KR20210102088A - Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery - Google Patents
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Abstract
Description
관련 출원에 대한 상호 참조 CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
본 출원은 2017년 2월 16일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제15/434,655호의 부분 연속 출원이며, 또한 2019년 2월 8일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/802,929의 이득을 주장한다. 전술한 출원의 개시내용은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.This application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application Serial No. 15/434,655, filed February 16, 2017, and also claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application Serial No. 62/802,929, filed February 8, 2019 . The disclosure of the foregoing application is hereby incorporated by reference in its entirety.
발명의 분야field of invention
본 출원은 높은 에너지 밀도의 리튬 이차 전지 분야에 관한 것이다. 보다 특히, 본 출원은 탄소-셀레늄 나노 복합체 재료를 제조하는 방법 및 그 응용에 관한 것이다. 본 출원은 또한 셀레늄 및 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄에 관한 것이다. 또한 고정화된 셀레늄의 제조 방법 및 유용성에 관한 것이다. 고정화 셀레늄의 용도 중 하나는 재충전식 전지이다. 본 발명은 또한 0.1C-레이트와 같은 낮은 레이트로 충전될 때 비용량과 같은 전기화학적 성능을 실질적으로 회복할 수 있는 동시에 최소 수준의 용량 감소 (fading)로 빠른 레이트 (예를 들어, 10C-레이트)로 방전-충전 사이클링을 수행할 수 있는 재충전식 전지에 관한 것이다. The present application relates to the field of a lithium secondary battery having a high energy density. More particularly, the present application relates to a method for preparing a carbon-selenium nanocomposite material and its application. The present application also relates to immobilized selenium comprising selenium and carbon. It also relates to methods and usefulness for the preparation of immobilized selenium. One of the uses of immobilized selenium is in rechargeable batteries. The present invention is also capable of substantially recovering electrochemical performance, such as specific capacity, when charged at a low rate such as 0.1C-rate, while at the same time being able to substantially recover fast rates (e.g., 10C-rates) with minimal level of fading. ) to a rechargeable battery capable of performing discharge-charge cycling.
종래 기술의 설명Description of the prior art
에너지에 대한 인간의 수요가 증가함에 따라, 높은 질량 비에너지 및 높은 부피 에너지 밀도를 갖는 이차 전지, 예컨대 리튬-황 전지 및 리튬-셀레늄 전지는 광범위한 관심을 끌고 있다. 주기율표의 6A족 원소, 예컨대 황 및 셀레늄은 리튬과의 전기화학 반응 과정에서 2-전자 반응 메커니즘을 나타내었다. 셀레늄의 이론적 질량 비용량 (675 mAh/g)은 황 (1675 mAh/g)보다 낮음에도 불구하고, 셀레늄은 황 (2.07 g/cm3)보다 밀도 (4.82 g/cm3)가 더 높다. 따라서, 셀레늄의 이론적 부피 에너지 밀도 (3253 mAh/cm3)는 황의 이론적 부피 에너지 밀도 (3467 mAh/cm3)에 가깝다. 동시에, 전기 절연 재료에 가까운 황에 비해, 셀레늄은 전기적으로 반도전성이고, 더 나은 전기 전도성 성질을 나타낸다. 따라서, 황에 비해, 셀레늄은 더 높은 로딩 수준에서도 더 높은 수준의 활성과 더 나은 이용 효율을 나타내어, 높은 에너지 및 전력 밀도의 전지 시스템을 초래한다. 더욱이, 셀레늄-탄소 복합체는 더 높은 활성 전극 재료를 수득하기 위해 황-탄소 복합체에 비해 전기 전도도를 더욱 개선시킬 수 있다.As human demand for energy increases, secondary batteries having high mass specific energy and high bulk energy density, such as lithium-sulfur batteries and lithium-selenium batteries, have attracted widespread attention. Group 6A elements of the periodic table, such as sulfur and selenium, exhibited a two-electron reaction mechanism in the course of an electrochemical reaction with lithium. Although selenium's theoretical mass specific capacity (675 mAh/g) is lower than that of sulfur (1675 mAh/g), selenium has a higher density (4.82 g/cm 3 ) than sulfur (2.07 g/cm 3 ). Therefore, the theoretical bulk energy density of selenium (3253 mAh/cm 3 ) is close to that of sulfur (3467 mAh/cm 3 ). At the same time, compared to sulfur, which is close to the electrically insulating material, selenium is electrically semiconducting and exhibits better electrically conductive properties. Thus, compared to sulfur, selenium exhibits higher levels of activity and better utilization efficiency even at higher loading levels, resulting in high energy and power density cell systems. Moreover, the selenium-carbon composite can further improve the electrical conductivity compared to the sulfur-carbon composite to obtain a higher active electrode material.
특허 공보 번호 제CN104393304A호에 기재된 바와 같이, 셀렌화수소 가스를 그래핀 분산 용액에 통과시킴으로써, 용매 열은 그래핀 산화물을 그래핀으로 환원시키면서 셀렌화수소를 셀레늄으로 산화시킨다. 이와 같이 제조된 셀레늄 그래핀 전극 재료는 에테르 전해질 시스템, 1.5M 리튬 바이-트리플루오로메탄 설폰이미드 (LiTFSI)/1,3-디옥솔란 (DOL) + 디메틸 에테르 (DME) (부피 비 1:1)와 쌍을 이루고; 충전 비용량은 1회 사이클에서 640 mAh/g (셀레늄 이론적 비용량에 근접)에 도달한다. 그러나, 충전-방전 과정에서, 폴리셀레나이드 이온은 전해질에 용해되어 상당한 양의 셔틀 효과를 나타내며, 이는 후속 용량 감쇠를 야기한다. 동시에, 이 과정에 사용되는 그래핀 산화물 원료를 제조하기 위한 절차는 복잡하고 산업적 생산에는 적합하지 않다.As described in Patent Publication No. CN104393304A, by passing hydrogen-selenide gas through a graphene dispersion solution, the heat of solvation oxidizes the hydrogen-selenide to selenium while reducing the graphene oxide to graphene. The selenium graphene electrode material thus prepared was prepared in an ether electrolyte system, 1.5M lithium bi-trifluoromethane sulfonimide (LiTFSI)/1,3-dioxolane (DOL) + dimethyl ether (DME) (volume ratio 1: 1) paired with; The charge specific capacity reaches 640 mAh/g (close to the selenium theoretical specific capacity) in one cycle. However, during the charge-discharge process, polyselenide ions dissolve in the electrolyte and exhibit a significant amount of shuttle effect, which causes subsequent capacity decay. At the same time, the procedure for preparing the graphene oxide raw material used in this process is complicated and not suitable for industrial production.
특허 제CN104201389B호는 셀레늄과 배합된 질소-함유 층상 다공성 탄소 복합체 집전체를 이용하는 리튬-셀레늄 전지 캐소드 재료를 개시한다. 질소-함유 층상 다공성 탄소 복합체 집전체를 제조하는데 있어서, 질소-함유 전도성 중합체를 먼저 한 장의 종이 표면에 증착 또는 성장시킨 다음, 알칼리 활성화 및 고온 탄화되어 자체를 지지하는 망상 구조로서 탄소 섬유를 갖는 질소-함유 층상 다공성 탄소 복합체 집전체를 생성하고; 이어서, 그러한 질소-함유 층상 다공성 탄소 복합체 집전체는 셀레늄과 추가로 배합된다. 전도성 중합체를 제조하기 위한 증착 방법은 복잡하고 성막 또는 성장 과정은 제어하기 어렵다. 제조 공정이 복잡하여 이는 원치 않는 높은 비용관 연관된다.Patent CN104201389B discloses a lithium-selenium battery cathode material using a nitrogen-containing layered porous carbon composite current collector blended with selenium. In preparing a nitrogen-containing layered porous carbon composite current collector, a nitrogen-containing conductive polymer is first deposited or grown on the surface of a sheet of paper, and then alkali activated and high-temperature carbonized to support itself as a network structure of nitrogen having carbon fibers. -creating a containing layered porous carbon composite current collector; Then, such a nitrogen-containing layered porous carbon composite current collector is further compounded with selenium. The deposition method for producing the conductive polymer is complex and the film formation or growth process is difficult to control. The complexity of the manufacturing process is associated with an undesirable high cost.
더욱이, 빠른 레이트로 충전 및 방전되는 능력을 가진, 긴 수명, 높은 에너지 밀도 및 높은 전력 밀도 재충전식 전지에 대한 수요는 전자, 전기/하이브리드 자동차, 항공우주/드론, 잠수함, 및 기타 산업, 군사 및 소비자 적용분야에서 계속 증가하고 있다. 리튬 이온 전지는 상기-언급된 적용분야에서 재충전식 전지의 예이다. 그러나, 리튬 이온 전지 기술이 발달함에 따라 더 나은 성능과 사이클링 능력에 대한 요구가 리튬 이온 전지로는 충족되지 못하였다.Moreover, the demand for long life, high energy density, and high power density rechargeable batteries, with the ability to charge and discharge at a fast rate, is driving the demand for electronic, electric/hybrid automotive, aerospace/drone, submarine, and other industrial, military and It continues to grow in consumer applications. A lithium ion battery is an example of a rechargeable battery in the above-mentioned applications. However, with the development of lithium-ion battery technology, the demand for better performance and cycling ability has not been met with lithium-ion batteries.
원자 산소는 원자량이 16이고 2개의 전자 전달 능력을 갖는다. 리튬-산소 재충전식 전지는 고 에너지 밀도 전지의 제조 목적으로 연구되었다. 전지가 애노드로서 리튬 또는 나트륨 금속과 쌍을 이루는 산소 캐소드를 포함하는 경우, 가장 큰 화학량론적 에너지 밀도를 갖는다. 그러나, Li//Na-산소 전지에서 기술적 문제 대부분은 해결되지 않은 채로 남아 있다.Atomic oxygen has an atomic weight of 16 and has the ability to transport two electrons. Lithium-oxygen rechargeable batteries have been studied for the purpose of manufacturing high energy density batteries. The cell has the greatest stoichiometric energy density when it contains an oxygen cathode paired with lithium or sodium metal as the anode. However, most of the technical problems in Li//Na-oxygen cells remain unresolved.
원소 황은 또한 산소 그룹에 속하며, 리튬 또는 나트륨 금속 애노드와 쌍을 이루는 경우, 두 번째로 높은 에너지 밀도 (산소 다음)를 갖는다. 리튬-황 또는 나트륨-황 전지가 널리 연구되어 왔다. 그러나, Li-S 또는 Na-S 전지 방전 과정 동안 형성되는 폴리설파이드 이온 (중간체)은 전해질에 용해되어 캐소드로부터 애노드로 이동한다. 애노드에 도달하면, 폴리설파이드 음이온은 리튬 또는 나트륨 금속과 반응하여 에너지 밀도의 손실을 초래하는데, 이는 전지 시스템에 바람직하지 않다. 또한, 황은 절연체로, 최소 수준의 전기 전도도를 달성하기 위해 높은 로딩 수준의 탄소 재료를 필요로 한다. 황의 극히 낮은 전기 전도도로 인해, Li/Na-S 재충전식 전지는 빠른 레이트로 방전 또는 충전하기가 매우 어렵다.Elemental sulfur also belongs to the oxygen group and has the second highest energy density (after oxygen) when paired with a lithium or sodium metal anode. Lithium-sulfur or sodium-sulfur batteries have been widely studied. However, polysulfide ions (intermediates) formed during Li-S or Na-S cell discharging process dissolve in the electrolyte and migrate from the cathode to the anode. Upon reaching the anode, the polysulfide anion reacts with the lithium or sodium metal, resulting in a loss of energy density, which is undesirable for the cell system. Sulfur is also an insulator, requiring a high loading level of carbon material to achieve a minimum level of electrical conductivity. Due to the extremely low electrical conductivity of sulfur, Li/Na-S rechargeable cells are very difficult to discharge or charge at a fast rate.
발명의 요약Summary of the invention
본원에는 높은 흑연화도를 갖는 2차원 탄소 나노물질을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 2차원 탄소 나노물질을 셀레늄과 배합하여 탄소-셀레늄 복합 재료를 수득하고, 이는 리튬을 함유한 애노드 재료와 쌍을 이루는 캐소드 재료로서 사용되어, 높은 에너지 밀도 및 안정한 전기화학적 성능을 갖는 리튬-셀레늄 전지를 생성한다. 유사한 공정을 사용하여 파우치 셀을 추가로 조립할 수 있으며, 이는 또한 탁월한 전기화학적 성질을 입증한다.Disclosed herein is a method for preparing a two-dimensional carbon nanomaterial having a high graphitization degree. A two-dimensional carbon nanomaterial is blended with selenium to obtain a carbon-selenium composite material, which is used as a cathode material paired with an anode material containing lithium, and a lithium-selenium battery with high energy density and stable electrochemical performance. create A similar process can be used to further assemble the pouch cell, which also demonstrates excellent electrochemical properties.
또한, 용이하게 입수 가능한 원료와 간단한 제조 절차로 셀레늄-탄소 복합 재료를 제조하는 방법이 개시되어 있다.Also disclosed is a method for preparing a selenium-carbon composite material with readily available raw materials and a simple manufacturing procedure.
본원에 기재된 셀레늄-탄소 복합 재료는 하기 단계를 포함하는 제조 방법으로부터 수득할 수 있다:The selenium-carbon composite material described herein can be obtained from a manufacturing method comprising the steps of:
(1) 알칼리 금속 유기 염 또는 알칼리 토금속 유기 염을 고온에서 탄화시킨 다음, 묽은 염산 또는 몇몇 다른 산으로 세척하고, 건조시켜 2차원 탄소 재료를 수득하는 단계;(1) carbonizing an alkali metal organic salt or alkaline earth metal organic salt at a high temperature, followed by washing with dilute hydrochloric acid or some other acid, and drying to obtain a two-dimensional carbon material;
(2) 단계 (1)에서 수득된 2차원 탄소 재료를 유기 용액 중에서 셀레늄과 혼합하고, 가열하고, 유기 용매를 증발시킨 다음, 셀레늄을 다단계 열 램핑 및 침지 절차(multi-stage heat ramping and soaking process)를 통해 2차원 탄소 재료와 배합하여 탄소-셀레늄 복합체를 수득하는 단계.(2) the two-dimensional carbon material obtained in step (1) is mixed with selenium in an organic solution, heated, and the organic solvent is evaporated, and then the selenium is subjected to a multi-stage heat ramping and soaking process ) to obtain a carbon-selenium composite by combining it with a two-dimensional carbon material.
단계 (1)에서, 알칼리 금속 유기 염은 시트르산칼륨, 글루콘산칼륨, 및 수크로스산 나트륨 중 하나 또는 여러 개로부터 선택될 수 있다. 알칼리 토금속 유기 염은 글루콘산칼슘 및 수크로스산 칼슘 중 하나 또는 둘 다로부터 선택될 수 있다. 고온 탄화는 600 내지 1000℃, 바람직하게는, 700 내지 900℃에서 1 내지 10시간, 바람직하게는 3 내지 5시간 동안 탄화 시간으로 수행될 수 있다.In step (1), the alkali metal organic salt may be selected from one or several of potassium citrate, potassium gluconate, and sodium sucrose. The alkaline earth metal organic salt may be selected from one or both of calcium gluconate and calcium sucrose. High-temperature carbonization may be carried out at 600 to 1000° C., preferably at 700 to 900° C., with a carbonization time of 1 to 10 hours, preferably 3 to 5 hours.
단계 (2)에서, 유기 용매는 에탄올, 디메틸설폭사이드 (DMSO), 톨루엔, 아세토니트릴, N,N-디메틸포름아미드 (DMF), 사염화탄소, 및 디에틸 에테르 또는 에틸 아세테이트 중 하나 또는 여러 개로부터 선택될 수 있고; 다단계 열 램핑 및 침지 섹션은 200℃와 300℃ 사이, 바람직하게는 220℃와 280℃ 사이의 온도가 되도록 하는 램핑 속도 2 내지 10℃/분, 바람직하게는 5 내지 8℃/분에 이어, 이 온도에서 3 내지 10시간, 바람직하게는, 3 내지 4시간 동안의 침지; 그 후 계속해서 400 내지 600℃, 바람직하게는, 430 내지 460℃까지의 가열에 이어, 10 내지 30시간, 바람직하게는 15 내지 20시간 동안의 침지를 지칭할 수 있다In step (2), the organic solvent is selected from one or several of ethanol, dimethylsulfoxide (DMSO), toluene, acetonitrile, N,N-dimethylformamide (DMF), carbon tetrachloride, and diethyl ether or ethyl acetate. can be; The multi-stage heat ramping and soaking section is followed by a ramping rate of 2 to 10 °C/min, preferably 5 to 8 °C/min, such that the temperature is between 200 °C and 300 °C, preferably between 220 °C and 280 °C, followed by this immersion at temperature for 3 to 10 hours, preferably 3 to 4 hours; It may then refer to heating to 400 to 600° C., preferably to 430 to 460° C., followed by immersion for 10 to 30 hours, preferably 15 to 20 hours.
본원에는 또한, 탄소-셀레늄 복합 재료를 포함하는 리튬-셀레늄 이차 전지가 개시되어 있다. 리튬-셀레늄 이차 전지는 리튬-함유 애노드, 세퍼레이터, 및 전해질을 추가로 포함할 수 있다.Also disclosed herein is a lithium-selenium secondary battery including a carbon-selenium composite material. The lithium-selenium secondary battery may further include a lithium-containing anode, a separator, and an electrolyte.
리튬-함유 애노드는 리튬 금속, 리튬화 흑연 애노드, 및 리튬화 실리콘 탄소 애노드 재료 중 하나 또는 여러 개일 수 있다 (흑연 및 실리콘-탄소 애노드 재료 및 리튬 애노드를 반쪽 셀 전지로 되도록 조립하고 방전시켜 리튬화 흑연 애노드 및 리튬화 실리콘-탄소 애노드 재료를 제조함을 통해). 세퍼레이터 (멤브레인)는, 시판중인 멤브레인(막), 예컨대, 제한 없이, 셀가드 (Celgard) 막, 와트만 (Whatman) 막, 셀룰로스 막 또는 중합체 막일 수 있다. 전해질은 카보네이트 전해질, 에테르 전해질 및 이온성 액체 중 하나 또는 여러 개일 수 있다.The lithium-containing anode can be one or several of lithium metal, lithiated graphite anode, and lithiated silicon carbon anode materials (graphite and silicon-carbon anode materials and lithium anodes are assembled into a half-cell cell and discharged to lithiate through making graphite anode and lithiated silicon-carbon anode material). The separator (membrane) can be a commercially available membrane (membrane), such as, without limitation, a Celgard membrane, a Whatman membrane, a cellulose membrane or a polymer membrane. The electrolyte may be one or several of a carbonate electrolyte, an ether electrolyte, and an ionic liquid.
카보네이트 전해질은 디에틸 카보네이트 (DEC), 디메틸 카보네이트 (DMC), 에틸렌 카보네이트 (EC), 에틸 메틸 카보네이트 (EMC), 및 프로필렌 카보네이트 (PC)로부터 하나 또는 여러 개로부터 선택될 수 있으며; 용질은 리튬 헥사플루오로 포스페이트 (LiPF6), 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐) 이미드 (LiTFSI), 과염소산리튬 (LiClO4) 및 리튬 비스(플루오로설포닐) 이미드 (LiFSI)로부터 하나 또는 여러 개로부터 선택될 수 있다.the carbonate electrolyte may be selected from one or several of diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and propylene carbonate (PC); one from lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO 4 ) and lithium bis(fluorosulfonyl) imide (LiFSI) Or it may be selected from several.
에테르 전해액의 경우, 용매는 1,3-디옥솔란 (DOL), 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (DME) 및 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (TEGDME)으로부터 하나 또는 여러 개를 선택할 수 있으며; 용질은 리튬 헥사플루오로포스페이트 (LiPF6), 리튬 비스-(트리플루오로메탄설포닐) 이미드 (LiTFSI), 과염소산리튬 (LiClO4) 및 리튬 비스-플루오로설포닐이미드 (LiFSI)로부터 하나 또는 여러 개로부터 선택될 수 있다.For the ether electrolyte, the solvent may be one or several selected from 1,3-dioxolane (DOL), ethylene glycol dimethyl ether (DME) and triethylene glycol dimethyl ether (TEGDME); one from lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis-(trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO 4 ) and lithium bis-fluorosulfonylimide (LiFSI) Or it may be selected from several.
이온성 액체의 경우, 이온성 액체는 하나 이상의 실온 이온성 액체 [EMIm] NTf2 (1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스 트리플루오로메탄 설폰이미드 염), [Py13] NTf2 (N-프로필-N-메틸피롤리딘 비스 트리플루오로메탄 설폰이미드 염), [PP13] NTf2 (N-프로필-메틸피페리딘 알콕시-N-비스 트리플루오로메탄 설폰이미드 염)일 수 있고; 용질은 리튬 헥사플루오로포스페이트 (LiPF6), 비스(트리플루오로메틸설포닐) 이미드 (LiTFSI), 과염소산리튬 (LiClO4) 및 리튬 비스 플루오로설포닐이미드 (LiFSI)로부터 하나 이상에서 선택될 수 있다.For ionic liquids, the ionic liquid is one or more room temperature ionic liquids [EMIm] NTf2 (1-ethyl-3-methylimidazolium bis trifluoromethane sulfonimide salt), [Py13] NTf2 (N-propyl -N-methylpyrrolidine bis trifluoromethane sulfonimide salt), [PP13] NTf2 (N-propyl-methylpiperidine alkoxy-N-bis trifluoromethane sulfonimide salt); the solute is selected from at least one selected from lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), bis(trifluoromethylsulfonyl) imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO 4 ) and lithium bis fluorosulfonylimide (LiFSI) can be
본원에는 또한, 탄소 셀레늄 복합 재료를 포함하는 리튬-셀레늄 파우치 셀 전지가 기재되어 있다.Also described herein is a lithium-selenium pouch cell battery comprising a carbon selenium composite material.
