1に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 2. The sulfur-doped nanoporous carbon material of claim 1, wherein the sulfur-doped nanoporous carbon material has a conductivity of at least 1 S/cm. 前記硫黄ドープナノ多孔質炭素材料がポリイミド由来のカーボンエアロゲルを含む、請求項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 2. The sulfur doped nanoporous carbon material of claim 1 , wherein the sulfur doped nanoporous carbon material comprises a polyimide derived carbon aerogel. 前記カーボンエアロゲル材料がモノリスまたは粉末の形態である、請求項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 2. The sulfur doped nanoporous carbon material of claim 1 , wherein the carbon aerogel material is in the form of a monolith or a powder. 前記カーボンエアロゲル材料がモノリスの形態にある場合に、前記カーボンエアロゲル材料が結合剤を含まない、請求項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 5. The sulfur doped nanoporous carbon material of claim 4 , wherein the carbon aerogel material is binder-free when the carbon aerogel material is in the form of a monolith . 前記カーボンエアロゲル材料がモノリスの形態にある場合に、前記カーボンエアロゲル材料が、10μm~1000μmの厚さを有する、請求項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 2. The sulfur doped nanoporous carbon material of claim 1 , wherein the carbon aerogel material has a thickness of from 10 μm to 1000 μm when the carbon aerogel material is in the form of a monolith. 前記元素状硫黄がナノ粒子の形態にあり、前記ナノ粒子と前記ナノ多孔質カーボンエアロゲル材料との間に複数の接続点が存在することを特徴とする、請求項1~6のいずれか一項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 7. The sulfur doped nanoporous carbon material of claim 1 , wherein the elemental sulfur is in the form of nanoparticles , and there are multiple connection points between the nanoparticles and the nanoporous carbon aerogel material . 前記硫黄ドープナノ多孔質炭素材料、前記炭素材料5%~90重量%の硫黄ドープされている、請求項1~のいずれか一項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 The sulfur -doped nanoporous carbon material according to any one of claims 1 to 7 , wherein the sulfur-doped nanoporous carbon material is doped with 5% to 90% by weight of the carbon material. 前記硫黄ドープナノ多孔質炭素材料が少なくとも0.3cc/gの細孔体積を有する、請求項1~のいずれか一項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 The sulfur-doped nanoporous carbon material according to any one of claims 1 to 8 , wherein the sulfur-doped nanoporous carbon material has a pore volume of at least 0.3 cc/g. 前記硫黄ドープナノ多孔質炭素材料が、10%~90%の多孔度を有する、請求項1~のいずれか一項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 The sulfur-doped nanoporous carbon material according to any one of claims 1 to 9 , wherein the sulfur-doped nanoporous carbon material has a porosity of 10 % to 90 %. 前記硫黄ドープナノ多孔質炭素材料が、800mAh/g~1700mAh/gの容量を有する、請求項1~10のいずれか一項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 The sulfur-doped nanoporous carbon material according to any one of claims 1 to 10 , wherein the sulfur-doped nanoporous carbon material has a capacity of 800 mAh/g to 1700 mAh/g. 前記ナノ多孔質カーボンエアロゲル材料が、半値全幅が50nm以下である細孔径分布を有する、請求項1~11のいずれか一項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 The sulfur-doped nanoporous carbon material according to any one of claims 1 to 11 , wherein the nanoporous carbon aerogel material has a pore size distribution with a full width at half maximum of 50 nm or less. 前記細孔構造が、100nm以下の分布からの最大ピークにおける細孔径を含む、請求項1~12のいずれか一項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 The sulfur-doped nanoporous carbon material according to any one of claims 1 to 12 , wherein the pore structure comprises a pore diameter at a maximum peak from a distribution of 100 nm or less. 