종래 기술과 비교하여, 본원에 개시된 셀레늄 탄소 복합 재료의 제조 방법과 관련하여, 2차원 탄소 재료는 원료를 저비용으로 용이하게 입수 가능하고, 제조 방법이 간단하고, 매우 실용적이며 대량 생산에 적합하고, 수득된 셀레늄 탄소 복합 재료가 탁월한 전기화학적 성질을 나타낸다는 이점을 갖는다.Compared with the prior art, with respect to the manufacturing method of the selenium carbon composite material disclosed herein, the two-dimensional carbon material is readily available at low cost, the manufacturing method is simple, very practical and suitable for mass production, The obtained selenium carbon composite material has the advantage that it exhibits excellent electrochemical properties.
본원에는 또한, 셀레늄 및 탄소 골격을 포함하는 고정화된 셀레늄 (고정화된 셀레늄 바디)이 개시되어 있다. 고정화된 셀레늄은 다음 중 적어도 하나를 포함한다: (a) 셀레늄 입자가 고정화된 셀레늄 시스템을 빠져 나가기 위해 9.5 kJ/몰 이상, 9.7 kJ/몰 이상, 9.9 kJ/몰 이상, 10.1 kJ/몰 이상, 10.3 kJ/몰 이상, 또는 10.5 kJ/몰 이상의 운동 에너지에 도달하기에 충분한 에너지를 얻는 것이 필요하다; (b) 셀레늄 입자가 고정화된 셀레늄 시스템을 빠져 나가기 위해 충분한 에너지를 얻기 위해 490℃ 이상, 500℃ 이상, 510℃ 이상, 520℃ 이상, 530℃ 이상, 540℃ 이상, 550℃ 이상, 또는 560℃ 이상의 온도가 필요하다; (c) 탄소 골격이 (20 옹스트롬 미만의 기공과 함께) 500 m2/g 이상, 600 m2/g 이상, 700m2/g 이상, 800 m2/g 이상, 900 m2/g 이상, 또는 1,000 m2/g 이상의 표면적 을 갖는다; (d) 탄소 골격이 (20 옹스트롬과 1000 옹스트롬 사이의 기공의 경우) 전체 표면적의 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하, 5% 이하, 3% 이하, 2% 이하, 1% 이하의 표면적을 갖는다.Also disclosed herein is an immobilized selenium (immobilized selenium body) comprising selenium and a carbon skeleton. The immobilized selenium comprises at least one of: (a) at least 9.5 kJ/mole, at least 9.7 kJ/mole, at least 9.9 kJ/mole, at least 10.1 kJ/mole, for selenium particles to exit the immobilized selenium system; It is necessary to obtain sufficient energy to reach a kinetic energy of at least 10.3 kJ/mole, or at least 10.5 kJ/mole; (b) at least 490°C, at least 500°C, at least 510°C, at least 520°C, at least 530°C, at least 540°C, at least 550°C, or at least 560°C to obtain sufficient energy to exit the selenium system to which the selenium particles are immobilized. A higher temperature is required; (c) a carbon skeleton least 500 m 2 / g (with a porosity of less than 20 angstroms), 600 m 2 / g or more, 700m 2 / g or more, 800 m 2 / g or more, 900 m 2 / g or more, or have a surface area of at least 1,000 m 2 /g; (d) the carbon backbone has a surface area of 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less, 3% or less, 2% or less, 1% or less of the total surface area (for pores between 20 angstroms and 1000 angstroms) has
본원에는 또한, 고정화된 셀레늄을 포함하는 캐소드 또는 재충전식 전지가 개시되어 있다. 셀레늄은 다른 원소, 예컨대 황으로 도핑될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.Also disclosed herein is a cathode or rechargeable battery comprising immobilized selenium. Selenium may be doped with other elements, such as, but not limited to, sulfur.
본원에는 또한, 셀레늄 및 탄소를 포함하고 1 이상, 2 이상, 5 이상, 10 이상 또는 20 이상의 종횡 비를 갖는 판상형 모폴로지(platelet morphology)를 포함하는 복합체가 개시되어 있다.Also disclosed herein are composites comprising selenium and carbon and comprising a platelet morphology having an aspect ratio of at least 1, at least 2, at least 5, at least 10, or at least 20.
본원에는 또한, 셀레늄 및 탄소를 포함하고 1 이상, 2 이상, 5 이상, 10 이상 또는 20 이상의 종횡 비를 갖는 판상형 모폴로지를 포함하는 복합체를 포함하는 캐소드가 개시되어 있다. 본원에는 또한, 셀레늄 및 탄소를 포함하고 전술한 종횡 비를 갖는 판상형 모폴로지를 포함하는 복합체를 포함하는 재충전식 전지가 개시되어 있다.Also disclosed herein is a cathode comprising a composite comprising selenium and carbon and comprising a platelet morphology having an aspect ratio of at least 1, at least 2, at least 5, at least 10, or at least 20. Also disclosed herein is a rechargeable battery comprising a composite comprising selenium and carbon and comprising a platelet morphology having the aforementioned aspect ratio.
본원에는 또한, 캐소드, 애노드, 세퍼레이터, 및 전해질을 포함하는 재충전식 전지가 개시되어 있다. 재충전식 전지는 0.1C, 0.2 C, 0.5C, 1C, 1.5 C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C에서 또는 더 빨리 충전될 수 있다. 캐소드는 칼코겐 그룹, 예컨대 셀레늄, 황, 텔루륨, 및 산소 중 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다. 애노드는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 및 IIIA족 금속 또는 금속들 중 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다. 세퍼레이터는 유기 세퍼레이터 또는 무기 세퍼레이터를 포함할 수 있으며 이들의 표면은 임의로 변형될 수 있다. 전해질은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 및 IIIA족 금속 또는 금속들 중 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다. 전해질 용액 중 용매는 유기 용매, 카보네이트-기반, 에테르-기반, 또는 에스테르-기반을 포함할 수 있다.Also disclosed herein is a rechargeable battery comprising a cathode, an anode, a separator, and an electrolyte. Rechargeable cells can be charged at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster. The cathode may include an element of at least one of a chalcogen group, such as selenium, sulfur, tellurium, and oxygen. The anode may include an alkali metal, an alkaline earth metal, and at least one element of a Group IIIA metal or metals. The separator may include an organic separator or an inorganic separator, and their surfaces may be optionally modified. The electrolyte may include an alkali metal, an alkaline earth metal, and at least one element of a Group IIIA metal or metals. The solvent in the electrolyte solution may include an organic solvent, carbonate-based, ether-based, or ester-based.
재충전식 전지는 400 mAh/g 이상, 450 mAh/g 이상, 500 mAh/g 이상, 550 mAh/g 이상, 또는 600 mAh/g 이상의 비용량을 가질 수 있다. 재충전식 전지는 50 사이클 이상, 75 사이클 이상, 100 사이클 이상, 200 사이클 이상 등 동안 전기화학적 사이클링을 겪을 수 있다. 재충전식 전지는 높은 C-레이트 충전-방전 사이클링 (예를 들어, 0.1C에서 5 사이클, 0.2C에서 5 사이클, 0.5C에서 5 사이클, 1C에서 5 사이클, 2C에서 5 사이클, 5C에서 5 사이클, 및 10C에서 5 사이클)을 수행한 후에, 0.1C의 사이클링 레이트에서 두번째(2nd) 방전 비용량의 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과 또는 80% 초과의 전지 비용량을 유지할 수 있다. 재충전식 전지는 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상 또는 90% 이상의 쿨롱 효율을 가질 수 있다. 재충전식 전지는 전자제품, 전기 또는 하이브리드 차량, 산업 적용분야, 군사 적용분야, 예컨대 드론, 항공우주 적용분야, 해양 적용분야 등에 사용될 수 있다.The rechargeable battery may have a specific capacity of at least 400 mAh/g, at least 450 mAh/g, at least 500 mAh/g, at least 550 mAh/g, or at least 600 mAh/g. The rechargeable battery may undergo electrochemical cycling for at least 50 cycles, at least 75 cycles, at least 100 cycles, at least 200 cycles, and the like. Rechargeable cells can be subjected to high C-rate charge-discharge cycling (e.g., 5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles at 1C, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C, and 5 cycles at 10C), greater than 30%, greater than 40%, greater than 50%, greater than 60%, greater than 70% or greater than 80% of the second (2 nd ) discharge specific capacity at a cycling rate of 0.1C. Battery specific capacity can be maintained. The rechargeable battery may have a coulombic efficiency of at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, or at least 90%. Rechargeable batteries may be used in electronics, electric or hybrid vehicles, industrial applications, military applications such as drones, aerospace applications, marine applications, and the like.
도 1은 실시예 1의 탄소 재료의 50,000X 주사 전자 현미경 사진이고;
도 2는 실시예 1의 리튬 셀레늄 전지의 0.1C 충전 및 방전 곡선이고;
도 3은 비교실시예 2의 리튬 셀레늄 전지의 0.1C 충전 및 방전 곡선이고;
도 4는 실시예 1의 파우치 셀 전지의 광학 이미지이고;
도 5는 실시예 1의 파우치 셀 전지의 0.05C 충전 및 방전 곡선이고;
도 6은 고정화된 셀레늄 제조 공정의 흐름도이고;
도 7은 실시예 9의 방법에 의해 제조된 탄소 골격의 주사 전자 현미경 이미지이고;
도 8은 실시예 9의 방법에 의해 제조된 탄소 골격에 대한 X-선 회절 패턴이고;
도 9는 실시예 9의 방법에 의해 제조된 탄소 골격의 라만 스펙트럼이고;
도 10a는 실시예 9의 방법에 의해 제조된 탄소 골격에 대한 누적 및 증분 표면적의 그래프이고;
도 10b는 실시예 9의 방법에 의해 제조된 탄소 골격에 대한 누적 및 증분 기공 부피의 그래프이고;
도 11a는 실시예 10의 방법에 의해 제조된 고정화된 셀레늄에 대한 TGA 분석의 그래프이고;
도 11b는 Se-Super P 탄소 및 Se-흑연을 사용하여 실시예 10의 방법에 의해 제조된 비고정화된 셀레늄 샘플에 대한 TGA 분석의 그래프이고;
도 11c는 16℃/분 및 10℃/분의 가열 속도에서 아르곤 가스의 유동하에 Se-Super P 탄소 (도 11b)를 사용하여 제조된 비고정화된 셀레늄 샘플의 TGA 분석의 그래프이고;
도 11d는 비고정화된 셀레늄 (Se-Super P 복합체-실선) 및 실시예 10의 방법에 의해 제조된 고정화된 셀레늄의 2개의 상이한 샘플 (228-110 (점선) 및 115-82-2 (파선))에 대한 속도 상수(rate constant)의 그래프이고;
도 12는 실시예 10의 방법에 의해 제조된 고정화된 셀레늄의 라만 스펙트럼의 그래프이고;
도 13은 실시예 10의 방법에 의해 제조된 고정화된 셀레늄에 대한 X-선 회절 패턴의 그래프이고;
도 14는 실시예 10의 방법에 의해 제조된 고정화된 셀레늄의 SEM 이미지이고;
도 15는 실시예 11 또는 실시예 13의 방법에 따라 제조된 캐소드를 포함하는 코인 셀 전지의 분해도이고;
도 16은 실시예 12의 방법에 의해 제조된 도 15에 나타낸 유형의 제1 리튬-셀레늄 코인 셀 전지 (0.1C) (도 16a - 좌측) 및 제2 리튬-셀레늄 코인 셀 전지 (0.1C에 이어 1C) (도 16a - 우측)에 대한 사이클링 시험 결과의 그래프이고;
도 17은 상이한 사이클링 레이트로 실시예 12의 방법에 의해 제조되었던 도 15에 나타낸 유형의 리튬-셀레늄 코인 셀 전지에 대한 사이클링 시험의 그래프이고;
도 18은 중합체 세퍼레이터를 갖는 실시예 13에 따라 제조된 도 15에 나타낸 유형의 리튬-황-도핑된 셀레늄 코인 셀 전지에 대한 0.1C 사이클링 시험 결과의 그래프이고;
도 19는 중합체 세퍼레이터를 갖는 실시예 13에 따라 제조된 도 15에 나타낸 유형의 리튬-황-도핑된 셀레늄 코인 셀 전지에 대한 1C 사이클링 시험 결과의 그래프이고;
도 20은 글루코스로부터 생성된 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노 물질의 SEM 이미지이고;
도 21은 글루코스로부터 생성된 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질에 대한 BET N2 등온선 (a) 및 기공 크기 분포 (c)이고;
도 22는 대두 밀 (soybean mill)로부터 생성된 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질의 SEM 이미지이고;
도 23은 대두 밀로부터 생성된 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질에 대한 BET N2 등온선 (b) 및 기공 크기 분포 (d)이다.1 is a 50,000X scanning electron micrograph of the carbon material of Example 1;
2 is a 0.1C charge and discharge curve of the lithium selenium battery of Example 1;
3 is a 0.1C charge and discharge curve of the lithium selenium battery of Comparative Example 2;
4 is an optical image of the pouch cell battery of Example 1;
5 is a 0.05C charge and discharge curve of the pouch cell battery of Example 1;
6 is a flow chart of the immobilized selenium manufacturing process;
7 is a scanning electron microscope image of a carbon skeleton prepared by the method of Example 9;
8 is an X-ray diffraction pattern for a carbon skeleton prepared by the method of Example 9;
9 is a Raman spectrum of a carbon skeleton prepared by the method of Example 9;
10A is a graph of cumulative and incremental surface area for a carbon backbone prepared by the method of Example 9;
10B is a graph of cumulative and incremental pore volumes for carbon backbones prepared by the method of Example 9;
11A is a graph of TGA analysis for immobilized selenium prepared by the method of Example 10;
11B is a graph of TGA analysis for an unimmobilized selenium sample prepared by the method of Example 10 using Se-Super P carbon and Se-graphite;
11C is a graph of TGA analysis of an unimmobilized selenium sample prepared using Se-Super P carbon (FIG. 11B) under a flow of argon gas at heating rates of 16°C/min and 10°C/min;
11D shows two different samples of unimmobilized selenium (Se-Super P complex-solid line) and immobilized selenium prepared by the method of Example 10 (228-110 (dotted line) and 115-82-2 (dashed line). ) is a graph of the rate constant against ;
12 is a graph of the Raman spectrum of immobilized selenium prepared by the method of Example 10;
13 is a graph of the X-ray diffraction pattern for immobilized selenium prepared by the method of Example 10;
14 is an SEM image of immobilized selenium prepared by the method of Example 10;
15 is an exploded view of a coin cell cell including a cathode prepared according to the method of Examples 11 or 13;
16 shows a first lithium-selenium coin cell battery of the type shown in FIG. 15 (0.1C) ( FIG. 16A - left) and a second lithium-selenium coin cell battery (0.1C) prepared by the method of Example 12; 1C) is a graph of cycling test results for ( FIG. 16A - right);
17 is a graph of cycling tests for a lithium-selenium coin cell cell of the type shown in FIG. 15 that was prepared by the method of Example 12 at different cycling rates;
18 is a graph of 0.1C cycling test results for a lithium-sulfur-doped selenium coin cell battery of the type shown in FIG. 15 prepared according to Example 13 with a polymer separator;
19 is a graph of 1C cycling test results for a lithium-sulfur-doped selenium coin cell battery of the type shown in FIG. 15 prepared according to Example 13 with a polymer separator;
20 is a SEM image of a three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial produced from glucose;
21 is a BET N 2 isotherm (a) and pore size distribution (c) for a three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial generated from glucose;
22 is a SEM image of a three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial produced from a soybean mill;
23 is a BET N 2 isotherm (b) and pore size distribution (d) for three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials produced from soybean wheat.
구체적인 예와 관련하여, 본 발명은 하기에 추가로 기술될 것이다. 달리 명시되지 않는 한, 하기 실시예에서의 실험 방법은 모두 통상적이다; 시약 및 재료는 모두 상업적 공급원으로부터 입수 가능하다.With reference to specific examples, the present invention will be further described below. Unless otherwise specified, the experimental methods in the following examples are all conventional; All reagents and materials are available from commercial sources.
실시예 1:Example 1:
(A) 셀레늄 탄소 복합 재료의 제조(A) Preparation of selenium carbon composite material
분쇄 및 밀링 후, 적절한 양의 시트르산칼륨을 800℃에서 5시간 동안 불활성 분위기하에 소성하고, 실온으로 냉각시킨다. 묽은 염산으로 중성 pH가 되도록 세척하고; 여과하고 건조시켜 2차원 탄소 나노물질을 제공하고 (도 1); 50:50의 질량비에 따라, 2차원 탄소 물질 및 셀레늄을 칭량한 다음, 교반하고, 셀레늄의 에탄올 용액과 균일하게 혼합하고; 용매 증발 후, 혼합물을 건조 오븐에서 건조시키고; 건조된 혼합물을 5℃/분으로 240℃까지 가열하고, 3시간 동안 침지시키고; 이어서, 5℃/분으로 450℃까지 계속 가열하고; 20시간 동안 침지시키고; 실온으로 냉각시켜 셀레늄 탄소 복합 재료를 생성하였다.After grinding and milling, an appropriate amount of potassium citrate is calcined at 800° C. for 5 hours under an inert atmosphere, and cooled to room temperature. washed to neutral pH with dilute hydrochloric acid; filtration and drying to provide a two-dimensional carbon nanomaterial (FIG. 1); According to a mass ratio of 50:50, the two-dimensional carbon material and selenium are weighed, then stirred, and uniformly mixed with an ethanol solution of selenium; After evaporation of the solvent, the mixture is dried in a drying oven; The dried mixture was heated to 240° C. at 5° C./min and immersed for 3 hours; then continued heating to 450° C. at 5° C./min; immersion for 20 hours; Cooling to room temperature produced a selenium carbon composite material.
(B) 셀레늄 탄소 복합체 캐소드의 제조(B) Preparation of selenium carbon composite cathode
상기 제조된 셀레늄 탄소 복합체를 펄프화(pulping), 코팅, 건조 및 기타 절차에 의한 고정된 제형화에 의해 물과 함께, 카본 블랙 Super P (TIMCAL) 및 결합제 CMC/SBR (중량 비 1:1)과 혼합하여 셀레늄 탄소 복합체 캐소드를 수득한다.The prepared selenium carbon composite was subjected to fixed formulation by pulping, coating, drying and other procedures with water, carbon black Super P (TIMCAL) and binder CMC/SBR (weight ratio 1:1) and to obtain a selenium carbon composite cathode.
(C) 리튬 - 셀레늄 전지 조립(C) Lithium-Selenium Battery Assembly
상기 제조된 셀레늄 탄소 복합 캐소드, 애노드로서 리튬 포일, 세퍼레이터로서 셀가드 다이어프램 및 전해질로서 EC/DMC 중 1M LiPF6을 리튬 셀레늄 코인 셀 전지 및 리튬 셀레늄 파우치 셀 전지가 되도록 조립하였다 (도 4).The prepared selenium carbon composite cathode, lithium foil as an anode, Celgard diaphragm as a separator, and 1M LiPF 6 in EC/DMC as electrolyte were assembled to be a lithium selenium coin cell battery and a lithium selenium pouch cell battery (FIG. 4).
(D) 리튬 -셀레늄 전지 시험(D) Lithium-Selenium Battery Test
충전-방전 장치를 사용하여 리튬-셀레늄 코인 셀 전지 및 리튬 셀레늄 파우치 셀 전지에 대한 정전류 충전-방전 시험을 수행한다. 시험 전압 범위는 1.0 V와 3.0 V 사이이며, 시험 온도는 25℃이다. 방전 비용량 및 충전-방전 전류의 수준은 셀레늄 질량에 기초하여 표준적으로 계산된다. 충전-방전 전류는 0.1C 또는 0.05C이다. 리튬 셀레늄 코인 충전 및 방전 곡선은 도 2에 나타내며, 구체적인 시험 결과는 아래 표 1에 나타낸다. 리튬 셀레늄 파우치 셀 시험 결과는 도 5에 나타낸다.A constant current charge-discharge test is performed on a lithium-selenium coin cell battery and a lithium selenium pouch cell battery using a charge-discharge device. The test voltage range is between 1.0 V and 3.0 V, and the test temperature is 25°C. The level of discharge specific capacity and charge-discharge current is standardly calculated based on selenium mass. The charge-discharge current is 0.1C or 0.05C. The lithium selenium coin charging and discharging curves are shown in FIG. 2, and the specific test results are shown in Table 1 below. The lithium selenium pouch cell test results are shown in FIG. 5 .
실시예 2:Example 2:
2차원 탄소를 위해 탄화된 원료가 시트르산나트륨인 것을 제외하고, 조건은 실시예 1에서와 동일하다. 전지 시험 결과는 아래 표 1에 요약되어 있다.The conditions were the same as in Example 1, except that the raw material carbonized for the two-dimensional carbon was sodium citrate. The cell test results are summarized in Table 1 below.
실시예 3:Example 3:
2차원 탄소를 위해 탄화된 원료가 글루콘산칼륨인 것을 제외하고, 조건은 실시예 1에서와 동일하다. 전지 시험 결과는 아래 표 1에 요약되어 있다.Conditions were the same as in Example 1, except that the raw material carbonized for the two-dimensional carbon was potassium gluconate. The cell test results are summarized in Table 1 below.
실시예 4:Example 4:
탄소 재료에 대한 고온 탄화 온도가 650℃인 것을 제외하고는, 조건은 실시예 1에서와 동일하다. 전지 시험 결과는 아래 표 1에 요약되어 있다.The conditions were the same as in Example 1, except that the high-temperature carbonization temperature for the carbon material was 650°C. The cell test results are summarized in Table 1 below.
실시예 5:Example 5:
건조된 혼합물을 5℃/분으로 300℃까지 가열하고 이 온도에서 3시간 동안 침지시킨 것을 제외하고는, 조건은 실시예 1에서와 동일하다. 전지 시험 결과는 아래 표 1에 요약되어 있다.The conditions were the same as in Example 1, except that the dried mixture was heated to 300° C. at 5° C./min and immersed at this temperature for 3 hours. The cell test results are summarized in Table 1 below.
실시예 6:Example 6:
건조된 혼합물을 5℃/분으로 240℃까지 가열하고 이 온도에서 3시간 동안 침지시킨 다음, 600℃까지 계속해서 가열하고 이 일정한 온도에서 20시간 동안 침지시킨 것을 제외하고는, 조건은 실시예 1에서와 동일하다. 전지 시험 결과는 아래 표 1에 요약되어 있다.The conditions were Example 1 except that the dried mixture was heated to 240° C. at 5° C./min and immersed at this temperature for 3 hours, then continued heating to 600° C. and soaked at this constant temperature for 20 hours. same as in The cell test results are summarized in Table 1 below.
실시예 7:Example 7:
리튬-Se 전지가 리튬 애노드 시트 대신 리튬화 흑연 애노드로 패킹된다는 것을 제외하고는, 조건은 실시예 1에서와 동일하다. 전지 시험 결과는 아래 표 1에 요약되어 있다.The conditions were the same as in Example 1, except that the lithium-Se battery was packed with a lithiated graphite anode instead of a lithium anode sheet. The cell test results are summarized in Table 1 below.
실시예 8:Example 8:
리튬-Se 전지가 리튬 애노드 시트 대신 리튬화 실리콘 탄소 애노드로 패킹된다는 점을 제외하고는, 조건은 실시예 1에서와 동일하다. 전지 시험 결과는 아래 표 1에 요약되어 있다.The conditions were the same as in Example 1, except that the lithium-Se battery was packed with a lithiated silicon carbon anode instead of a lithium anode sheet. The cell test results are summarized in Table 1 below.
비교실시예 1:Comparative Example 1:
폴리아크릴로니트릴을 원료로 사용하는 것을 제외하고는, 조건은 실시예 1에서와 동일하다. 전지 시험 결과는 아래 표 1에 요약되어 있다.Except for using polyacrylonitrile as a raw material, the conditions were the same as in Example 1. The cell test results are summarized in Table 1 below.
비교실시예 2:Comparative Example 2:
셀레늄 및 탄소 복합체를 제조하기 위해 1단계 화합물 방법이 사용되는 것을 제외하고는, 조건은 실시예 1에서와 동일하다. 본 실시예에서, 건조된 셀레늄 탄소 혼합물을 5℃/분으로 500℃까지 가열하고 이 온도에서 23시간 동안 침지시켜 셀레늄 탄소 복합 재료를 수득하였다. 이와 같이 수득된 셀레늄 탄소 복합 재료로부터 제조된 전지의 충전-방전 곡선을 도 3에 나타내고; 전지 시험 결과는 아래 표 1에 요약되어 있다. Conditions are the same as in Example 1, except that a one-step compound method is used to prepare selenium and carbon composites. In this example, the dried selenium carbon mixture was heated to 500° C. at 5° C./min and immersed at this temperature for 23 hours to obtain a selenium carbon composite material. The charge-discharge curve of the battery prepared from the selenium carbon composite material thus obtained is shown in FIG. 3 ; The cell test results are summarized in Table 1 below.
[표 1] 요약된 전지 시험 결과 [Table 1] Summarized cell test results
이와 같이 셀레늄 탄소 복합 재료의 제조 방법을 설명하였으므로, 예를 들어, 재충전식 전지에서 고정화된 셀레늄의 제조 방법 및 고정화된 셀레늄의 용도가 설명될 것이다.Having thus described a method for producing a selenium carbon composite material, for example, a method for producing immobilized selenium and use of immobilized selenium in a rechargeable battery will be described.
셀레늄은 산소 및 황과 동일한 족, 즉 원소 주기율표의 6족 원소이다. 셀레늄은 이들의 실질적으로 높은 전기 전도도의 측면에서 산소 및 황을 능가하여 유리할 수 있다. US 제2012/0225352호는 우수한 용량 및 사이클링 능력을 갖는 Li-셀레늄 및 Na-셀레늄 재충전식 전지의 제조를 개시한다. 그러나, 특정 수준의 폴리셀레나이드 음이온이 그러한 전지의 캐소드와 애노드 사이에서 셔틀링되어, 실제 사용을 위해서는 상당히 개선될 필요가 있는 추가의 전기화학적 성능을 초래한다. 이 분야와 관련된 문헌은 다음과 같다:Selenium is an element in the same group as oxygen and sulfur, i.e.,
"Electrode Materials for Rechargeable Batteries", Ali Aboulmrane and Khalil Amine, US Patent Application 2012/0225352, Sept. 6, 2012."Electrode Materials for Rechargeable Batteries", Ali Aboulmrane and Khalil Amine, US Patent Application 2012/0225352, Sept. 6, 2012.
"Lithium-Selenium Secondary Batteries Having non-Flammable Electrolyte", Hui He, Bor Z. Jang, Yanbo Wang, and Aruna Zhamu, US Patent Application 2015/0064575, March 5, 2015.“Lithium-Selenium Secondary Batteries Having non-Flammable Electrolyte,” Hui He, Bor Z. Jang, Yanbo Wang, and Aruna Zhamu, US Patent Application 2015/0064575, March 5, 2015.
"Electrolyte Solution and Sulfur-based or Selenium-based Batteries including the Electrolyte Solution", Fang Dai, Mei Cai, Qiangfeng Xiao, and Li Yang, US Patent Application 2016/0020491, Jan. 21, 2016."Electrolyte Solution and Sulfur-based or Selenium-based Batteries including the Electrolyte Solution", Fang Dai, Mei Cai, Qiangfeng Xiao, and Li Yang, US Patent Application 2016/0020491, Jan. 21, 2016.
"A New Class of Lithium and Sodium Rechargeable Batteries Based on Selenium and Selenium-Sulfur as a Positive Electrode", Ali Abouimrane, Damien Dambournet, Kerena W. Chapman, Peter J. Chupa, Wei Wang, and Khalil Amine, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4505-4508."A New Class of Lithium and Sodium Rechargeable Batteries Based on Selenium and Selenium-Sulfur as a Positive Electrode", Ali Abouimrane, Damien Dambournet, Kerena W. Chapman, Peter J. Chupa, Wei Wang, and Khalil Amine, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4505-4508.
"A Free-Standing and Ultralong-life Lithium-Selenium Battery Cathode Enabled by 3D Mesoporous Carbon/Graphene Hierachical Architecture", Kai Han, Zhao Liu, Jingmei Shen, Yuyuan Lin, Fand Dai, and Hongqi Ye, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 455-463."A Free-Standing and Ultralong-life Lithium-Selenium Battery Cathode Enabled by 3D Mesoporous Carbon/Graphene Hierachical Architecture", Kai Han, Zhao Liu, Jingmei Shen, Yuyuan Lin, Fand Dai, and Hongqi Ye, Adv. Funct. Mater. , 2015, 25, 455-463.
"Micro- and Mesoporous Carbide-Derived Carbon-Selenium Cathodes for High-Performance Lithium Selenium Batteries", Jung Tai Lee, Hyea Kim, Marin Oschatz, Dong-Chan Lee, Feixiang Wu, Huan-Ting Lin, Bogdan Zdyrko, Wan Il Chao, Stefan Kaskel, and Gleb Yushin, Adv. Energy Mater. 2014, 1400981. "Micro- and Mesoporous Carbide-Derived Carbon-Selenium Cathodes for High-Performance Lithium Selenium Batteries", Jung Tai Lee, Hyea Kim, Marin Oschatz, Dong-Chan Lee, Feixiang Wu, Huan-Ting Lin, Bogdan Zdyrko, Wan Il Chao , Stefan Kaskel, and Gleb Yushin, Adv. Energy Mater. 2014, 1400981.
"High-Performance Lithium Selenium Battery with Se/Microporous Carbon Composite Cathode and Carbonate-Based Electrolyte", Chao Wu, Lixia Yuan, Zhen Li, Ziqi Yi, Rui Zeng, Yanrong Li, and Yunhui Huang, Sci. China Mater. 2015, 58, 91-97. "High-Performance Lithium Selenium Battery with Se/Microporous Carbon Composite Cathode and Carbonate-Based Electrolyte", Chao Wu, Lixia Yuan, Zhen Li, Ziqi Yi, Rui Zeng, Yanrong Li, and Yunhui Huang, Sci. China Mater. 2015, 58, 91-97.
"Advanced Se-C Nanocomposites: a Bifunctional Electrode Material for both Li-Se and Li-ion Batteries", Huan Ye, Ya-Xia Yin, Shuai-Feng Zhang, and Yu-Guo Guo, J. Mater. Chem. A., May 23, 2014. "Advanced Se-C Nanocomposites: a Bifunctional Electrode Material for both Li-Se and Li-ion Batteries", Huan Ye, Ya-Xia Yin, Shuai-Feng Zhang, and Yu-Guo Guo, J. Mater. Chem. A. , May 23, 2014.
"Lithium Iodide as a Promising Electrolyte Additive for Lithium-Sulfur Batteries: Mechanisms of Performance Enhancement", Feixiang Wu, Jung Tae Lee, Naoki Nitta, Hyea Kim, Oleg Borodin, and Gleb Yushin, Adv. Mater. 2015, 27, 101-108."Lithium Iodide as a Promising Electrolyte Additive for Lithium-Sulfur Batteries: Mechanisms of Performance Enhancement", Feixiang Wu, Jung Tae Lee, Naoki Nitta, Hyea Kim, Oleg Borodin, and Gleb Yushin, Adv. Mater. 2015, 27, 101-108.
"A Se/C Composite as Cathode Material for Rechargeable Lithium Batteries with Good Electrochemical Performance", Lili Li, Yuyang Hou, Yaqiong Yang, Minxia Li, Xiaowei Wang, and Yuping Wu, RSC Adv., 2014, 4, 9086-9091. “A Se/C Composite as Cathode Material for Rechargeable Lithium Batteries with Good Electrochemical Performance”, Lili Li, Yuyang Hou, Yaqiong Yang, Minxia Li, Xiaowei Wang, and Yuping Wu, RSC Adv. , 2014, 4, 9086-9091.
"Elemental Selenium for Electrochemical Energy Storage", Chun-Peng Yang, Ya-Xia Yin, and Yu-Guo Guo, J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 256-266. "Elemental Selenium for Electrochemical Energy Storage", Chun-Peng Yang, Ya-Xia Yin, and Yu-Guo Guo, J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 256-266.
"Selenium@mesomesoporous Carbon Composite with Superior Lithium and Sodium Storage Capacity", Chao Luo, Yunhua Xu, Yujie Zhu, Yihang Liu, Shiyou Zheng, Ying Liu, Alex Langrock, and Chunsheng Wang, ACSNANO, Vol. 7, No. 9, 8003-8010. "Selenium@mesomesoporous Carbon Composite with Superior Lithium and Sodium Storage Capacity", Chao Luo, Yunhua Xu, Yujie Zhu, Yihang Liu, Shiyou Zheng, Ying Liu, Alex Langrock, and Chunsheng Wang, ACSNANO , Vol. 7, No. 9, 8003-8010.
본원에는 또한, 셀레늄 및 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄이 개시되어 있다. 고정화된 셀레늄은 원소 형태의 셀레늄 또는 화합물 형태의 셀레늄을 포함할 수 있다. 셀레늄은 황과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 다른 원소로 도핑될 수 있다. 고정화된 셀레늄은 전지의 캐소드와 애노드 사이에서 셔틀링되지 않으면서 전기화학적으로 적절하게 기능하는 원소 셀레늄 원자의 편재화(localization)를 가능하도록 한다. 셀레늄의 고정화는 방전 과정 동안 원소 셀레늄 원자가 2개의 전자를 얻고 셀레늄 분자/원자가 고정된 위치에서 셀레나이드 음이온을 형성할 수 있도록 한다. 이어서, 셀레나이드 음이온은 충전 과정 동안 2개의 전자를 넘겨주어 원소 셀레늄 원자를 형성할 수 있다. 따라서, 고정화된 셀레늄은 화학량론적 수준에 이를 수 있는 비용량을 갖는 재충전식 전지를 위한 전기화학적 활성제로서 작용할 수 있으며, 95% 이상, 98% 이상 또는 최대 100%일 수 있는 쿨롱 효율을 가질 수 있으며, 실질적으로-개선된 지속 가능한 사이클링 능력을 달성할 수 있다.Also disclosed herein is immobilized selenium comprising selenium and carbon. Immobilized selenium may include selenium in elemental form or selenium in compound form. Selenium may be doped with other elements such as, but not limited to, sulfur. Immobilized selenium allows for the localization of electrochemically properly functioning elemental selenium atoms without shuttling between the cathode and anode of the cell. Immobilization of selenium allows elemental selenium atoms to gain two electrons during the discharge process and form selenide anions at the fixed positions of the selenium molecules/atoms. The selenide anion can then donate two electrons during the charging process to form elemental selenium atoms. Thus, immobilized selenium can act as an electrochemically active agent for rechargeable cells with specific capacities that can reach stoichiometric levels, and can have coulombic efficiencies that can be greater than 95%, greater than 98%, or up to 100%, , can achieve substantially-improved sustainable cycling capability.
고정화된 셀레늄으로 제조된 전지에서, 충전 동안 원소 셀레늄 원자 및 셀레나이드 음이온의 전기화학적 거동은 바람직하게는 적절하게 기능하는 과정이다. Sp2 탄소-탄소 결합을 갖는 탄소 골격은 D-밴드 탄소에 의해 결합된 G-밴드 그래핀-유사 로컬 네트워크에 걸쳐 공액 6원-환 방향족 π-결합에 걸쳐 분포된 비편재화된 전자를 갖는다. 전위의 존재하에, 그러한 비편재화된 전자는 탄소 골격에 걸쳐 전기 저항이 거의 또는 전혀 없이 유동할 수 있다. 셀레늄 고정화는 또한 탄소 골격의 Sp2 탄소-탄소 결합을 압축시켜 탄소-탄소 결합이 강해져, 가능하게는 탄소 골격 네트워크 내에서 향상된 전자 전도성을 초래할 수 있다. 동시에, 셀레늄 고정화는 또한 셀레늄 입자의 압축을 초래하여, 더 강한 셀레늄-셀레늄 화학 및 물리적 상호작용을 야기하여, 가능하게는 고정화된 셀레늄 입자들 사이에서 개선된 전기 전도도를 초래할 수 있다. 셀레늄 고정화로 인해 탄소-탄소 결합 및 Se-Se 결합 둘 다가 증진되는 경우, 탄소-셀레늄 상호작용은 또한 탄소 골격이 결합할 수 있는 안정화된 셀레늄 부분의 존재 외에도 압축에 의해 증진된다. 셀레늄의 이 부분은 탄소 골격이 안정화된 셀레늄 부분을 성공적으로 고정화시키기 위한 계면 층 (interface layer)으로서 작용할 수 있다. 따라서, 전자가 탄소 골격과 고정화된 셀레늄 사이에 최소의 전기 저항으로 유동할 수 있으며, 이에 따라 전기화학적 충전/방전 과정은 재충전식 전지에서 효율적으로 기능할 수 있다. 결국 이것은 재충전식 전지가 화학량론에 가까운 비용량을 유지하고 전지의 전기화학적 성능에 대한 낮은 수준의 손상을 가지면서 거의 모든 실제 레이트에서 사이클링 능력을 갖도록 한다.In cells made of immobilized selenium, the electrochemical behavior of elemental selenium atoms and selenide anions during charging is preferably a properly functioning process. Carbon backbones with Sp 2 carbon-carbon bonds have delocalized electrons distributed over conjugated 6-membered-ring aromatic π-bonds over G-band graphene-like local networks bound by D-band carbons. In the presence of a potential, such delocalized electrons can flow with little or no electrical resistance across the carbon backbone. Selenium immobilization can also compress the Sp 2 carbon-carbon bonds of the carbon skeleton, resulting in stronger carbon-carbon bonds, possibly leading to improved electronic conductivity within the carbon skeleton network. At the same time, selenium immobilization can also result in compression of the selenium particles, resulting in stronger selenium-selenium chemical and physical interactions, possibly leading to improved electrical conductivity between the immobilized selenium particles. When selenium immobilization promotes both carbon-carbon bonds and Se-Se bonds, the carbon-selenium interactions are also enhanced by compression in addition to the presence of stabilized selenium moieties to which the carbon skeleton can bind. This moiety of selenium can act as an interface layer to successfully immobilize the carbon skeleton-stabilized selenium moiety. Thus, electrons can flow between the carbon skeleton and immobilized selenium with minimal electrical resistance, and thus the electrochemical charge/discharge process can function efficiently in rechargeable batteries. In turn, this allows the rechargeable battery to have a cycling capacity at virtually any practical rate while maintaining a near stoichiometric specific capacity and with a low level of damage to the electrochemical performance of the cell.
탄소 골격은 다공성일 수 있고 또 다른 조성물로 도핑될 수 있다. 탄소 골격의 기공 크기 분포는 서브 옹스트롬과 수 미크론 사이에 이르거나 기공 크기 분포 기기가 프로빙 분자로서 질소, 아르곤, CO2 또는 다른 흡수제를 사용함으로써 특징 분석할 수 있는 기공 크기에 이를 수 있다. 탄소 골격의 다공도는 다음 중 적어도 하나의 범위에서 피크에 이르는 기공 크기 분포를 포함할 수 있다: 서브-옹스트롬과 1000 옹스트롬 사이, 또는 1 옹스트롬과 100 옹스트롬 사이, 또는 1 옹스트롬과 50 옹스트롬 사이, 또는 1 옹스트롬과 30 옹스트롬 사이 및/또는 1 옹스트롬과 20 옹스트롬 사이. 탄소 골격의 다공도는 이전 언급에서 기술된 범위에서 하나 이상의 피크를 갖는 기공 크기 분포를 갖는 기공을 추가로 포함할 수 있다. 고정화된 셀레늄은 전자가 최소 전기 저항으로 빠르게 전달되고 수거될 수 있는 작은 기공 크기를 갖는 탄소 골격을 선호할 수 있으며, 이는 셀레늄이 재충전식 전지에서 전기화학적으로 보다 적절하게 기능할 수 있도록 한다. 작은 기공 크기는 또한 셀레늄의 제1 부분이 셀레늄 고정화의 제2 부분에 대한 제1 계면 층을 형성할 수 있는 더 큰 탄소 골격 표면적을 제공할 수 있다. 또한, 중간 크기의 기공의 특정 부분과 큰 크기의 기공의 특정 부분을 갖는 탄소 골격에서의 존재는 또한 벌크 용매 매질로부터 리튬 이온이 배위된 용매 분자를 잃어 고체상의 리튬 셀레나이드로 수송될 수 있는 작은 기공 영역으로의 용매 리튬 이온의 효과적인 전달에 유리할 수 있다.The carbon backbone may be porous and doped with another composition. The pore size distribution of the carbon backbone can range between sub-angstroms and a few microns or reach pore sizes where the pore size distribution instrument can be characterized by using nitrogen, argon, CO 2 or other absorbents as probing molecules. The porosity of the carbon backbone may include a pore size distribution that peaks in the range of at least one of the following: between sub-angstroms and 1000 angstroms, or between 1 angstroms and 100 angstroms, or between 1 angstroms and 50 angstroms, or 1 between Angstroms and 30 Angstroms and/or between 1 Angstroms and 20 Angstroms. The porosity of the carbon backbone may further comprise pores having a pore size distribution having one or more peaks in the ranges described in the preceding remarks. Immobilized selenium may favor a carbon skeleton with a small pore size in which electrons can be quickly transferred and collected with minimal electrical resistance, which allows selenium to function more appropriately electrochemically in rechargeable batteries. The small pore size may also provide a larger carbon skeleton surface area through which the first portion of selenium may form a first interfacial layer to the second portion of selenium immobilization. In addition, the presence in the carbon backbone with certain portions of medium-sized pores and certain portions of large-sized pores also results in the loss of lithium ions coordinated solvent molecules from the bulk solvent medium and small pores where they can be transported to the solid phase lithium selenide. It can be advantageous for effective delivery of solvent lithium ions to the region.