前記ナノストラット、ナノロッド、ナノファイバー及び/又はナノフィラメントが2~10nmの平均直径を有する、請求項1~13のいずれか一項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料。 The sulfur doped nanoporous carbon material according to any one of claims 1 to 13 , wherein the nanostruts, nanorods, nanofibers and/or nanofilaments have an average diameter of 2 to 10 nm. 元素状硫黄とモノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲルとを含む硫黄含有モノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲル複合体であって、前記硫黄含有モノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲル複合体結合剤を含まず、元素状硫黄が前記モノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲル細孔内に含まれている、硫黄含有モノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲル複合体。 A sulfur-containing monolithic polyimide-derived carbon aerogel composite comprising elemental sulfur and a monolithic polyimide-derived carbon aerogel, the sulfur-containing monolithic polyimide-derived carbon aerogel composite being binder -free and the elemental sulfur being contained within the pores of the monolithic polyimide-derived carbon aerogel. リチウム-硫黄電池用の、結合剤を含まないカソード材料であって、
フィブリル状ネットワークを有する骨格を含み、かつ、相互接続された複数の細孔のネットワークを有する連続気泡モノリシック、ポリイミド由来のナノ多孔質カーボンエアロゲル、および
前記相互接続された複数の細孔のネットワーク中に含まれる元素状硫黄、
を含むカソード材料。
1. A binder-free cathode material for a lithium-sulfur battery, comprising:
an open-cell, monolithic, polyimide - derived nanoporous carbon aerogel comprising a scaffold having a fibrillar network and having a network of interconnected pores; and elemental sulfur contained within said network of interconnected pores.
a cathode material comprising :
請求項1~14のいずれか一項に記載の硫黄ドープナノ多孔質炭素材料又は請求項15に記載の硫黄含有モノリシックポリイミド由来カーボンエアロゲル複合体を含む電極。 An electrode comprising the sulfur-doped nanoporous carbon material according to any one of claims 1 to 14 or the sulfur-containing monolithic polyimide-derived carbon aerogel composite according to claim 15 . 前記電極がカソードである、請求項17に記載の電極。 20. The electrode of claim 17 , wherein the electrode is a cathode. 前記カソードは別個の集電体を含まない、請求項18に記載の電極。 20. The electrode of claim 18 , wherein the cathode does not include a separate current collector. 請求項1~14のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料を含む電気化学セル。 An electrochemical cell comprising the nanoporous carbon material according to any one of claims 1 to 14 . 請求項17~19のいずれか一項に記載の電極を含む電気化学セル。 20. An electrochemical cell comprising an electrode according to any one of claims 17 to 19 . 請求項1~14のいずれか一項に記載のナノ多孔質炭素材料を含む、エネルギー貯蔵装置。 An energy storage device comprising the nanoporous carbon material according to any one of claims 1 to 14 . 請求項20または21に記載の電気化学セルを備えるエネルギー貯蔵装置。 22. An energy storage device comprising an electrochemical cell according to claim 20 or 21 . 前記エネルギー貯蔵装置が電池である、請求項22または23に記載のエネルギー貯蔵装置。 24. The energy storage device of claim 22 or 23 , wherein the energy storage device is a battery. 前記電池がリチウム-硫黄電池である、請求項24に記載のエネルギー貯蔵装置。 25. The energy storage device of claim 24 , wherein the battery is a lithium-sulfur battery. 連続多孔質炭素硫黄複合体を形成する方法であって、
芳香族または脂肪族ジアミンと芳香族または脂肪族酸二無水物とを極性非プロトン性溶媒中で混合すること
前記ポリイミド前駆体を化学的または熱的にイミド化してポリイミド湿潤ゲル複合体を得ること
前記ポリイミド湿潤ゲル複合体亜臨界および/または超臨界二酸化炭素を使用して乾燥させて、連続多孔質ポリイミドを得ること、
前記連続多孔質ポリイミドを熱分解して連続多孔質炭素を得ること、および
溶融注入によって、あるいは、前記連続多孔質炭素を硫黄およびポリスルフィドに対して親和性を有する化学官能基で表面処理することによって、前記連続多孔質炭素上または前記連続多孔質炭素中に硫黄を組み込んで、硫黄の重量が0%超95%未満であり、多孔度が10%~90%である前記連続多孔質炭素硫黄複合体を得ること
を含む方法。