탄소 골격의 기공 부피는 최소 0.01 mL/g일 수 있고 최대 5 mL/g일 수 있거나, 0.01 mL/g과 3 mL/g 사이일 수 있거나, 0.03 mL/g과 2.5 mL/g일 수 있거나, 0.05 mL/g과 2.0 mL/g 사이일 수 있다. 100 옹스트롬 미만, 또는 50 옹스트롬 미만, 또는 30 옹스트롬 미만, 또는 20 옹스트롬 미만의 기공 크기를 갖는 기공 부피는 질소, CO2, 아르곤 및 기타 프로빙 가스 분자와 함께 BET 기기를 사용하여 측정될 수 있는 총 측정 가능한 기공 부피의 30% 초과, 또는 40% 초과, 또는 50% 초과, 또는 60% 초과, 또는 70% 초과, 또는 80% 초과일 수 있다. 탄소의 BET 결정된 표면적은 400 m2/g 초과, 또는 500 m2/g 초과, 또는 600 m2/g 초과, 또는 700 m2/g 초과, 또는 800 m2/g 초과, 또는 900 m2/g 초과, 또는 1000 m2/g 초과일 수 있다. The pore volume of the carbon backbone may be a minimum of 0.01 mL/g and a maximum of 5 mL/g, may be between 0.01 mL/g and 3 mL/g, or may be between 0.03 mL/g and 2.5 mL/g, or It may be between 0.05 mL/g and 2.0 mL/g. A pore volume having a pore size of less than 100 angstroms, or less than 50 angstroms, or less than 30 angstroms, or less than 20 angstroms is the total measurement that can be measured using a BET instrument with nitrogen, CO 2 , argon and other probing gas molecules. more than 30%, or more than 40%, or more than 50%, or more than 60%, or more than 70%, or more than 80% of the possible pore volume. The BET determined surface area of the carbon is greater than 400 m 2 /g, or greater than 500 m 2 /g, or greater than 600 m 2 /g, or greater than 700 m 2 /g, or greater than 800 m 2 /g, or greater than 900 m 2 /g more than g, or more than 1000 m 2 /g.
탄소는 또한 실질적으로 비정질일 수 있거나, 약 5 옹스트롬의 d-간격을 중심으로 매우 넓은 피크의 특성을 가질 수 있다. Carbon may also be substantially amorphous, or may be characterized by a very broad peak centered on a d-spacing of about 5 angstroms.
탄소는 D-밴드 및 G-밴드를 특징으로 하는 라만 피크 시프트를 갖는 Sp2 탄소-탄소 결합을 포함할 수 있다. 일례에서, 탄소의 Sp2 탄소-탄소 결합은 라만 스펙트럼에서 D-밴드는 FWHM 296 ± 50 cm-1에서 1364 ± 100 cm-1을 중심으로 하고 G-밴드는 FWHM 약 96 ± 50 cm-1에서 1589 ± 100 cm-1을 중심으로 함을 특징으로 한다. G-밴드에 대한 D-밴드의 면적의 비는 0.01 내지 100, 또는 0.1 내지 50, 또는 0.2 내지 20의 범위일 수 있다. The carbon may comprise an Sp 2 carbon-carbon bond with a Raman peak shift characterized by a D-band and a G-band. In one example, the Sp 2 carbon-carbon bond of carbon is centered in the Raman spectrum with the D-band centered at 1364 ± 100 cm -1 at FWHM 296 ± 50 cm -1 and the G-band at FWHM about 96 ± 50 cm -1 . It is characterized by being centered at 1589 ± 100 cm -1 . The ratio of the area of the D-band to the G-band may range from 0.01 to 100, alternatively from 0.1 to 50, alternatively from 0.2 to 20.
탄소는 임의의 모폴로지, 즉, 예를 들어, 판상형, 구, 섬유, 바늘, 관형, 불규칙, 상호연결된, 응집된, 이산 또는 임의의 고체 입자일 수 있다. 판상형, 섬유, 바늘, 관형 또는 특정 수준의 종횡 비를 갖는 일부 모폴로지가 더 나은 입자간 접촉을 달성하여 전기 전도도를 향상시켜 가능하게는 재충전식 전지 성능을 증진시키는 데 유리할 수 있다.Carbon can be of any morphology, eg, platelet, sphere, fiber, needle, tubular, irregular, interconnected, agglomerated, discrete or any solid particle. Platelets, fibers, needles, tubulars, or some morphologies with a certain level of aspect ratio may be beneficial in achieving better interparticle contact to improve electrical conductivity, possibly enhancing rechargeable cell performance.
탄소는 나노미터 내지 수 밀리미터, 또는 수 나노미터 내지 1000 미크론 미만, 또는 20 nm 내지 100 미크론의 중간 입자 크기 (median particle size)를 갖는 임의의 입자 크기일 수 있다.The carbon can be of any particle size with a median particle size from nanometers to several millimeters, or from several nanometers to less than 1000 microns, or from 20 nm to 100 microns.
탄소 골격의 성질은 셀레늄 고정화에 영향을 미칠 수 있고, 탄소 골격 표면과 셀레늄 입자 사이의 상호작용은 재충전식 전지의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 탄소 골격에서 Sp2 탄소의 위치는 Se 고정화를 달성하는데 도움을 줄 수 있다. 작은 탄소 골격 기공으로부터의 Sp2 탄소가 바람직할 수 있으며, 이것은 본원 실시예 9에서 논의된 바와 같이 NLDFT 표면적 방법에 의해 정량화될 수 있다. 20 옹스트롬 미만의 탄소 골격 기공으로부터의 표면적은 500 m2/g 이상, 600 m2/g 이상, 700 m2/g 이상, 800 m2/g 이상, 900 m2/g 이상, 또는 1,000 m2/g 이상일 수 있다. 20 옹스트롬과 1000 옹스트롬 사이의 탄소 골격 기공으로부터의 표면은 탄소 골격의 총 표면적의 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하, 5% 이하, 3% 이하, 2% 이하, 또는 1% 이하일 수 있다.The nature of the carbon skeleton can affect selenium immobilization, and the interaction between the carbon skeleton surface and selenium particles can affect the performance of rechargeable batteries. The position of the Sp 2 carbon in the carbon skeleton can help achieve Se immobilization. Sp 2 carbons from small carbon skeleton pores may be preferred, which can be quantified by the NLDFT surface area method as discussed in Example 9 herein. The surface area from the carbon skeleton pores of less than 20 angstroms is at least 500 m 2 /g, at least 600 m 2 /g, at least 700 m 2 /g, at least 800 m 2 /g, at least 900 m 2 /g, or at least 1,000 m 2 It can be greater than /g. The surface from the carbon backbone pores between 20 angstroms and 1000 angstroms can be no more than 20%, no more than 15%, no more than 10%, no more than 5%, no more than 3%, no more than 2%, or no more than 1% of the total surface area of the carbon backbone. .
고정화된 셀레늄은 셀레늄 기화의 하기 정의를 참조하여, 원소 셀레늄보다 높은 온도에서 기화하는 셀레늄을 포함할 수 있다: Se-Super P 복합체에서 원소 셀레늄은 480℃의 온도에서 그 중량의 50%를 손실하고; Se/흑연 복합체에서 원소 셀레늄은 471℃의 온도에서 함유된 셀레늄의 50%까지 그 중량을 손실한다. 고정화된 셀레늄은 480℃ 초과의 온도, 예를 들어, 490℃ 이상, 500℃ 이상, 510℃ 이상, 520℃ 이상, 530℃ 이상, 540℃ 이상, 550℃ 이상, 560℃ 이상, 570℃ 이상, 또는 580℃ 이상의 온도에서 그 중량의 50%를 손실한다. 고정화된 셀레늄 중의 셀레늄은 고정화된 셀레늄 시스템에서 결합 및/또는 분자간 힘을 극복하고 기상으로 빠져 나가기 위해 9.5 kJ/몰 이상, 9.7 kJ/몰 이상, 9.9 kJ/몰 이상, 10.1 kJ/몰 이상, 10.3 kJ/몰 이상, 또는 10.5 kJ/몰 이상의 운동 에너지를 필요로 할 수 있다. 일례에서, 기화하는 고정화된 셀레늄의 마지막 부분은 탄소 골격을 빠져 나가기 위해 11,635 J/몰 이상 (660℃ 이상)의 운동 에너지를 필요로 할 수 있으며, 셀레늄 고정화에 중요할 수 있으며, 탄소 골격과 대부분의 고정화된 셀레늄 분자 사이의 계면 물질로서 작용할 수 있다. 따라서, 11,635 J/몰 이상의 운동 에너지를 필요로 하는 셀레늄의 이 부분을 계면 셀레늄이라 한다. 고정화된 셀레늄에서 계면 셀레늄의 양은 총 고정화된 셀레늄의 1.5% 이상, 2.0% 이상, 2.5% 이상, 또는 3.0%일 수 있다.Immobilized selenium may comprise selenium that vaporizes at a higher temperature than elemental selenium, with reference to the following definition of selenium vaporization: elemental selenium in the Se-Super P composite loses 50% of its weight at a temperature of 480°C and ; Elemental selenium in the Se/graphite composite loses its weight by up to 50% of the selenium contained at a temperature of 471°C. The immobilized selenium is at a temperature greater than 480°C, e.g., 490°C or greater, 500°C or greater, 510°C or greater, 520°C or greater, 530°C or greater, 540°C or greater, 550°C or greater, 560°C or greater, 570°C or greater, or loses 50% of its weight at temperatures above 580°C. Selenium in immobilized selenium is 9.5 kJ/mole or higher, 9.7 kJ/mole or higher, 9.9 kJ/mole or higher, 10.1 kJ/mole or higher, 10.3 or higher to overcome bonding and/or intermolecular forces in the immobilized selenium system and escape into the gas phase. It may require a kinetic energy of at least kJ/mole, or at least 10.5 kJ/mole. In one example, the last portion of immobilized selenium to vaporize may require a kinetic energy of 11,635 J/mol or greater (660° C. or greater) to exit the carbon skeleton, and may be important for selenium immobilization, and may be associated with the carbon skeleton and most It can act as an interfacial material between the immobilized selenium molecules of Therefore, this portion of selenium that requires more than 11,635 J/mole of kinetic energy is called interfacial selenium. The amount of interfacial selenium in the immobilized selenium may be at least 1.5%, at least 2.0%, at least 2.5%, or 3.0% of the total immobilized selenium.
고정화된 셀레늄은 셀레늄이 고정화된 Se-C 복합 시스템으로부터 빠져 나가기 위해 종래의 (비고정화된) 셀레늄이 극복하기 위한 활성화 에너지보다 더 높은 활성화 에너지를 갖는 셀레늄을 포함할 수 있다. 비고정화된 셀레늄 (Se-Super P 복합 시스템)에 대한 활성화 에너지는 ASTM 방법 E1641-16에 따라 약 92 kJ/몰인 것으로 결정되었다. 셀레늄 및 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄 중의 셀레늄에 대한 활성화 에너지는 95 kJ/몰 이상, 98 kJ/몰 이상, 101 kJ/몰 이상, 104 kJ/몰 이상, 107 kJ/몰 이상, 또는 110 kJ/몰 이상이다. 셀레늄 및 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄 중의 셀레늄에 대한 활성화 에너지는 Se-Super P 복합체 중의 셀레늄에 대한 활성화 에너지보다 3% 이상, 6% 이상, 9% 이상, 12% 이상, 15% 이상 또는 18% 이상 더 크다. 고정화된 셀레늄은 비고정화된 셀레늄보다 더 안정할 수 있는데, 이것이 고정화된 셀레늄을 포함하는 전지가 전기화학적으로 더 잘 순환할 수 있는 이유인데, 이는 아마도 캐소드와 애노드 사이의 셀레늄 셔틀링의 최소화 (또는 제거)로 인해 셀레늄이 Se-C 복합체에 고정되어 있기 때문이다.The immobilized selenium may comprise selenium with an activation energy higher than that for conventional (unimmobilized) selenium to overcome for selenium to escape from the immobilized Se—C composite system. The activation energy for unimmobilized selenium (Se-Super P composite system) was determined to be about 92 kJ/mole according to ASTM method E1641-16. The activation energy for selenium in immobilized selenium comprising selenium and carbon is at least 95 kJ/mole, at least 98 kJ/mole, at least 101 kJ/mole, at least 104 kJ/mole, at least 107 kJ/mole, or at least 110 kJ/mole. more than a mole The activation energy for selenium in immobilized selenium containing selenium and carbon is 3% or more, 6% or more, 9% or more, 12% or more, 15% or more, or 18% more than the activation energy for selenium in the Se-Super P composite. bigger than that Immobilized selenium may be more stable than unimmobilized selenium, which is why cells comprising immobilized selenium may cycle better electrochemically, possibly with minimal selenium shuttling between the cathode and anode (or removal) because selenium is immobilized in the Se-C complex.
고정화된 셀레늄은 라만-비활성 또는 라만-활성일 수 있는 셀레늄을 포함할 수 있으며, 전형적으로 255 ± 25 cm-1, 또는 255 ± 15 cm-1, 또는 255 ± 10 cm-1에서 라만 피크를 갖는다. 라만 상대적 피크 강도는 탄소 라만 스펙트럼의 D-밴드 피크 면적에 대한 255 cm-1에서의 라만 피크 면적으로 정의된다. 고정화된 탄소는 0.1% 이상, 0.5% 이상, 1% 이상, 3% 이상, 5% 이상의 라만 상대적 피크 강도를 갖는 셀레늄을 포함할 수 있다. 고정화된 셀레늄은 5% 이상의 셀레늄, 10% 이상의 셀레늄, 20% 이상의 셀레늄, 30% 이상의 셀레늄, 40% 이상의 셀레늄, 50% 이상의 셀레늄, 60% 이상의 셀레늄, 또는 70% 이상의 셀레늄을 함유할 수 있다. Immobilized selenium may comprise selenium, which may be Raman-inactive or Raman-active, and typically has a Raman peak at 255 ± 25 cm -1 , or 255 ± 15 cm -1 , or 255 ± 10 cm -1 . . The Raman relative peak intensity is defined as the Raman peak area at 255 cm -1 to the D-band peak area of the carbon Raman spectrum. The immobilized carbon may comprise selenium having a Raman relative peak intensity of at least 0.1%, at least 0.5%, at least 1%, at least 3%, at least 5%. The immobilized selenium may contain at least 5% selenium, at least 10% selenium, at least 20% selenium, at least 30% selenium, at least 40% selenium, at least 50% selenium, at least 60% selenium, or at least 70% selenium.
고정화된 셀레늄은 순수한 셀레늄의 라만 피크로부터 적색 시프트를 갖는 셀레늄을 포함할 수 있다. 적색 시프트는 고정화된 셀레늄에 대한 라만 피크 위치와 순수한 셀레늄에 대한 라만 피크 위치 사이의 양의 차이 (positive difference)에 의해 정의된다. 순수한 셀레늄은 전형적으로 약 235 cm-1에서 라만 피크를 갖는다. 고정화된 셀레늄은 4 cm-1 이상, 6 cm-1 이상, 8 cm-1 이상, 10 cm-1 이상, 12 cm-1 이상, 14 cm-1 이상 또는 16 cm-1 이상의 라만 피크의 적색 시프트를 갖는 셀레늄을 포함할 수 있다. 라만 피크에서의 적색 시프트는 셀레늄 입자에 압축이 있음을 시사한다.The immobilized selenium may contain selenium with a red shift from the Raman peak of pure selenium. The red shift is defined by the positive difference between the Raman peak position for immobilized selenium and the Raman peak position for pure selenium. Pure selenium typically has a Raman peak at about 235 cm −1 . Immobilized selenium has a red shift of the Raman peak of 4 cm -1 or more, 6 cm -1 or more, 8 cm -1 or more, 10 cm -1 or more, 12 cm -1 or more, 14 cm -1 or more, or 16 cm -1 or more. It may include selenium having The red shift in the Raman peak suggests that there is compression in the selenium particles.
고정화된 셀레늄은 압축하에 있을 수 있는 탄소를 포함할 수 있다. 압축하에, 전자는 최소 저항으로 유동할 수 있으며, 이는 재충전식 전지에 대한 방전-충전 과정 동안 전기화학적 공정을 위해 셀레늄 음이온으로부터 전자가 셀레늄으로 빠르게 전달되도록 촉진시킨다. 고정화된 셀레늄을 포함하는 탄소 골격의 Sp2 탄소-탄소 결합에 대한 라만 스펙트럼에서의 D-밴드 및/또는 G-밴드는 1 cm-1 이상, 2 cm-1 이상, 3 cm-1 이상, 4 cm-1 이상 또는 5 cm-1 이상의 적색 시프트를 나타낼 수 있다.Immobilized selenium may contain carbon that may be under compression. Under compression, electrons can flow with minimal resistance, which facilitates rapid transfer of electrons from selenium anions to selenium for electrochemical processing during the discharge-charge process for rechargeable cells. The D-band and/or G-band in the Raman spectrum for the Sp 2 carbon-carbon bond of the carbon skeleton comprising immobilized selenium is 1 cm -1 or more, 2 cm -1 or more, 3 cm -1 or more, 4 cm -1 or more or 5 cm -1 or more may exhibit a red shift.
고정화된 셀레늄은 비고정화된 셀레늄보다 충돌 빈도가 더 높을 수 있는 셀레늄을 포함한다. 그러한 높은 충돌 빈도는 압축하에 있는 고정화된 Se-C 시스템 중의 셀레늄으로부터 초래될 수 있다. 비고정화된 셀레늄 중의 셀레늄의 충돌 빈도는 ATSM 방법 E1641-16에 따르면 약 2.27×105인 것으로 결정되었다. 셀레늄 및 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄 중의 셀레늄의 충돌 빈도는 2.5×105 이상, 3.0×105 이상, 3.5×105 이상, 4.0×105 이상, 4.5×105 이상, 5.0×105 이상, 5.5×105 이상, 6.0×105 이상, 또는 8.0×105 이상이다. 고정화된 셀레늄은 Se-C 복합체에서 비고정화된 셀레늄에 대한 충돌 빈도보다 충돌 빈도가 10% 이상, 30% 이상, 50% 이상, 80% 이상, 100% 이상, 130% 이상, 150% 이상, 180% 이상, 또는 200% 이상 더 높을 수 있다. 이것은 셀레늄 종들 사이에 더 많은 충돌 때문에 고정화된 셀레늄 시스템에서 더 나은 전자 전도성을 초래할 수 있다. Se-C 복합체 중의 고정화된 셀레늄은 또한 탄소 호스트 (예를 들어, 탄소 골격)의 벽에 대해 충돌 빈도가 더 높을 것이며, 이는 전기화학적 사이클링 동안 탄소 골격으로부터 전자를 더 잘 전달하거나 수확할 수 있으며, 이는 또한 훨씬 더 높은 C- 레이트에서 더 많은 사이클 및/또는 사이클링을 달성하는 것과 같은 개선된 사이클링 성능을 갖는 (고정화된 셀레늄을 포함하는) 전지를 초래할 수 있어, 매우 바람직하다.Immobilized selenium includes selenium, which may have a higher collision frequency than unimmobilized selenium. Such a high collision frequency may result from selenium in the immobilized Se-C system under compression. The collision frequency of selenium in unimmobilized selenium was determined to be about 2.27×10 5 according to ATSM method E1641-16. The collision frequencies of selenium in immobilized selenium containing selenium and carbon are 2.5×10 5 or more, 3.0×10 5 or more, 3.5×10 5 or more, 4.0×10 5 or more, 4.5×10 5 or more, 5.0×10 5 or more. , 5.5×10 5 or more, 6.0×10 5 or more, or 8.0×10 5 or more. Immobilized selenium has a collision frequency of 10% or more, 30% or more, 50% or more, 80% or more, 100% or more, 130% or more, 150% or more, 180 % or more, or 200% or more. This could lead to better electron conductivity in the immobilized selenium system because of more collisions between selenium species. The immobilized selenium in the Se-C complex will also have a higher collision frequency against the wall of the carbon host (e.g., the carbon skeleton), which may better transfer or harvest electrons from the carbon skeleton during electrochemical cycling, This can also result in cells (comprising immobilized selenium) with improved cycling performance, such as achieving more cycles and/or cycling at much higher C-rates, which is highly desirable.
고정화된 셀레늄은 비고정화된/종래의 셀레늄에 대한 운동 속도 상수(kinetic rate constant)의 1/5 이하, 1/10 이하, 1/50 이하, 1/100 이하, 1/500 이하, 또는 1/1000 이하인 운동 속도 상수를 갖는, 이의 호스트 재료 (탄소)를 떠나는 경향이 적은 셀레늄을 포함한다. 본 발명의 예에서, 고정화된 셀레늄은 1×10-10 이하, 5×10-11 이하, 1×10-11 이하, 5×10-12 이하 또는 5×10-13 이하의 운동 속도 상수 (50℃에서)를 갖는, 이의 호스트 재료 (탄소)를 떠나는 경향이 적은 셀레늄을 포함한다.Immobilized selenium is 1/5 or less, 1/10 or less, 1/50 or less, 1/100 or less, 1/500 or less, or 1/ less of the kinetic rate constant for unimmobilized/conventional selenium. selenium, which is less prone to leaving its host material (carbon), with a kinetic rate constant of 1000 or less. In an example of the invention, immobilized selenium has a kinetic rate constant (50) of 1×10 -10 or less, 5×10 -11 or less, 1×10 -11 or less, 5× 10-12 or less, or 5×10 -13 or less. selenium with less tendency to leave its host material (carbon).
고정화된 셀레늄은 X-선 회절 측정에 의해 결정된 바와 같이 비정질일 수 있는 셀레늄을 포함할 수 있다. 약 5.2 옹스트롬의 d-간격을 갖는 회절 피크는 탄소 골격에 대한 것보다 비교적 작거나 약화되거나, 예를 들어, 10% 약화, 20% 약화, 30% 약화 또는 40% 약화된다.The immobilized selenium may comprise selenium, which may be amorphous as determined by X-ray diffraction measurements. A diffraction peak with a d-spacing of about 5.2 angstroms is relatively smaller or attenuated than for the carbon backbone, eg, 10% attenuated, 20% attenuated, 30% attenuated, or 40% attenuated.
고정화된 셀레늄은 탄소와 셀레늄을 물리적으로 혼합한 다음, 셀레늄 분자를 용융 및 균질화 (또는 혼합 또는 블렌딩)하여 셀레늄 고정화를 달성함으로써 제조될 수 있다. 물리적 혼합은 볼-밀링 (건식 및 습식), 모르타르 및 막자를 사용한 혼합 (건식 또는 습식), 제트-밀링, 수평 밀링, 마찰 밀링, 슬러리 내 고전단 혼합, 블레이드를 사용한 규칙적 슬러리 혼합 등에 의해 달성될 수 있다. 셀레늄과 탄소의 물리적으로 혼합된 혼합물은 셀레늄의 융점 이상이면서 탄소의 융점 미만의 온도로 가열될 수 있다. 가열은 아르곤, 헬륨, 질소 등과 같지만 이에 제한되지 않는 불활성 가스 환경에서 수행될 수 있다. 가열 환경은 공기 또는 반응성 환경을 포함할 수 있다. 셀레늄의 고정화는 용해된 셀레늄을 탄소에 함침시킨 후, 용매를 증발시킴으로써 달성될 수 있다. 셀레늄을 용해시키기 위한 용매는 알코올, 에테르, 에스테르, 케톤, 탄화수소, 할로겐화 탄화수소, 질소-함유 화합물, 인 함유 화합물, 황-함유 화합물, 물 등을 포함할 수 있다.Immobilized selenium can be prepared by physically mixing carbon and selenium, then melting and homogenizing (or mixing or blending) the selenium molecules to achieve selenium immobilization. Physical mixing can be achieved by ball-milling (dry and wet), mixing with mortar and pestle (dry or wet), jet-milling, horizontal milling, friction milling, high shear mixing in the slurry, regular mixing of the slurry using a blade, etc. can A physically mixed mixture of selenium and carbon may be heated to a temperature above the melting point of selenium and below the melting point of carbon. Heating may be performed in an inert gas environment such as, but not limited to, argon, helium, nitrogen, and the like. The heated environment may include air or a reactive environment. Immobilization of selenium can be accomplished by impregnating dissolved selenium into carbon and then evaporating the solvent. Solvents for dissolving selenium may include alcohols, ethers, esters, ketones, hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, nitrogen-containing compounds, phosphorus-containing compounds, sulfur-containing compounds, water and the like.
고정화된 셀레늄은 탄소의 존재하에 다량의 셀레늄을 용융시킨 후 여분의 비고정화된 셀레늄을 제거함으로써 달성될 수 있다.Immobilized selenium can be achieved by melting a large amount of selenium in the presence of carbon and then removing excess unimmobilized selenium.
고정화된 셀레늄 시스템 또는 바디는 시스템 또는 바디 내 총 셀레늄 양의 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상 또는 90% 이상의 고정화된 셀레늄을 포함할 수 있다. 비고정화된 셀레늄은 고정화된 셀레늄보다 낮은 온도에서 기화할 수 있다.The immobilized selenium system or body may comprise at least 30%, at least 40%, at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, or at least 90% of the total amount of selenium in the system or body immobilized selenium. . Unimmobilized selenium can vaporize at a lower temperature than immobilized selenium.
고정화된 셀레늄 시스템 또는 바디는, 예를 들어, 황 및/또는 텔루륨과 같은 주기율표의 6족으로부터 하나 이상의 추가/다른 원소(들)로 도핑된 고정화된 셀레늄을 포함할 수 있다. 도펀트 수준은 최소 100 중량 ppm 내지 고정화된 셀레늄 시스템 또는 바디의 중량의 최대 85% 범위일 수 있다.The immobilized selenium system or body may comprise immobilized selenium doped with one or more additional/other element(s) from
고정화된 셀레늄을 제조하는 예시적인 공정이 도 6에 도시되어 있다. 상기 공정에서, 셀레늄과 탄소를 건식 또는 습식 조건하에 함께 혼합한다 (S1). 혼합물을 분말이 되도록 임의로 건조시킨 후 (S2), 건조된 분말을 임의로 펠릿화할 수 있다 (S3). 단계 (S1) 및 임의의 단계 (S2 및 S3)의 결과는 단계 (S4)를 위한 출발 물질인 탄소 골격을 생성한다. 단계 (S4)에서, 셀레늄을 탄소 골격 내로 용융시킨다. 탄소 골격 내로 용융된 셀레늄을 건조시켜 단계 (S5)의 고정화된 셀레늄을 생성한다. 고정화된 셀레늄의 제조 및 특징 분석은 실시예 10과 관련하여 본원에서 이후에 기술될 것이다.An exemplary process for making immobilized selenium is shown in FIG. 6 . In the above process, selenium and carbon are mixed together under dry or wet conditions (S1). After the mixture is optionally dried to a powder (S2), the dried powder can optionally be pelletized (S3). The result of step (S1) and optional steps (S2 and S3) produces a carbon skeleton which is the starting material for step (S4). In step S4, selenium is melted into the carbon skeleton. Drying the molten selenium into the carbon skeleton produces the immobilized selenium of step (S5). The preparation and characterization of immobilized selenium will be described later herein with respect to Example 10.
고정화된 셀레늄은 재충전식 전지용 캐소드 재료로 사용될 수 있다. 캐소드를 제조하기 위해, 고정화된 셀레늄은 물 또는 유기 용매와 같지만 이에 제한되지 않는 액체 매질에 분산시킬 수 있다. 고정화된 셀레늄을 포함하는 캐소드는 결합제, 임의로 또 다른 결합제, 임의로 전기 전도성 촉진제 및 전하 집전체를 포함할 수 있다. 결합제는 무기 또는 유기일 수 있다. 유기 결합제는, 예를 들어, CMC와 같은 천연 생성물 또는 예를 들어, SBR 고무 라텍스와 같은 합성 생성물일 수 있다. 전기 전도도 촉진제는 흑연-유래된 작은 입자, 그래핀, 탄소 나노-튜브, 탄소 나노-시트, 카본 블랙 등과 같은 탄소 유형일 수 있다. 전하 집전체는, 예를 들어, 알루미늄 포일, 구리 포일, 탄소 포일, 탄소 패브릭 또는 기타 금속성 포일일 수 있다. 캐소드는 고정화된 셀레늄-함유 슬러리 (또는 슬러리들)를 전하 집전체 상에 코팅한 후 전형적인 건조 공정 (공기 건조, 오븐-건조, 진공 오븐-건조 등)에 의해 제조될 수 있다. 고정화된 셀레늄 슬러리 또는 슬러리들은 고전단 혼합기, 일반 혼합기, 유성형 혼합기, 이중-유성형 혼합기, 볼 밀, 수직 마멸기 (vertical attritor), 수평 밀 등에 의해 제조될 수 있다. 고정화된 셀레늄을 포함하는 캐소드는 전지 조립체에서의 이의 사용 전에 가압 또는 롤러-밀링 (또는 캘린더링)시킬 수 있다.Immobilized selenium can be used as a cathode material for rechargeable batteries. To prepare the cathode, the immobilized selenium can be dispersed in a liquid medium such as, but not limited to, water or an organic solvent. The cathode comprising immobilized selenium may comprise a binder, optionally another binder, optionally an electrical conductivity promoter and a charge collector. The binder may be inorganic or organic. The organic binder may be, for example, a natural product, such as CMC, or a synthetic product, such as, for example, SBR rubber latex. The electrical conductivity promoter may be of a carbon type, such as graphite-derived small particles, graphene, carbon nano-tubes, carbon nano-sheets, carbon black, and the like. The charge current collector may be, for example, an aluminum foil, a copper foil, a carbon foil, a carbon fabric or other metallic foil. The cathode may be prepared by coating an immobilized selenium-containing slurry (or slurries) onto a charge current collector followed by a typical drying process (air drying, oven-drying, vacuum oven-drying, etc.). The immobilized selenium slurry or slurries may be prepared by high shear mixers, general mixers, planetary mixers, double-planetary mixers, ball mills, vertical attritors, horizontal mills, and the like. A cathode comprising immobilized selenium may be pressed or roller-milled (or calendered) prior to its use in a cell assembly.
고정화된 셀레늄을 포함하는 재충전식 전지는 고정화된 셀레늄을 포함하는 캐소드, 애노드, 세퍼레이터 및 전해질을 포함할 수 있다. 애노드는 리튬, 나트륨, 규소, 흑연, 마그네슘, 주석 및/또는 원소 주기율표 (주기율표)의 IA족, IIA족, IIIA족 등으로부터의 적합한 및/또는 바람직한 원소 또는 원소들의 조합을 포함할 수 있다. 세퍼레이터는 유기 세퍼레이터, 무기 세퍼레이터 또는 고체 전해질 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 유기 세퍼레이터는, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 할로겐화 중합체, 폴리에테르, 폴리케톤 등과 같은 중합체를 포함할 수 있다. 무기 세퍼레이터는 유리 또는 석영 섬유, 고체 전해질 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 전해질은 리튬 염, 나트륨 염 또는 기타 염, 주기율표의 1A 족의 염, 주기율표의 IIA족의 염 및 유기 용매를 포함할 수 있다. 유기 용매는 유기 카보네이트 화합물, 에테르, 알코올, 에스테르, 탄화수소, 할로겐화 탄화수소, 리튬 함유-용매 등을 포함할 수 있다.A rechargeable battery comprising immobilized selenium may comprise a cathode, an anode, a separator and an electrolyte comprising immobilized selenium. The anode may comprise lithium, sodium, silicon, graphite, magnesium, tin and/or a suitable and/or preferred element or combination of elements from Groups IA, IIA, IIIA, etc. of the Periodic Table of the Elements (Periodic Table). The separator may include an organic separator, an inorganic separator, or a solid electrolyte separator. The organic separator may include, for example, a polymer such as polyethylene, polypropylene, polyester, halogenated polymers, polyethers, polyketones, and the like. The inorganic separator may include a glass or quartz fiber, a solid electrolyte separator. The electrolyte may include a lithium salt, a sodium salt or other salt, a salt of Group 1A of the Periodic Table, a salt of Group IIA of the Periodic Table, and an organic solvent. Organic solvents may include organic carbonate compounds, ethers, alcohols, esters, hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, lithium-containing-solvents, and the like.
고정화된 셀레늄을 포함하는 재충전식 전지는 전자제품, 전기 또는 하이브리드 차량, 산업 적용분야, 군사 적용분야, 예컨대 드론, 항공우주 적용분야, 해양 적용분야 등에 사용될 수 있다.Rechargeable cells comprising immobilized selenium may be used in electronics, electric or hybrid vehicles, industrial applications, military applications such as drones, aerospace applications, marine applications, and the like.
고정화된 셀레늄을 포함하는 재충전식 전지는 400 mAh/g 이상, 450 mAh/g 이상, 500 mAh/g 이상, 550 mAh/g 이상, 또는 600 mAh/g 이상 활성량의 셀레늄의 비용량을 가질 수 있다. 고정화된 셀레늄을 포함하는 재충전식 전지는 50 사이클 이상, 75 사이클 이상, 100 사이클 이상, 200 사이클 이상 등을 위한 전기화학적 사이클링을 겪을 수 있다.A rechargeable battery comprising immobilized selenium may have a specific capacity of selenium of an active amount of at least 400 mAh/g, at least 450 mAh/g, at least 500 mAh/g, at least 550 mAh/g, or at least 600 mAh/g. have. Rechargeable cells comprising immobilized selenium may undergo electrochemical cycling for at least 50 cycles, at least 75 cycles, at least 100 cycles, at least 200 cycles, and the like.
고정화된 셀레늄을 포함하는 재충전식 전지는 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C에서 또는 더 빨리 충전될 수 있다. 30 이상의 사이클을 위한 매우 높은 C-레이트 충전-방전 사이클링 (예를 들어, 0.1C에서 5 사이클, 0.2C에서 5 사이클, 0.5C에서 5 사이클, 1C에서 5 사이클, 2C에서 5 사이클, 5C에서 5 사이클, 및 10C에서 5 사이클)을 수행한 후에, 고정화된 셀레늄을 포함하는 재충전식 전지는 0.1C의 사이클링 레이트에서 두번째 방전 비용량의 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과의 전지 비용량을 유지할 수 있다. Rechargeable cells comprising immobilized selenium can be charged at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster. Very high C-rate charge-discharge cycling for more than 30 cycles (e.g., 5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles at 1C, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C) cycle, and 5 cycles at 10 C), the rechargeable battery comprising immobilized selenium has a second discharge specific capacity greater than 30%, greater than 40%, greater than 50%, greater than 60%, at a cycling rate of 0.1C, A battery specific capacity of more than 70% and more than 80% can be maintained.
다음은 본 발명의 사상을 설명하기 위한 몇몇 실시예이다. 그러나, 이들 실시예는 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다.The following are some examples for explaining the spirit of the present invention. However, these examples should not be construed in a limiting sense.
실시예Example
특징 분석 방법Feature analysis method
주사 전자 현미경 (SEM) 이미지는 에너지 분산형 분석 X-선 (EDX) 검출기가 장착된 Tescan Vega 주사 전자 현미경에서 수집하였다.Scanning electron microscope (SEM) images were collected on a Tescan Vega scanning electron microscope equipped with an energy dispersive analysis X-ray (EDX) detector.
라만 스펙트럼은 Renishaw inVia 라만 현미경 (공초점)에 의해 수집하였다. 레이저 라만 분광법은 탄소 및 다이아몬드의 특징 분석을 위한 표준으로 널리 사용되며, 탄소 (예를 들어, 다이아몬드, 흑연, 버키볼 (buckyball) 등)의 각각 상이한 형태 (동소체)의 쉽게 구별할 수 있는 특징을 제공한다. 광 루미네선스 (PL) 기술과 결합하여, 이것은 위상 순도, 결정 크기 및 배향, 결함 수준 및 구조, 불순물 유형 및 농도, 및 응력 및 변형을 포함한 다이아몬드의 다양한 성질을 연구하는 비파괴적인 방식을 제공한다. 특히, 1332 cm-1에서의 1차 다이아몬드 라만 피크의 폭 (반치 전폭, FWHM)뿐만 아니라 다이아몬드 피크와 흑연 피크 사이의 라만 강도 비 (1350 cm-1에서의 D-밴드 및 1600 cm-1에서의 G-밴드)는 다이아몬드 및 다른 탄소 재료 품질의 직접적인 지표이다. 또한, 다이아몬드 또는 다른 탄소 그레인 및 필름에서 응력 및 변형 수준은 다이아몬드 라만 피크 시프트로부터 추정될 수 있다. 정수압 응력 (hydrostatic stress)하에 다이아몬드 라만 피크 시프트 속도는 약 3.2 cm-1/GPa이며, 인장 응력하에서는 더 낮은 파수로 그리고 압축 응력하에 더 높은 파수로 피크가 시프팅하는 것으로 보고되었다. 본원에 논의된 라만 스펙트럼은 514 nm 여기 레이저를 갖는 Renishaw inVia 라만 분광기를 사용하여 수집하였다. 다이아몬드 특징 분석을 위해 라만 분광법을 사용하는 것에 대한 더 많은 정보는 또한 하기 참조문헌에서 이용 가능하다: (1) A. M. Zaitsev, Optical Properties of Diamond, 2001, Springer and (2) S. Prawer, R. J. Nemanich, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2537-2565. Raman spectra were collected by a Renishaw inVia Raman microscope (confocal). Laser Raman spectroscopy is widely used as a standard for characterization of carbon and diamond, providing easily distinguishable features of each different form (allotrope) of carbon (e.g., diamond, graphite, buckyball, etc.) do. Combined with photoluminescence (PL) technology, it provides a non-destructive way to study various properties of diamond, including phase purity, crystal size and orientation, defect levels and structure, impurity types and concentrations, and stress and strain. . In particular, the width (full-width at half maximum, FWHM) of the primary diamond Raman peak at 1332 cm −1 as well as the Raman intensity ratio between the diamond and graphite peaks (D-band at 1350 cm −1 and 1600 cm −1 ) G-band) is a direct indicator of the quality of diamond and other carbon materials. In addition, stress and strain levels in diamond or other carbon grains and films can be estimated from diamond Raman peak shifts. It is reported that the diamond Raman peak shift rate under hydrostatic stress is about 3.2 cm −1 /GPa, and the peak shifts to a lower wavenumber under tensile stress and higher wavenumber under compressive stress. The Raman spectra discussed herein were collected using a Renishaw inVia Raman spectrometer with a 514 nm excitation laser. More information on the use of Raman spectroscopy for diamond characterization is also available in the following references: (1) AM Zaitsev, Optical Properties of Diamond , 2001, Springer and (2) S. Prawer, RJ Nemanich, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2537-2565.
탄소 샘플의 BET 표면적 및 기공 크기 분포에 대한 데이터는 샘플 탈기를 위한 Smart VacPrep이 장착된 3Flex (Mircomeritics)를 사용한 질소 흡수 및 CO2 흡수에 의해 측정되었다. 샘플은 전형적으로 CO2 및 N2 흡수 측정 전에 진공하에 250℃에서 2시간 동안 Smart Vac-Prep 중에서 탈기시킨다. 질소 흡수를 사용하여 BET 표면적을 결정한다. 질소 흡수 데이터 및 CO2 흡수 데이터를 조합하여 탄소 샘플의 기공 크기 분포를 계산하였다. 탄소 재료에 대한 기공 크기 분포를 결정하기 위해 N2 및 CO2 흡수 데이터 둘 다를 결합하는 것에 대한 자세한 내용은 하기 문헌을 참조한다: "Dual gas analysis of microporous carbon using 2D-NLDFT heterogeneous surface model and combined adsorption data of N2 and CO2", Jacek Jagiello, Conchi Ania, Jose B. Parra, and Cameron Cook, Carbon 91, 2015, page 330-337.Data on the BET surface area and pore size distribution of carbon samples were determined by nitrogen uptake and CO 2 uptake using a 3Flex (Mircomeritics) equipped with a Smart VacPrep for sample degassing. Samples are typically degassed in a Smart Vac-Prep for 2 hours at 250° C. under vacuum prior to CO 2 and N 2 uptake measurements. Nitrogen absorption is used to determine the BET surface area. The pore size distribution of the carbon sample was calculated by combining the nitrogen uptake data and the CO 2 uptake data. For details on combining both N 2 and CO 2 absorption data to determine the pore size distribution for carbon materials, see: "Dual gas analysis of microporous carbon using 2D-NLDFT heterogeneous surface model and combined adsorption data of N 2 and CO 2 ", Jacek Jagiello, Conchi Ania, Jose B. Parra, and Cameron Cook, Carbon 91 , 2015, page 330-337.
고정화된 셀레늄 샘플 및 대조군 샘플에 대한 열중량 분석 (TGA) 및 TGA-시차 주사 열량분석법 (DSC)에 대한 데이터는 네취 열 분석기 (Netzsch Thermal Analyzer)에 의해 측정되었다. TGA 분석은 16℃/분, 10℃/분, 5℃/분, 2℃/분, 1℃/분 및 다른 가열 속도에서 ~ 200 mL/분의 아르곤 유량하에 수행되었다. 일관성을 위해, TGA 분석하에 사용되는 전형적인 양의 고정화된 셀레늄 샘플은 약 20 mg이었다.Data for thermogravimetric analysis (TGA) and TGA-differential scanning calorimetry (DSC) for immobilized selenium samples and control samples were measured by a Netzsch Thermal Analyzer. TGA analysis was performed under an argon flow rate of ˜200 mL/min at 16° C./min, 10° C./min, 5° C./min, 2° C./min, 1° C./min and other heating rates. For consistency, a typical amount of immobilized selenium sample used under TGA analysis was about 20 mg.
고정화된 셀레늄 및 비고정화된 셀레늄의 활성화 에너지(activation energy) 및 충돌 빈도(collision frequency)는 ASTM 방법 E1641-16에 기재된 절차에 따라 TGA에 의해 결정되었다.The activation energy and collision frequency of immobilized and unimmobilized selenium were determined by TGA according to the procedure described in ASTM Method E1641-16.
상이한 탄소, Se-탄소 샘플 및 고정화된 셀레늄에 대한 X-선 회절 결과는 Philip 회절분석기에서 수집되었다.X-ray diffraction results for different carbon, Se-carbon samples and immobilized selenium were collected on a Philip diffractometer.
고정화된 셀레늄을 포함하는 재충전식 전지에 대한 전지 사이클링 성능은 Lanhe CT2001A 전지 사이클링 시험기에서 시험되었다. 고정화된 셀레늄을 포함하는 재충전식 전지의 충전 및 방전 전류는 고정화된 셀레늄에 함유된 셀레늄의 양 및 사이클링 레이트 (0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 3C, 4C, 5C, 10C 등)에 의해 결정되었다.Cell cycling performance for rechargeable cells comprising immobilized selenium was tested on a Lanhe CT2001A cell cycling tester. The charge and discharge current of a rechargeable battery containing immobilized selenium is determined by the amount of selenium contained in the immobilized selenium and the cycling rate (0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 3C, 4C, 5C, 10C, etc.) became
실시예 9: 탄소 골격의 합성 및 특징 분석Example 9: Synthesis and Characterization of the Carbon Backbone
1차 잔류물을 형성하기 위해, 시트르산칼륨의 충전물 260 g을 도가니 (crucible)에 넣고, 도가니를 관형 노 (furnace) 내부의 석영 관에 넣었다. 아르곤 가스의 스트림을 노 내로 유동시키고, 노를 실온 (~20 내지 22℃)에서 600℃까지 5℃/분으로 가열하였다. 노를 이 온도에서 60분 동안 유지한 후, 노를 폐쇄하고, 노 냉각 후 도가니로부터 충전물을 제거하여 174.10 그램의 가공된 잔류물을 회수하였다. 2차 및 3차 가공된 잔류물을 형성하기 위해, 1차 잔류물에 대해 기재된 것과 동일한 공정을 420 및 974 그램의 시트르산칼륨의 충전물에 대해 별도로 반복하였다. 생성된 2차 및 3차 가공된 잔류물은 각각 282.83 그램 및 651.93 그램으로 칭량되었다.To form the primary residue, a charge of 260 g of potassium citrate was placed in a crucible and the crucible was placed in a quartz tube inside a tubular furnace. A stream of argon gas was flowed into the furnace and the furnace was heated from room temperature (˜20-22° C.) to 600° C. at 5° C./min. After the furnace was held at this temperature for 60 minutes, the furnace was closed and the charge was removed from the crucible after furnace cooling to recover 174.10 grams of processed residue. The same process as described for the primary residue was repeated separately for charges of 420 and 974 grams of potassium citrate to form secondary and tertiary processed residues. The resulting secondary and tertiary processed residues weighed 282.83 grams and 651.93 grams, respectively.