1. A method for forming a continuous porous carbon-sulfur composite, comprising:
mixing an aromatic or aliphatic diamine and an aromatic or aliphatic dianhydride in a polar aprotic solvent ;
chemically or thermally imidizing the polyimide precursor to obtain a polyimide wet gel composite ;
drying the polyimide wet gel composite using subcritical and/or supercritical carbon dioxide to obtain a continuous porous polyimide;
pyrolyzing the continuous porous polyimide to obtain a continuous porous carbon; and
incorporating sulfur on or into said continuous porous carbon by melt injection or by surface treating said continuous porous carbon with chemical functional groups having an affinity for sulfur and polysulfides to obtain said continuous porous carbon- sulfur composite having a weight percent sulfur of greater than 0% and less than 95 % and a porosity of 10 % to 90 % ;
The method includes :
前記連続多孔質炭素硫黄複合体がモノリスである、請求項26に記載の方法。 27. The method of claim 26 , wherein the continuous porous carbon sulfur composite is a monolith. 前記連続多孔質炭素硫黄複合体が自立構造である、請求項26に記載の方法。 27. The method of claim 26 , wherein the continuous porous carbon sulfur composite is free-standing. 前記連続多孔質炭素硫黄複合体が基材に作成される、請求項26に記載の方法。 27. The method of claim 26 , wherein the open porous carbon sulfur composite is prepared on a substrate. 前記連続多孔質炭素硫黄複合体が不織布材料で補強される、請求項2629のいずれか一項に記載の方法。 30. The method of any one of claims 26 to 29 , wherein the continuous porous carbon-sulfur composite is reinforced with a nonwoven material. 前記連続多孔質炭素硫黄複合体が織布材料で補強されている、請求項2629のいずれか一項に記載の方法。 30. The method of any one of claims 26 to 29 , wherein the continuous porous carbon-sulfur composite is reinforced with a woven material. 前記連続多孔質炭素硫黄複合体を微粉化して粉末を形成する、請求項26または2931のいずれか一項に記載の方法。 32. The method of any one of claims 26 or 29 to 31 , wherein the continuous porous carbon sulfur composite is pulverized to form a powder. 前記連続多孔質炭素硫黄複合体がエアロゲルを含む、請求項2632のいずれか一項に記載の方法。 The method of any one of claims 26 to 32 , wherein the continuous porous carbon sulfur composite comprises an aerogel. 最大熱分解温度が750℃~1600℃である、請求項2633のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any one of claims 26 to 33 , wherein the maximum pyrolysis temperature is between 750 °C and 1600 °C. 前記連続多孔質炭素硫黄複合体が最高3000℃までで黒鉛化される、請求項34に記載の方法。 35. The method of claim 34 , wherein the continuous porous carbon-sulfur composite is graphitized at up to 3000°C. 前記連続多孔質ポリイミドが、密度を増加させるために圧縮される、請求項2633のいずれか一項に記載の方法。 The method of any one of claims 26 to 33 , wherein the continuous porous polyimide is compressed to increase its density. 前記連続多孔質ポリイミドが、密度を増加させるために一軸方向に圧縮される、請求項26~33のいずれか一項に記載の方法。The method of any one of claims 26 to 33, wherein the continuous porous polyimide is uniaxially compressed to increase its density. 前記連続多孔質ポリイミドが95%もの歪みまで圧縮される、請求項36または37に記載の方法。 38. The method of claim 36 or 37 , wherein the continuous porous polyimide is compressed to a strain as high as 95 %. 前記連続多孔質炭素硫黄複合体が、圧縮量に基づいて最高で1.5g/ccまで調整可能な密度を有する、請求項36または37に記載の方法。 38. The method of claim 36 or 37 , wherein the continuous porous carbon sulfur composite has a tunable density up to 1.5 g/cc based on the amount of compression. 前記ジアミンおよび前記二無水物の少なくとも一方が芳香族基を含む、請求項26に記載の方法。 27. The method of claim 26 , wherein at least one of the diamine and the dianhydride comprises an aromatic group.
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