이들 세 가지 가공된 잔류물로부터의 1108.9 그램을 도가니 내로 함께 합하여 이것을 관상 노 내부의 석영 관에 넣고, 아르곤 가스의 유동을 노 내로 흘려 보냈다. 노를 800℃까지 5℃/분으로 가열하였다. 노를 800℃에서 1시간 동안 유지하였다. 노를 냉각되도록 하여, 도가니를 석영 관으로부터 제거하고, 이후 1085.74 그램의 1차 최종 잔류물을 회수하였다. 1108.9 grams from these three processed residues were combined together into a crucible and placed in a quartz tube inside a tubular furnace, and a flow of argon gas was flowed into the furnace. The furnace was heated to 800° C. at 5° C./min. The furnace was held at 800° C. for 1 hour. The furnace was allowed to cool, the crucible was removed from the quartz tube, and 1085.74 grams of the primary final residue were then recovered.
본 실시예에 기재된 동일한 절차에 따라 (800℃), 노에 도입된 120 그램의 칼륨 잔류물의 충전물은 약 77 그램의 2차 최종 잔류물을 생성하였다 (800℃).Following the same procedure described in this example (800° C.), a charge of 120 grams of potassium residue introduced into the furnace produced about 77 grams of secondary final residue (800° C.).
1차 및 2차 최종 잔류물의 배합으로 약 1,163 그램의 3차 최종 잔류물을 생성하였다.The combination of the primary and secondary final residues produced approximately 1,163 grams of tertiary final residue.
이어서, 1,163 그램의 3차 최종 잔류물을 400 ml의 물과 혼합하여 슬러리를 형성하였고, 이것을 4개의 2-리터 비이커로 거의 동일하게 나누었다. 각 슬러리의 pH는 13 초과인 것으로 측정되었다. 다음으로, 진한 염산 용액을 이산화탄소의 폭발적인 발생과 함께 각 비이커에 첨가하였고, 이것은 약 5 미만의 pH에서 가라앉았다. 더 많은 염산 용액을 첨가하여 약 1.9의 pH를 얻었다. 이어서, 슬러리를 여과하고 세척하여 케이크를 수득하고, 케이크를 120℃의 오븐에서 약 12시간 동안 건조시킨 다음, 120℃에서 24시간 동안 진공 건조시켜 4개의 탄소 골격 샘플, 총 약 61.07 그램을 생성하였다.1,163 grams of the tertiary final residue were then mixed with 400 ml of water to form a slurry, which was divided approximately equally into four 2-liter beakers. The pH of each slurry was determined to be greater than 13. Next, a concentrated hydrochloric acid solution was added to each beaker with an explosion of carbon dioxide, which sank at a pH of less than about 5. More hydrochloric acid solution was added to get a pH of about 1.9. The slurry was then filtered and washed to give a cake, which was dried in an oven at 120° C. for about 12 hours and then vacuum dried at 120° C. for 24 hours to yield 4 carbon skeleton samples, a total of about 61.07 grams. .
이들 탄소 골격 샘플은 SEM, XRD, 라만, BET/기공-크기-분포로 특징 분석되었다. 하나의 탄소 골격에 대한 SEM 결과를 도 7에 나타낸다. 본 실시예에 기재된 공정으로 제조된 전형적인 탄소 골격 입자의 표면 모폴로지는 시트-유사 모폴로지를 가지며, 이들의 시트 에지가 500 nm와 100 nm 사이의 샘플 두께로 상호연결되고 샘플 폭 (또는 길이)이 0.5 ㎛와 2 ㎛ 사이이고 따라서 종횡비 (샘플 두께에 대한 샘플 폭 (또는 시트 길이)의 최장 치수의 비로서 정의됨)가 1 이상, 예를 들어, 종횡비가 5 이상, 또는 종횡 비가 10 이상이다.These carbon skeleton samples were characterized by SEM, XRD, Raman, BET/pore-size-distribution. The SEM result for one carbon skeleton is shown in FIG. 7 . The surface morphology of typical carbon skeleton particles prepared by the process described in this example has a sheet-like morphology, whose sheet edges are interconnected with a sample thickness of between 500 nm and 100 nm and a sample width (or length) of 0.5 It is between μm and 2 μm and thus the aspect ratio (defined as the ratio of the longest dimension of the sample width (or sheet length) to the sample thickness) is 1 or more, for example, an aspect ratio of 5 or more, or an aspect ratio of 10 or more.
도 8에 나타낸 하나의 탄소 골격의 X-선 회절 패턴은 탄소 골격이 위상에서 실질적으로 비정질임을 나타낸다. 그러나, 이것은 넓은 회절 피크가 약 17°의 2θ 근처에 중심이 있음을 보여주며, 이는 약 5.21 옹스트롬의 d-간격(d-spacing)을 나타낸다.The X-ray diffraction pattern of one carbon skeleton shown in FIG. 8 indicates that the carbon skeleton is substantially amorphous in phase. However, this shows that the broad diffraction peak is centered near 2θ of about 17°, indicating a d-spacing of about 5.21 angstroms.
하나의 탄소 골격에 대한 라만 산란 분광법 결과를 도 9에 나타내며, 이는 각각 296 및 96 cm-1의 FWHM을 갖는 약 1365 cm-1에서 D-밴드 (곡선 1) 및 약 1589 cm-1에서 G-밴드 (곡선 2)를 갖는 Sp2 탄소를 나타낸다. D-밴드와 G-밴드 둘 다 가우시안 (Gaussian) 분포와 로렌시안 (Lorentian) 분포의 혼합을 나타낸다. D-밴드는 약 33% 가우시안 분포를 가지며, G-밴드는 약 61% 가우시안 분포를 갖는다. G-밴드에 대한 면적에 대한 D-밴드에 대한 면적의 비는 약 3.5이다.The results of Raman scattering spectroscopy for one carbon skeleton are shown in Fig. 9, which shows the D-band at about 1365 cm -1 (curve 1) and the G -band at about 1589 cm -1 with FWHMs of 296 and 96 cm -1 , respectively. Shows the Sp 2 carbon with a band (curve 2). Both the D-band and the G-band represent a mixture of Gaussian and Lorentian distributions. The D-band has about 33% Gaussian distribution, and the G-band has about 61% Gaussian distribution. The ratio of the area for the D-band to the area for the G-band is about 3.5.
하나의 탄소 골격의 BET 표면적은 질소 흡수에 의해 1,205 m2/g인 것으로 측정되었다. 증분 기공 표면적 대 기공 폭은 NLDFT 방법을 사용하여 도 10a에 플롯팅되어 있으며, 이는 1,515 m2/g의 누적 기공 표면적을 나타낸다. BET 표면적과 NLDFT 표면적 사이의 불일치는 NLDFT 분포가 질소 및 CO2 흡수 데이터 둘 다로 계산되고; CO2 분자는 질소 분자가 들어가는 기공보다 작은 기공으로 들어갈 수 있다는 사실로부터 비롯될 수 있다. 3.48 옹스트롬의 기공 피크의 NLDFT 표면적은 443 m2/g이며, 5.33 옹스트롬에서는 859 m2/g이며, 11.86 옹스트롬 (최대 20 옹스트롬)에서는 185 m2/g이며, 20 옹스트롬 이하의 기공에 대해서는 총 1,502 m2/g이지만, 20 옹스트롬과 1000 옹스트롬 사이의 기공으로부터의 NLDFT 표면적은 단지 7.5 m2/g이며, 20 옹스트롬 이상의 기공으로부터의 표면적은 전체 표면적의 단지 약 0.5%이다.The BET surface area of one carbon skeleton was determined to be 1,205 m 2 /g by nitrogen absorption. Incremental pore surface area versus pore width is plotted in FIG. 10A using the NLDFT method, indicating a cumulative pore surface area of 1,515 m 2 /g. The discrepancy between the BET surface area and the NLDFT surface area is that the NLDFT distribution is calculated with both nitrogen and CO 2 uptake data; This may result from the fact that CO 2 molecules can enter pores that are smaller than those that nitrogen molecules enter. The NLDFT surface area of the pore peak at 3.48 angstroms is 443 m 2 /g, at 5.33 angstroms 859 m 2 /g and at 11.86 angstroms (up to 20 angstroms) 185 m 2 /g, for a total of 1,502 for pores below 20 angstroms. m 2 /g, but the NLDFT surface area from pores between 20 angstroms and 1000 angstroms is only 7.5 m 2 /g, and the surface area from pores above 20 angstroms is only about 0.5% of the total surface area.
탄소 골격 샘플의 기공 크기 분포는 질소 흡수 및 CO2 흡수에 의해 결정되었다. 질소 흡수 및 CO2 흡수로부터의 흡수 결과를 조합하여 도 10b에 나타낸 기공-크기-분포를 생성하였다. 증분 기공 부피 (mL/g) 대 기공 폭 (옹스트롬)의 관계는 3.66 옹스트롬, 5.33 옹스트롬 및 11.86 옹스트롬에 위치한 3개의 주요 피크가 존재함을 나타내고; 누적 기공 부피 (mL/g) 대 기공 폭 (옹스트롬)의 관계는, 3.66 옹스트롬의 피크하에 약 0.080 mL/g 기공이 존재하고 5.33 옹스트롬의 피크하에 약 0.240 mL/g 기공이 존재하고 11.86 옹스트롬의 피크하에 약 0.108 mL/g 기공이 존재하고, 20 옹스트롬 이하의 0.43 mL/g 기공, 20 옹스트롬과 100 옹스트롬 사이의 0.042 mL/g 기공, 및 최대 1000 옹스트롬의 총 0.572 mL/g 기공을 갖는다는 것을 나타낸다. The pore size distribution of the carbon skeleton samples was determined by nitrogen uptake and CO 2 uptake. The absorption results from nitrogen uptake and CO 2 uptake were combined to produce the pore-size-distribution shown in FIG. 10B . The relationship of incremental pore volume (mL/g) versus pore width (angstroms) indicates that there are three major peaks located at 3.66 angstroms, 5.33 angstroms and 11.86 angstroms; The relationship of cumulative pore volume (mL/g) to pore width (angstroms) is that there are about 0.080 mL/g pores under a peak of 3.66 angstroms and about 0.240 mL/g pores under a peak of 5.33 angstroms and a peak of 11.86 angstroms. about 0.108 mL/g pores under .
실시예 10: 고정화된 셀레늄의 제조 및 특징 분석Example 10: Preparation and Characterization of Immobilized Selenium
(셀레늄의 벌크 성질을 나타내는) 0.1206 그램의 셀레늄을 마노 모르타르 및 막자 세트에 포함시키고 실시예 9에 따라 제조된 0.1206 그램의 탄소 골격을 동일한 마노 모르타르 및 막자에 포함시킨다. 약 30분 동안 셀레늄과 탄소 골격의 혼합물을 수동으로 분쇄하고 셀레늄과 탄소 골격의 분쇄된 혼합물을 스테인레스 스틸 다이 (직경 10 mm)로 옮긴다. 다이의 혼합물을 약 10 MPa의 압력으로 압축시켜 혼합물의 펠릿을 형성한다. 이어서, 불활성 환경 (아르곤)의 존재하에 펠릿을 밀봉된 용기에 로딩하고 펠릿을 함유하는 밀봉된 용기를 오븐에 넣는다. 펠릿을 포함하는 밀봉된 용기를 포함하는 오븐을, 예를 들어, 12시간 동안 240℃ (셀레늄의 용융 온도 초과)로 가열한다. 그러나, 셀레늄과 탄소가 부분적으로 또는 완전히 반응하여 반응하도록 하고, 본원에 기재된 일부 또는 모든 특징을 갖는 고정화된 셀레늄을 형성하기에 충분한 시간과 셀레늄의 용융 온도 초과의 온도와의 조합이 사용이 고려된다. 다음으로, 펠릿을 실온으로 되돌아오게 한 후 용기로부터 펠릿을 꺼낸다. 꺼낸 펠릿은 본 실시예 10의 고정화된 셀레늄이다.0.1206 grams of selenium (representing the bulk properties of selenium) were included in an agate mortar and pestle set and 0.1206 grams of carbon skeleton prepared according to Example 9 were included in the same agate mortar and pestle. The mixture of selenium and carbon skeleton is manually milled for about 30 minutes and the milled mixture of selenium and carbon skeleton is transferred to a stainless steel die (10 mm diameter). The mixture in the die is compressed to a pressure of about 10 MPa to form pellets of the mixture. The pellets are then loaded into a sealed container in the presence of an inert environment (argon) and the sealed container containing the pellets is placed in an oven. An oven containing a sealed container containing the pellets is heated, for example, to 240° C. (above the melting temperature of selenium) for 12 hours. However, the use of a combination of a temperature above the melting temperature of selenium with a time sufficient to cause the selenium and carbon to react partially or fully to react and form immobilized selenium having some or all of the characteristics described herein is contemplated for use. . Next, the pellets are brought back to room temperature and then the pellets are removed from the container. The pellets taken out were the immobilized selenium of Example 10.
이어서, 본 실시예 10의 고정화된 셀레늄은 TGA-DSC 및 TGA에 의해 특징 분석되었다. TGA-DSC 분석 결과는 10℃/분의 가열 속도로 200 ml/분의 아르곤 가스의 스트림하에 고정화된 셀레늄에 대해 수집되었다. 셀레늄의 융점 근처의 온도 (약 230℃)에서 관찰 가능한 흡열 DSC 피크는 존재하지 않으며, 이는 본 실시예 10의 고정화된 셀레늄이 흡열 피크가 존재해야 하는 230℃에서 융점을 가져야 하는 셀레늄 분자/원자의 벌크-형태와 상이하다는 것을 나타낸다.The immobilized selenium of this Example 10 was then characterized by TGA-DSC and TGA. TGA-DSC analysis results were collected for immobilized selenium under a stream of 200 ml/min of argon gas at a heating rate of 10°C/min. There is no observable endothermic DSC peak at a temperature near the melting point of selenium (about 230° C.), which indicates that the immobilized selenium of Example 10 should have a melting point at 230° C. where an endothermic peak should exist. It is different from the bulk-form.
조사는, 가열 온도가 셀레늄 분자가 TGA-DSC 샘플 도가니 (흑연 또는 세라믹)로부터 빠져 나가기 시작하는 지점에 도달하는 경우 TGA-DSC 데이터를 신뢰할 수 없음을 드러냈다. 이 때문에, (샘플 도가니로부터) 기상 셀레늄 분자는 아르곤 캐리어 가스의 스트림으로 들어가서 TGA-DSC 백금 샘플 홀더와 반응하는 것으로 보이며, 이것이 실제 TGA-DSC 열화학적 거동을 왜곡시킨다. 백금 샘플 홀더와 반응하는 샘플 도가니로부터 방출된 셀레늄 분자는 이 온도 영역에서 더 낮은 중량 손실을 초래한다. 이어서, 가열 온도가 800℃를 초과하는 지점에 도달하는 경우, 백금 샘플 홀더 내의 셀레늄-백금 복합체가 기상으로 방출된다. 완전한 셀레늄 방출은 1000℃에서 발생할 수 있다. 이 조사는 본 실시예 10의 고정화된 셀레늄 샘플의 대부분을 사용하였다. 따라서, 고정화된 셀레늄의 새로운 샘플 (~ 16 그램)은 본 실시예 10의 앞부분에서 기재된 것과 동일한 공정을 사용하여 제조되었다.Investigation revealed that the TGA-DSC data were unreliable when the heating temperature reached a point where selenium molecules began to escape from the TGA-DSC sample crucible (graphite or ceramic). Because of this, gaseous selenium molecules (from the sample crucible) appear to enter the stream of argon carrier gas and react with the TGA-DSC platinum sample holder, which distorts the actual TGA-DSC thermochemical behavior. Selenium molecules released from the sample crucible reacting with the platinum sample holder result in lower weight loss in this temperature region. Then, when the heating temperature reaches a point exceeding 800° C., the selenium-platinum complex in the platinum sample holder is released into the gas phase. Complete selenium release can occur at 1000°C. This investigation used most of the immobilized selenium samples of this Example 10. Therefore, a fresh sample (~16 grams) of immobilized selenium was prepared using the same process as described earlier in this Example 10.
이 새로운 고정화된 셀레늄 샘플의 열화학적 거동은 TGA 분석에 의해 연구되었으며, 상기 분석은 TGA 분석에 사용되는 매우 작은 열전대를 커버하는 세라믹 샘플 홀더를 사용한다. 이 새로운 고정화된 셀레늄 샘플에 대한 TGA 분석 결과는 셀레늄-탄소 복합체 (본 실시예 10의 고정화된 셀레늄의 제조와 동일한 공정으로 50-50 Se-Super P 탄소 복합체 및 Se-흑연 (분쇄된 흑연)으로 만들어짐)에 대한 TGA 분석 결과 (도 11b)와 함께 도 11a에 나타낸다. Super P는 리튬-이온 전지 산업에 널리 사용되는 상업 등급 카본 블랙이다. 분쇄된 흑연은 Poco 2020 흑연을 분쇄하여 제조되었다. TGA 분석 데이터는 또한 하기 표 2에 요약되어 있다.The thermochemical behavior of this novel immobilized selenium sample was studied by TGA analysis, which uses a ceramic sample holder covering a very small thermocouple used for TGA analysis. The TGA analysis results for this new immobilized selenium sample were obtained from selenium-carbon composites (50-50 Se-Super P carbon composites and Se-graphite (ground graphite) in the same process as the preparation of immobilized selenium in Example 10). made) are shown in Figure 11a together with the results of TGA analysis (Figure 11b). Super P is a commercial grade carbon black widely used in the lithium-ion battery industry. The pulverized graphite was prepared by pulverizing Poco 2020 graphite. The TGA analysis data are also summarized in Table 2 below.
[표 2][Table 2]
고정화된 셀레늄은 약 400℃에서 출발하는 초기 중량 손실 온도를 가질 수 있고 Se-Super P 탄소 복합체 및 Se-흑연 탄소 복합체의 경우 약 340℃에서 출발하는 초기 중량 손실 온도를 가질 수 있으며; 고정화된 셀레늄에 대한 중간-지점 중량-손실 온도는 약 595℃ 대(vs.) Se-Super P 복합체의 경우 480℃일 수 있으며, Se-흑연 복합체의 경우 471℃일 수 있으며; 주요 중량 손실은 Se-Super P 복합체 및 Se-흑연 복합체의 경우 약 544℃에서 완료되었고, 고정화된 셀레늄의 경우 660℃에서 완료되었다. Se-Super P 탄소 복합체 및 Se-흑연 탄소 복합체는 560℃와 780℃ 사이에서 0.6% 미만의 중량 손실을 나타내지만, 고정화된 셀레늄은 주요 중량 손실의 하부 (~660℃ 내지 1000℃)로부터 약 2.5%의 중량 손실을 나타낸다. 이러한 결과는 비고정화된 셀레늄 (Se-Super P 탄소 복합체 및 Se-흑연 복합체)이 560℃ 이상의 온도에서 복합체로부터 빠져나갈 수 있는 총 셀레늄의 1.2% 이하를 갖는 반면, 고정화된 셀레늄은 660℃ 이상의 온도에서 탄소 골격으로부터 빠져나갈 수 있는 총 셀레늄의 약 5.0%를 갖는다는 것을 시사한다. 다음 세부사항은 열화학적 거동에 대한 이해를 제공하는 예를 제시하기 위해 제공된다. 그러나, 이러한 세부사항은 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다.The immobilized selenium may have an initial weight loss temperature starting at about 400° C. and for Se-Super P carbon composites and Se-graphite carbon composites may have an initial weight loss temperature starting at about 340° C.; The mid-point weight-loss temperature for immobilized selenium can be about 595° C. versus (vs.) 480° C. for Se-Super P composites and 471° C. for Se-graphite composites; The major weight loss was completed at about 544 °C for Se-Super P composites and Se-graphite composites, and at 660 °C for immobilized selenium. Se-Super P carbon composites and Se-graphite carbon composites show less than 0.6% weight loss between 560°C and 780°C, while immobilized selenium shows about 2.5% of the major weight loss from the bottom (~660°C to 1000°C). % weight loss. These results show that unimmobilized selenium (Se-Super P carbon composite and Se-graphite composite) has no more than 1.2% of the total selenium that can escape from the composite at temperatures above 560°C, whereas immobilized selenium has temperatures above 660°C. suggest that it has about 5.0% of the total selenium that can escape from the carbon skeleton. The following details are provided to give examples that provide an understanding of thermochemical behavior. However, these details should not be construed in a limiting sense.
열화학적 거동의 예로서 TGA 중간-중량 손실 온도의 데이터를 사용하면, 가열 온도가 증가함에 따라, Se-Super P 복합체 및 Se-흑연 복합체 중의 셀레늄 분자의 운동 에너지는 이들 셀레늄 분자가 셀레늄 분자 사이의 분자간 상호작용을 극복하고 셀레늄의 액상으로부터 빠져 나가기에 충분한 에너지를 갖는 수준으로 증가한다. 여기에서, 운동 에너지 = 3RT/2이며, 여기서: R은 가스 상수이며, T는 켈빈 단위의 온도이다.As an example of thermochemical behavior Using the data of the TGA mid-weight loss temperature, as the heating temperature increased, the kinetic energy of selenium molecules in Se-Super P complex and Se-graphite complex showed that these selenium molecules overcome the intermolecular interactions between selenium molecules and The selenium increases to a level that has enough energy to escape from the liquid phase. where, kinetic energy = 3RT/2, where: R is the gas constant and T is the temperature in Kelvin.
Se-Super P 복합체에 대한 셀레늄 분자의 평균 운동 에너지는 셀레늄 분자가 Se-Super P 복합체의 혼합물로부터 빠져 나가는 경우 9,391 J/몰로 측정된 것으로 관찰되었다. 그러나, 고정화된 셀레늄은 셀레늄이 탄소 골격을 떠나 기상 셀레늄 분자로 되기 위해 약 10,825 J/몰의 평균 운동 에너지를 갖기 위해서는 더 많은 에너지를 얻을 필요가 있다. 원자 형태로서, 분자 형태로서 또는 임의의 형태로서의 고정화된 셀레늄 중의 셀레늄은 셀레늄의 분자간 상호작용을 능가하여 셀레늄 및 탄소 골격과 화학적으로 상호작용할 수 있는 것으로 여겨진다. 또한, 660℃와 1000℃ 사이의 탄소 골격으로부터 빠져 나가는 셀레늄의 마지막 부분은 11,635 J/몰 내지 15,876 J/몰 이상의 평균 운동 에너지를 갖는다. 이것은 고정화된 셀레늄 중의 셀레늄이 종래의 셀레늄-탄소 복합체 중의 셀레늄보다 더 안정하다는 것을 시사한다. 본 실시예 10의 고정화된 셀레늄 중의 안정화된 셀레늄은 전기화학적 공정 동안, 예컨대 고정화된 셀레늄이 포함된 재충전식 전지의 충전 및 방전 사이클링 동안 원자 형태, 분자 형태 또는 임의의 형태의 셀레늄이 탄소 골격 내부에 머무르는 능력을 증진시킨다. 일례에서, 셀레늄의 이 마지막 부분은 탄소 골격을 빠져 나가기 위해 11,635 J/몰 이상 (660℃ 이상)의 운동 에너지를 필요로 할 수 있으며, 셀레늄 고정화에 중요할 수 있으며, 탄소 골격과 대부분의 고정화된 셀레늄 분자 사이의 계면 물질로서 작용할 수 있다. 고정화된 셀레늄에서 계면 셀레늄의 부분은 총 고정화된 셀레늄의 1.5% 이상, 2.0% 이상, 2.5% 이상, 또는 3.0%일 수 있다.It was observed that the average kinetic energy of the selenium molecule for the Se-Super P complex was measured to be 9,391 J/mol when the selenium molecule escaped from the mixture of the Se-Super P complex. However, immobilized selenium needs to gain more energy in order for selenium to have an average kinetic energy of about 10,825 J/mol for it to leave the carbon skeleton and become a gaseous selenium molecule. It is believed that selenium in immobilized selenium, either in atomic form, in molecular form, or in any form, is capable of chemically interacting with selenium and carbon backbones beyond the intermolecular interactions of selenium. Also, the last portion of selenium exiting the carbon skeleton between 660° C. and 1000° C. has an average kinetic energy of 11,635 J/mole to at least 15,876 J/mole. This suggests that selenium in immobilized selenium is more stable than selenium in conventional selenium-carbon complexes. The stabilized selenium in the immobilized selenium of this Example 10 is found in the atomic, molecular or any form of selenium inside the carbon skeleton during electrochemical processes, such as during charge and discharge cycling of a rechargeable battery containing immobilized selenium. improve the ability to stay. In one example, this last portion of selenium may require a kinetic energy of more than 11,635 J/mole (above 660° C.) to exit the carbon skeleton, and may be important for selenium immobilization, and the carbon skeleton and most immobilized parts of the carbon skeleton. It can act as an interfacial material between selenium molecules. The portion of interfacial selenium in the immobilized selenium may be at least 1.5%, at least 2.0%, at least 2.5%, or 3.0% of the total immobilized selenium.
도 11a는 또한 함유된 셀레늄의 중간-지점-중량 손실에 대해 628℃의 온도를 갖는, 가열 속도 16℃/min로 하는 고정화된 셀레늄에 대한 TGA 연구를 나타낸다. 도 11c에 나타낸 바와 같이, Se-Super P 복합체의 경우, 16℃/분의 가열 속도에서 함유된 Se의 중간-중량-손실에서의 온도는 495℃이다. 상이한 가열 속도 (예를 들어, 16℃/분, 10℃/분, 5℃/분, 2.5℃/분, 및 1℃/분)에서, 활성화 에너지 및 충돌 빈도는 ASTM E1641-16 및 E2958-14와 같은 알려진 방법을 사용하여 결정되고 계산될 수 있다. 상이한 가열 속도에 대한 15% 중량 손실에서의 온도는 하기 표 3에 나타낸 바와 같이 표로 표시된다.11A also shows a TGA study for immobilized selenium with a heating rate of 16°C/min, with a temperature of 628°C for mid-point-weight loss of contained selenium. As shown in Fig. 11c, in the case of the Se-Super P composite, the temperature at the mid-weight-loss of Se contained at a heating rate of 16°C/min is 495°C. At different heating rates (e.g., 16°C/min, 10°C/min, 5°C/min, 2.5°C/min, and 1°C/min), the activation energy and collision frequency are ASTM E1641-16 and E2958-14 It can be determined and calculated using known methods such as Temperatures at 15% weight loss for different heating rates are tabulated as shown in Table 3 below.
[표 3][Table 3]
Se-Super P 복합체 중의 셀레늄 (비고정화된 또는 종래의)에 대한 활성화 에너지는 92.3 kJ/몰이고 충돌 빈도는 2.27×105인 것으로 결정되었다. 고정화된 셀레늄 (상기 228-110) 중의 셀레늄에 대한 활성화 에너지는 또한, 120.7 kJ/몰이고 충돌 빈도는 12.4×105인 것으로 결정되었다. 실시예 10과 동일한 절차로 제조된 고정화된 셀레늄 (상기 155-82-2)의 또 다른 샘플은 또한 120.0 kJ/몰의 활성화 에너지 및 18.3×105의 충돌 빈도를 갖는 것으로 측정되었다.It was determined that the activation energy for selenium (unimmobilized or conventional) in the Se-Super P complex was 92.3 kJ/mol and the collision frequency was 2.27×10 5 . The activation energy for selenium in immobilized selenium (228-110 above) was also determined to be 120.7 kJ/mol and the collision frequency 12.4×10 5 . Another sample of immobilized selenium (155-82-2 above) prepared by the same procedure as in Example 10 was also measured to have an activation energy of 120.0 kJ/mol and a collision frequency of 18.3×10 5 .
셀레늄에 대한 운동 속도 상수는 아레니우스 식 (Arrhenius equation)을 사용하여 계산된다: The kinetic rate constant for selenium is calculated using the Arrhenius equation:
여기서, k는 속도 상수이며, E a 는 활성화 에너지이며, A는 충돌 빈도이며, R은 가스 상수이며, T는 켈빈 단위의 온도이다.where k is the rate constant, E a is the activation energy, A is the collision frequency, R is the gas constant, and T is the temperature in Kelvin.
상기 결정된 활성화 에너지 및 충동 빈도와 도 11d를 참조로 하여, 운동 속도 상수는 상이한 온도에서 아레니우스 식을 사용하여 계산되었다. 도 11d는 비고정화된 셀레늄 (Se-Super P 복합체-실선)이 고정화된 셀레늄 (228-110 (점선) 및 115-82-2 (파선))보다, 예를 들어, 35℃에서 약 네 자리수상(four orders of magnitude) 이상 및 100℃에서 약 세 자릿수 이상, 훨씬 더 높은 속도 상수를 가진다는 것을 나타낸다. 일례에서, 50℃에서, 비고정화된 셀레늄 (Super P)에 대한 속도 상수는 2.668×10-10인 반면, 고정화된 셀레늄은 7.26×10-14 (155-82-2) 및 3.78×10-14 (228-110)의 속도 상수를 갖는다. 더 낮은 운동 속도 상수를 갖는 셀레늄은 호스트 재료 (탄소)를 떠나는 경향이 덜하며, 이것이 보다 양호한 전지 사이클링 성능을 야기할 수 있다.Referring to the determined activation energy and impulse frequency and FIG. 11d , the kinetic rate constant was calculated using the Arrhenius equation at different temperatures. 11D shows that unimmobilized selenium (Se-Super P complex-solid line) is approximately four orders of magnitude higher than immobilized selenium (228-110 (dotted line) and 115-82-2 (dashed line)), for example at 35°C. (four orders of magnitude) and above and about three orders of magnitude higher at 100°C, indicating that it has a much higher rate constant. In one example, at 50 ℃, note the rate constant for the purification of selenium (Super P) is 2.668 × 10 -10, whereas the immobilized selenium is 7.26 × 10 -14 (155-82-2) and 3.78 × 10 -14 It has a rate constant of (228-110). Selenium with a lower kinetic rate constant is less likely to leave the host material (carbon), which may lead to better cell cycling performance.
도 12는 G-밴드에 대한 면적에 대한 D-밴드에 대한 면적의 비가 2.8인 1368 cm-1에서 D-밴드 및 1596 cm-1에서 G-밴드의 라만 피크를 갖는 고정화된 셀레늄의 스펙트럼을 나타낸다. 도 9에 나타낸 탄소 골격의 라만 스펙트럼과 비교하여, 셀레늄 고정화는 D-밴드의 경우 약 3 cm-1 적색 시프트 및 G-밴드의 경우 7 cm-1 적색 시프트로 라만 피크 둘 다를 더 높은 파수로 시프팅시키며, 이것은 탄소 골격에서 Sp2 탄소의 결합 강도가 D-밴드의 경우 약 4 cm-1의 적색 시프트 및 G-밴드의 경우 약 8 cm-1의 적색 시프트로 강화됨을 시사한다. 동시에, G-밴드에 대한 면적에 대한 D-밴드에 대한 면적의 비도 약 3.4에서 2.8로 감소되었으며, 이는 D-밴드가 상대적으로 더 약해지거나 G-밴드가 상대적으로 더 강해짐을 시사한다. 더 강한 G-밴드가 바람직할 수 있는데, 이 이유는 G-밴드가 탄소 골격이 전자를 보다 쉽게 전도할 수 있게 하는 탄소의 유형에 관련될 수 있고, 이것이 재충전식 전지에 사용되는 경우, 전기화학적 성능에 바람직할 수 있기 때문이다. 벌크 또는 순수한 셀레늄은 전형적으로 약 235 cm-1에서 첨예한 라만 시프트 피크를 나타낸다. 고정화된 셀레늄의 경우, 도 12에서의 라만 스펙트럼은 약 257 cm-1에서 넓은 라만 피크 (면적에 있어서 G-밴드의 ~12.7% )및 약 500 cm-1에서 새로운 넓은 언덕 (hump) (G-밴드 면적의 약 3.0%)을 나타낸다. 셀레늄 고정화는 모든 라만 피크가 더 높은 파수로 이동함에 따라 탄소 골격 및 셀레늄 둘 다에 대해 라만 특성을 변화시키는 것으로 여겨지며, 이는 탄소 골격에 대한 탄소-탄소 Sp2 결합 및 셀레늄의 셀레늄-셀레늄 결합 둘 다가 압축하에 있음을 시사한다.12 shows the spectrum of immobilized selenium with Raman peaks of the D-band at 1368 cm -1 and the G-band at 1596 cm -1 with a ratio of area to D-band to area to G-band of 2.8. . Compared to the Raman spectrum of the carbon skeleton shown in Figure 9, selenium immobilization shifts both Raman peaks to higher wave numbers with about 3 cm −1 red shift for the D-band and 7 cm −1 red shift for the G-band. This suggests that the bond strength of the Sp 2 carbon in the carbon skeleton is enhanced with a red shift of about 4 cm −1 for the D-band and a red shift of about 8 cm −1 for the G-band. At the same time, the ratio of area to D-band to area to G-band also decreased from about 3.4 to 2.8, suggesting that the D-band is relatively weaker or the G-band is relatively stronger. A stronger G-band may be desirable, since the G-band may relate to the type of carbon that allows the carbon skeleton to conduct electrons more readily, and when used in rechargeable batteries, the electrochemical Because it can be desirable for performance. Bulk or pure selenium typically exhibits a sharp Raman shift peak at about 235 cm −1 . For immobilized selenium, the Raman spectrum in FIG. 12 shows a broad Raman peak at about 257 cm −1 (~12.7% of the G-band in area) and a new broad hump at about 500 cm −1 (G- about 3.0% of the band area). Selenium immobilization is believed to change the Raman properties for both the carbon skeleton and selenium as all Raman peaks shift to higher wavenumbers, indicating that both the carbon-carbon Sp 2 bond to the carbon skeleton and the selenium-selenium bond of selenium are suggests that it is under compression.
셀레늄 고정화로부터 생성되는 압축은 탄소 골격에 대한 탄소-탄소 Sp2 결합 및 셀레늄에 대한 Se-Se 결합 둘 다를 강화시켜, 더 강한 셀레늄-셀레늄 및 탄소-셀레늄 상호작용을 생성한다. 따라서, 셀레늄이 더 강한 Se-Se 결합 및 더 강한 탄소-셀레늄 상호작용을 극복하기 위해서는 더 큰 운동 에너지가 필요할 것이며, 이는 고정화된 셀레늄 대 Se-Super P 복합체 및 Se-흑연 복합체의 TGA 분석에서의 관찰사항을 설명한다.The compression resulting from selenium immobilization strengthens both the carbon-carbon Sp 2 bond to the carbon backbone and the Se-Se bond to selenium, resulting in stronger selenium-selenium and carbon-selenium interactions. Therefore, greater kinetic energy will be required for selenium to overcome the stronger Se–Se bonding and stronger carbon–selenium interaction, which is the result of TGA analysis of immobilized selenium versus Se–Super P composites and Se–graphite composites. Describe your observations.
또한, 압축하에, 탄소 골격은 이어서 결합 수준에서 보다 우수한 전자 전도성 능력을 가질 것이며; 압축하에, 셀레늄 원자 또는 분자는 또한 보다 우수한 전자 전도 능력을 가질 것이다.Also, under compression, the carbon backbone will then have better electron conductivity at the bonding level; Under compression, the selenium atom or molecule will also have better electron conduction ability.
탄소 골격 및 셀레늄에 걸쳐 강화된 전자 전도성과 함께 고정화된 셀레늄에 대해 안정화된 셀레늄은, 예를 들어, 최소 셔틀링 수준으로 활물질에 대한 개선된 비용량, 고정화로 인한 개선된 사이클링 능력, 더 높은 레이트로 충전 및 방전되는 능력 등과 같은 전기화학적 공정에서 바람직할 수 있다. 그러나, 이것은 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다.Stabilized selenium to immobilized selenium with enhanced electronic conductivity across the carbon backbone and selenium, for example, has improved specific capacity for active materials with minimal shuttling levels, improved cycling capacity due to immobilization, higher rates It may be desirable in electrochemical processes such as the ability to be charged and discharged into a furnace. However, this should not be construed in a limiting sense.
도 13에 나타낸 실시예 10에 따라 제조된 고정화된 셀레늄에 대한 X-선 회절 패턴은 d-간격을 약 5.21 옹스트롬으로 하는 탄소 골격으로부터 넓은 회절 피크의 강도에 있어서의 감소 - 단지 약 1/3 강도를 나타내며, 이는 고정화된 셀레늄이 탄소 골격을 더 무질서하게 하거나 탄소 골격의 순서에 따라 더 큰 파괴를 일으킨다는 것을 시사한다. 일례에서, 이것은 압축력이 탄소-탄소 Sp2 결합에 가해지기 때문인 것으로 여겨진다.The X-ray diffraction pattern for immobilized selenium prepared according to Example 10 shown in FIG. 13 shows a decrease in the intensity of broad diffraction peaks from the carbon skeleton with a d-spacing of about 5.21 angstroms - only about 1/3 intensity. , suggesting that immobilized selenium makes the carbon skeleton more disordered or causes greater destruction according to the order of the carbon skeleton. In one example, it is believed that this is because a compressive force is applied to the carbon-carbon Sp 2 bond.
도 14는 탄소 골격에 대한 도 7의 이미지와 마찬가지로 시트형 모폴로지를 나타내는 실시예 10에 따라 제조된 고정화된 셀레늄에 대한 SEM 이미지를 나타낸다. 약 50%의 셀레늄이 탄소 골격에 고정화되었지만, 시트간 연결이 파괴된 것을 제외하고는 탄소 골격의 표면 상에 관찰 가능한 셀레늄 입자가 없으며, 이것이 높은 종횡비를 갖는 많은 평평한 시트를 초래한다. 이러한 시트형 모폴로지는 편평한-시트 방향을 따라 정렬된 배향 코팅을 형성하고, 표면 접촉에 대해 시트 표면을 생성하고, 개선된 시트간 전기 전도도를 야기하는데 매우 바람직할 수 있으며, 이것이 재충전식 전지에서와 같은 전기화학적 공정에 대해 우수한 전기 성능을 초래할 수 있다.14 shows an SEM image of immobilized selenium prepared according to Example 10 showing a sheet-like morphology, similar to the image of FIG. 7 for the carbon skeleton. Although about 50% of selenium is immobilized to the carbon skeleton, there are no observable selenium particles on the surface of the carbon skeleton except that the inter-sheet linkages are broken, which results in many flat sheets with high aspect ratios. Such sheet-like morphologies can be highly desirable for forming oriented coatings aligned along the flat-sheet direction, creating a sheet surface to surface contact, and resulting in improved sheet-to-sheet electrical conductivity, such as in rechargeable batteries. It can lead to good electrical performance for electrochemical processes.
실시예 11: Se 캐소드 제조Example 11: Se Cathode Fabrication
모르타르 및 막자에 실시예 10에 따라 제조된 56 mg의 고정화된 셀레늄; 7.04 mg의 Super P; 182 μL의 카복시메틸 셀룰로스 (CMC) 용액 (52 μL의 CMC 용액마다 1 mg의 건조 CMC 포함); 21.126 μL의 SBR 라텍스 분산액 (6.036 μL SBR 라텍스 분산액마다 1 mg 건조 SBR 라텍스를 함유); 및 200 μL의 탈이온수를 포함시킨다. 입자들, 결합제 및 물을 수동으로 슬러리로 되도록 30분 동안 그라인드하여 캐소드 슬러리를 생성한다. 이어서, 캐소드 슬러리를 전기 전도성 기판, 예를 들어, 포일 조각의 한면에 코팅하고, 공기 건조시켰다. 일례에서, 전도성 기판 또는 포일은 알루미늄 (Al) 포일일 수 있다. 그러나, 이는 임의의 형상 또는 형태의 임의의 적합한 및/또는 바람직한 전기 전도성 재료의 사용도 고려되기 때문에 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다. 단지 설명 목적을 위해, 셀레늄 캐소드를 형성하기 위한 Al 포일의 사용이 본원에 기술될 것이다. 그러나, 이것은 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다.56 mg of immobilized selenium prepared according to Example 10 in a mortar and pestle; 7.04 mg of Super P; 182 μL of carboxymethyl cellulose (CMC) solution (each 52 μL of CMC solution contains 1 mg of dry CMC); 21.126 μL of SBR latex dispersion (each 6.036 μL SBR latex dispersion contains 1 mg dry SBR latex); and 200 μL of deionized water. A cathode slurry is produced by manually grinding the particles, binder, and water into a slurry for 30 minutes. The cathode slurry was then coated on one side of an electrically conductive substrate, eg, a piece of foil, and air dried. In one example, the conductive substrate or foil may be an aluminum (Al) foil. However, this should not be construed in a limiting sense as the use of any suitable and/or desirable electrically conductive material in any shape or form is also contemplated. For illustrative purposes only, the use of Al foil to form a selenium cathode will be described herein. However, this should not be construed in a limiting sense.
이어서, 슬러리 코팅된 Al 포일을 건조 오븐에 넣고, 55℃의 온도로 12시간 동안 가열하여, 셀레늄 캐소드를 생성하는데 이는 Al 포일의 한면에는 고정화된 셀레늄의 건조된 시트로 구성되고 Al 포일의 다른 면은 코팅되어 있지 않은데, 즉 무피복 (bare) 알루미늄이다.The slurry coated Al foil is then placed in a drying oven and heated to a temperature of 55° C. for 12 hours to produce a selenium cathode, which consists of a dried sheet of selenium immobilized on one side of the Al foil and the other side of the Al foil. Silver is uncoated, ie bare aluminum.
이어서, 셀레늄 캐소드는 각각 직경이 10 mm인 캐소드 디스크에 펀칭되었다. 이들 캐소드 디스크의 일부는 재충전식 전지용 캐소드로서 사용되었다.Selenium cathodes were then punched into cathode disks each having a diameter of 10 mm. Some of these cathode disks were used as cathodes for rechargeable batteries.
실시예 12: Li-Se 재충전식 전지 조립체 및 시험Example 12: Li-Se Rechargeable Cell Assembly and Testing
실시예 11로부터의 캐소드 디스크를 사용하여 다음에 논의되고 도 15에 나타낸 실시예에 기재된 방식으로 Li-Se 재충전식 코인 셀 전지를 조립하였다. 본 실시예에서, 실시예 11로부터의 10 mm 직경 캐소드 디스크 (4)를 코인 셀의 포지티브 케이스 (positive case) (도 15에서 "포지티브 케이스")로서 기능하는 2032 스테인레스 스틸 코인 셀 캔의 베이스 (2) 상에 배치하며 고정화된 셀레늄 시트 (5)는 포지티브 케이스의 베이스 (2)와는 떨어져서 위쪽으로 향해 있으며 무피복 Al 면은 포지티브 케이스의 베이스 (2)를 향해 접촉되어 있다. 다음으로, 전지 세퍼레이터 (6) (직경 19 mm 및 두께 25 미크론)는 고정화된 셀레늄 시트 (5)와 접촉하는 캐소드 디스크 (4)의 상부에 배치하였다. 일례에서, 전지 세퍼레이터 (6)는 유기 세퍼레이터, 또는 무기 세퍼레이터, 또는 고체 전해질 세퍼레이터일 수 있다. 유기 세퍼레이터는 중합체, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 할로겐화 중합체, 폴리에테르, 폴리케톤 등일 수 있다. 무기 세퍼레이터는 유리 및/또는 석영 섬유로 제조될 수 있다.The cathode disk from Example 11 was used to assemble a Li-Se rechargeable coin cell cell in the manner described in the example discussed below and shown in FIG. 15 . In this example, the 10 mm
다음으로, 에틸렌 카보네이트 (EC) 및 디메틸 카보네이트 (DMC) 용매 (50-50 중량) 중의 LiPF6 (1 M)을 포함하는 240 μL의 전해질 (7)은 포지티브 케이스 (2)에 도입한 후, 리튬 포일 디스크 (8) (직경 15.6 mm 및 두께 250 미크론)를 캐소드 디스크 (4)에 대향하는 세퍼레이터 (6)의 면에 배치하였다. 다음으로, 스테인레스 스틸 (SS) 스페이서 (10)는 세퍼레이터 (6)에 대향하는 리튬 포일 디스크 (8)의 면에 배치한 후, 리튬 포일 디스크 (8)에 대향하는 SS 스페이서 (10)의 면에, 예를 들어, 니켈로 제조된 하나 이상의 폼 디스크 (12)를 배치하였다. 리튬 포일 (8), SS 스페이서 (10), 및/또는 폼 (12) 디스크는 애노드로서 기능할 수 있다. 마지막으로, 코인 셀의 네거티브 (도 15에서 "네거티브 케이스")로서 기능하는, 2032 스테인레스 스틸 (14)로부터 제조된 케이스 (14)는 SS 스페이서 (10)에 대향하여 니켈 폼 디스크 (12)의 면에 그리고 포지티브 케이스 (2)의 림 (rim)에 배치하였다. 이어서, 포지티브 케이스 (2) 및 네거티브 케이스 (14)는 고압하에, 예를 들어 1,000 psi에서 함께 밀봉하였다. 고압하에 포지티브 및 네거티브 케이스들 (2, 14)의 밀봉은 또한 (도 15에서 하부에서 상부로) 캐소드 디스크 (4), 세퍼레이터 (6), 리튬 포일 (8), SS 스페이서 (10), 및 Ni 폼 디스크(들) (12)를 포함하는 스택을 함께 압축하는 효과를 가졌다. 상기 기재된 전지 세퍼레이터 및 섬유유리 세퍼레이터를 사용하여 12개 이상의 코인 셀 전지를 조립하였다. 이어서, 조립된 코인 셀 전지를 다음 조건하에 시험하였다. Next, 240 μL of electrolyte (7) containing LiPF 6 (1 M) in ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) solvent (50-50 weight) was introduced into the positive case (2), and then lithium A foil disk 8 (15.6 mm in diameter and 250 microns in thickness) was placed on the side of the
조립된 코인 셀 전지의 일부를 Lanhe 전지 시험기 CT2001A를 사용하여 0.1C 및 1C 충전-방전 레이트하에 시험하였다. 각각의 코인 셀 전지를 시험하였다: (1) 1시간 동안 휴지; (2) 1V로 방전; (3) 10분 동안 휴지; (4) 3V로 충전; (5) 10분 동안 휴지; 반복 사이클링 시험을 위해 단계들 (2) 내지 (5)를 반복.Portions of the assembled coin cell cells were tested at 0.1C and 1C charge-discharge rates using a Lanhe cell tester CT2001A. Each coin cell cell was tested: (1) rest for 1 hour; (2) discharge to 1V; (3) rest for 10 minutes; (4) charging to 3V; (5) rest for 10 minutes; Repeat steps (2) to (5) for repeat cycling test.
도 16a (좌측)는 초기 비용량의 93.4% 보유인 313 사이클 후 633.7 mAh/g의 비용량을 갖는 탁월한 사이클링 안정성을 나타내는, 실시예 11에 따라 제조된 캐소드를 사용하여 실시예 12에 따라 제조된 코일 셀에 대한 사이클링 시험 결과 (0.1C의 충전-방전 레이트에서 313 사이클)를 나타낸다. 1차 방전 비용량은, 아마도 캐소드 및 애노드 표면 상의 일부 부반응으로 인해 화학양론적 값보다 더 높았다. 2회 사이클로부터, 비용량은 초기에 사이클링에 따라 감소하였으며; 그러나, 비용량은 약 30 사이클로부터 약 120 사이클까지 약간 증가한 후에 약 180 사이클까지 안정 상태를 유지한 다음, 감소하였다. 도 16b (우측)는 또한, 0.1C에서 2회 사이클 용량의 66.0% 보유 또는 1C에서 105회 사이클 용량의 80.3% 보유인, 600회 사이클에서 462.5 mAh/g의 비용량을 갖는 또 다른 코인 셀에 대한 탁월한 사이클링 안정성 (0.1C에서 100 사이클에 이어 1C에서 500 사이클)을 나타낸다. 쿨롱 효율은 95% 이상, 98% 이상 또는 최대 100%일 수 있으며, 캐소드와 애노드 사이에서 셔틀링되는 검출 가능한 셀레늄의 양이 없다는 것을 시사하였다. 이러한 전기화학적 성능은 셀레늄이 용해되어 캐소드 (14)로부터 애노드 (2)로 셔틀링되는 것을 방지하는, 캐소드에 고정화된 셀레늄의 결과인 것으로 여겨진다.16A (left) shows the cathode prepared according to Example 12 using the cathode prepared according to Example 11 showing excellent cycling stability with a specific capacity of 633.7 mAh/g after 313 cycles with 93.4% retention of the initial specific capacity. Cycling test results for a coil cell (313 cycles at a charge-discharge rate of 0.1C) are shown. The primary discharge specific capacity was higher than the stoichiometric value, presumably due to some side reactions on the cathode and anode surfaces. From
도 17은 실시예 12에 기재된 중합체 세퍼레이터로 조립된 코인 셀에 대한 상이한 방전-충전 사이클링 레이트 (0.1C 레이트와 10C-레이트 사이)에서 사이클링 시험 결과를 나타낸다. 시험 프로토콜은 사이클링 레이트 (0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C, 5C, 및 10C)를 제외하고, 상기 기재된 시험과 유사하였다; 각 C-레이트에 대해 5회 사이클의 충전 및 방전을 수행한 다음; 사이클링 레이트를 0.1C 사이클로 되돌렸다. 0.1C 레이트에서, 전지는 화학양론적 값 부근의 비용량을 나타내었다. 또한, 전지는 0.2C, 0.5C, 1C 및 2C의 사이클링 레이트에 대한 사이클링에 있어서 우수한 안정성을 나타내었다. 전지는 또한 빠른 충전 및 방전 능력을 나타내었으며, 사이클링에 따라 감소하는 비용량을 보이기는 하지만 10C-레이트에서 화학량론적 용량의 56%를 사이클링하였다. 다시 말해, 10C-레이트에서 전지는 화학량론적 값의 56% 용량으로/으로부터 충전 및 방전하는 데 3.3분이 소요되었다. 그러한 빠른 사이클링 레이트하에, 종래의 전지는 견디지 못할 것으로 예상된다.17 shows the cycling test results at different discharge-charge cycling rates (between 0.1C rate and 10C-rate) for coin cells assembled with the polymer separator described in Example 12. The test protocol was similar to the test described above, except for the cycling rates (0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C, 5C, and 10C); 5 cycles of charging and discharging were performed for each C-rate; The cycling rate was returned to 0.1C cycle. At the 0.1C rate, the cell exhibited a specific capacity near the stoichiometric value. In addition, the cells exhibited excellent stability in cycling to cycling rates of 0.2C, 0.5C, 1C and 2C. The cell also exhibited fast charge and discharge capability and cycled 56% of its stoichiometric capacity at 10 C-rate, albeit with a specific capacity that decreases with cycling. In other words, at the 10C-rate the cell took 3.3 minutes to charge and discharge to/from 56% capacity of the stoichiometric value. Under such fast cycling rates, conventional cells are not expected to withstand.
고정화된 셀레늄을 포함하는 Li-Se 전지는 시험 시작시에 0.1C-레이트에서 사이클링되는 경우, 비용량을, 이의 전체 용량의 98%인 670 mAh/g까지 회복할 수 있다. 이는, (1) 고정화된 셀레늄 캐소드에서 셀레늄의 안정화가 셀레늄이 탄소 골격을 떠나는 것을 방지하며, 이는 사이클링 동안 셀레늄이 캐소드와 애노드 사이에서 셔틀링되는 것을 방지하여, 이것이 전지가 개선된 사이클링 성능을 갖도록 할 수 있으며; (2) Sp2 탄소-탄소 결합 및 탄소 골격, 셀레늄-셀레늄 결합, 및 탄소-셀레늄 상호작용 둘 다가 압축하에 있을 수 있어, 가능하게는 탄소 골격 내, 셀레늄 입자 내, 및 탄소와 셀레늄 계면 사이에 보다 우수한 전기 전도도를 초래하고, 이는 높은 C-레이트에서 관찰되는 사이클링 성능을 달성하는데 도움을 줄 수 있는 것으로 여겨진다.A Li-Se battery containing immobilized selenium can recover its specific capacity to 670 mAh/g, 98% of its total capacity, when cycled at 0.1 C-rate at the start of the test. This is because (1) stabilization of selenium in the immobilized selenium cathode prevents selenium from leaving the carbon skeleton, which prevents selenium from shuttling between the cathode and anode during cycling, so that the cell has improved cycling performance. can; (2) Sp 2 carbon-carbon bonds and carbon skeletons, selenium-selenium bonds, and carbon-selenium interactions can both be under compression, possibly within the carbon skeleton, in selenium particles, and between carbon and selenium interfaces. It results in better electrical conductivity, which is believed to help achieve the cycling performance observed at high C-rates.
본원에 기재된 원리에 따라 제조된 셀레늄 및 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄 바디는 하기 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:An immobilized selenium body comprising selenium and carbon prepared according to the principles described herein may include one or more of the following characteristics:
(a) 셀레늄 입자가 고정화된 셀레늄을 빠져 나가기 위해 필요한 운동 에너지는 9.5 kJ/몰 이상, 9.7 kJ/몰 이상, 9.9 kJ/몰 이상, 10.1 kJ/몰 이상, 10.3 kJ/몰 이상, 또는 10.5 kJ/몰 이상일 수 있다; (a) the kinetic energy required for selenium particles to escape immobilized selenium is at least 9.5 kJ/mole, at least 9.7 kJ/mole, at least 9.9 kJ/mole, at least 10.1 kJ/mole, at least 10.3 kJ/mole, or 10.5 kJ /mole or more;
(b) 셀레늄 입자가 고정화된 셀레늄을 빠져 나가기 위해 필요한 온도는 490℃ 이상, 500℃ 이상, 510℃ 이상, 520℃ 이상, 530℃ 이상, 540℃ 이상, 550℃ 이상, 또는 560℃ 이상일 수 있다; (b) the temperature required for selenium particles to exit the immobilized selenium may be 490°C or higher, 500°C or higher, 510°C or higher, 520°C or higher, 530°C or higher, 540°C or higher, 550°C or higher, or 560°C or higher ;
(c) 탄소는 500 m2/g 이상, 600 m2/g이상, 700 m2/g 이상, 800 m2/g 이상, 900 m2/g 이상, 또는 1,000 m2/g 이상의 표면적 (20 옹스트롬 미만 기공의 경우)을 가질 수 있다;(c) carbon has a surface area of at least 500 m 2 /g, at least 600 m 2 /g, at least 700 m 2 /g, at least 800 m 2 /g, at least 900 m 2 /g, or at least 1,000 m 2 /g (20 for pores less than angstroms);
(d) 탄소는 총 표면적의 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하, 5% 이하, 3% 이하, 2% 이하, 1% 이하의 표면적 (20 옹스트롬과 1000 옹스트롬 사이의 기공의 경우)을 가질 수 있다;(d) carbon has a surface area (for pores between 20 angstroms and 1000 angstroms) of 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less, 3% or less, 2% or less, 1% or less of the total surface area can have;
(e) 탄소 및/또는 셀레늄은 압축하에 있을 수 있다. 탄소 및/또는 셀레늄이 압축하에 있지 않은 탄소-셀레늄 시스템에 비해 탄소 및/또는 셀레늄이 압축하에 있는 고정화된 셀레늄의 이점은 다음을 포함할 수 있다: 개선된 전자 유동, 전자 유동에 대한 감소된 저항, 또는 둘 다, 이것은 고정화된 셀레늄으로 이루어진 캐소드를 갖는 재충전식 전지의 충전 및 방전 동안 셀레늄 음이온으로부터 셀레늄으로의 전자 전달을 촉진시킬 수 있다;(e) the carbon and/or selenium may be under compression. Advantages of immobilized selenium with carbon and/or selenium under compression over carbon-selenium systems in which carbon and/or selenium are not under compression may include: improved electron flow, reduced resistance to electron flow , or both, it can facilitate electron transfer from selenium anions to selenium during charging and discharging of a rechargeable battery having a cathode made of immobilized selenium;
(f) 고정화된 셀레늄은 셀레늄이 고정화된 Se-C 복합 시스템으로부터 빠져 나가기 위해 종래의 (비고정화된) 셀레늄의 경우보다 더 높은 활성화 에너지를 갖는 셀레늄을 포함할 수 있다. 일례에서, 비고정화된 셀레늄 (Se-Super P 복합 시스템)에 대한 활성화 에너지는 ASTM 방법 E1641-16에 따라 92 kJ/몰인 것으로 결정되었다. 대조적으로, 일례에서, 셀레늄 및 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄 중의 셀레늄에 대한 활성화 에너지는 95 kJ/몰 이상, 98 kJ/몰 이상, 101 kJ/몰 이상, 104 kJ/몰 이상, 107 kJ/몰 이상, 또는 110 kJ/몰 이상일 수 있다. 또 다른 예에서, 셀레늄 및 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄 중의 셀레늄에 대한 활성화 에너지는 Se-Super P 복합체 중의 셀레늄에 대한 활성화 에너지보다 3% 이상, 6% 이상, 9% 이상, 12% 이상, 15% 이상 또는 18% 이상 더 클 수 있다;(f) Immobilized selenium may comprise selenium with a higher activation energy than that of conventional (unimmobilized) selenium for selenium to escape from the immobilized Se—C composite system. In one example, the activation energy for unimmobilized selenium (Se-Super P composite system) was determined to be 92 kJ/mole according to ASTM method E1641-16. In contrast, in one example, the activation energy for selenium in immobilized selenium comprising selenium and carbon is at least 95 kJ/mole, at least 98 kJ/mole, at least 101 kJ/mole, at least 104 kJ/mole, at least 107 kJ/mole. or more, or 110 kJ/mol or more. In another example, the activation energy for selenium in immobilized selenium comprising selenium and carbon is 3% or more, 6% or more, 9% or more, 12% or more, 15 or more than the activation energy for selenium in the Se-Super P complex. % or more or 18% or more;
(g) 고정화된 셀레늄은 비고정화된 셀레늄보다 더 높은 충돌 빈도를 갖는 셀레늄을 포함할 수 있다. 일례에서, 비고정화된 셀레늄에 대한 충돌 빈도는 ATSM 방법 E1641-16에 따라 2.27×105인 것으로 결정되었다. 대조적으로, 일례에서, 셀레늄 및 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄 중의 셀레늄에 대한 충돌 빈도는 2.5×105 이상, 3.0×105 이상, 3.5×105 이상, 4.0×105 이상, 4.5×105 이상, 5.0×105 이상, 5.5×105 이상, 6.0×105 이상, 또는 8.0×105 이상일 수 있다. 고정화된 셀레늄은 Se-C 복합체 중의 비고정화된 셀레늄에 대한 것보다 10% 이상, 30% 이상, 50% 이상, 80% 이상, 100% 이상, 130% 이상, 150% 이상, 180% 이상, 또는 200% 이상의 충돌 빈도를 가질 수 있다; 그리고(g) Immobilized selenium may comprise selenium having a higher collision frequency than unimmobilized selenium. In one example, the collision frequency for unimmobilized selenium was determined to be 2.27×10 5 according to ATSM method E1641-16. In contrast, in one example, the collision frequency for selenium in immobilized selenium comprising selenium and carbon is at least 2.5×10 5 , at least 3.0×10 5 , at least 3.5×10 5 , at least 4.0×10 5 , and at least 4.5×10 5 or more, 5.0×10 5 or more, 5.5×10 5 or more, 6.0×10 5 or more, or 8.0×10 5 or more. The immobilized selenium is 10% or more, 30% or more, 50% or more, 80% or more, 100% or more, 130% or more, 150% or more, 180% or more, or It can have a collision frequency of 200% or more; and
(h) 고정화된 셀레늄은 비고정화된/종래의 셀레늄에 대한 운동 속도 상수의 1/5 이하, 1/10 이하, 1/50 이하, 1/100 이하, 1/500 이하, 또는 1/1000 이하인 운동 속도 상수를 갖는 셀레늄을 포함할 수 있다. 일례에서, 고정화된 셀레늄은 1×10-10 이하, 5×10-11 이하, 1×10-11 이하, 5×10-12 이하, 또는 5×10-13 이하의 운동 속도 상수 (50℃에서)를 갖는 셀레늄을 포함할 수 있다.(h) immobilized selenium is 1/5 or less, 1/10 or less, 1/50 or less, 1/100 or less, 1/500 or less, or 1/1000 or less of the kinetic rate constant for unimmobilized/conventional selenium; It may contain selenium with a kinetic rate constant. In one example, immobilized selenium has a kinetic rate constant (at 50°C) of 1×10 -10 or less, 5×10 -11 or less, 1×10 -11 or less, 5×10 -12 or less, or 5×10 -13 or less. ) may contain selenium having.
압축하에 있는 고정화된 셀레늄의 탄소 및/또는 셀레늄으로, 고정화된 셀레늄의 탄소 (또는 상기 탄소에 의해 정의된 탄소 골격)의 Sp2 C-C 결합에 대한 라만 스펙트럼의 D-밴드 및/또는 G-밴드는 탄소 공급원료로부터, 예를 들어, 1 cm-1 이상, 2 cm-1 이상, 3 cm-1 이상, 4 cm-1 이상, 또는 5 cm-1 이상의 적색 (포지티브) 시프트를 나타낼 수 있다.With carbon and/or selenium of immobilized selenium under compression, the D-band and/or G-band of the Raman spectrum for the Sp 2 CC bond of the carbon of immobilized selenium (or the carbon skeleton as defined by said carbon) is From the carbon feedstock, for example, it may exhibit a red (positive) shift of at least 1 cm −1 , at least 2 cm −1 , at least 3 cm −1 , at least 4 cm −1 , or at least 5 cm −1 .
압축하에 있는 고정화된 셀레늄의 탄소 및/또는 셀레늄으로, 셀레늄은 순수한 셀레늄 (235 cm-1)의 라만 피크로부터, 예를 들어, 4 cm-1 이상, 6 cm-1 이상, 8 cm-1 이상, 10 cm-1 이상, 12 cm-1 이상, 14 cm-1 이상 또는 16 cm-1 이상 적색 (포지티브) 시프트를 가질 수 있으며, 이러한 적색 시프트는 셀레늄 입자에 대한 압축을 시사할 수 있다.As carbon and/or selenium of immobilized selenium under compression, selenium is derived from the Raman peak of pure selenium (235 cm −1 ), for example 4 cm −1 or more, 6 cm −1 or more, 8 cm −1 or more , 10 cm −1 or more, 12 cm −1 or more, 14 cm −1 or more, or 16 cm −1 or more red (positive) shift, such a red shift may suggest compression for selenium particles.
고정화된 셀레늄은 원소 형태의 셀레늄 및/또는 화합물 형태의 셀레늄일 수 있다. The immobilized selenium may be selenium in elemental form and/or selenium in compound form.
셀레늄 및 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄은 또한, 예를 들어, 제한없이, 황 및/또는 텔루륨을 포함하는 주기율표의 6족으로부터 하나 이상의 추가의 원소(들) (이하, "추가의 6족 원소(들)")로 도핑될 수 있다. 도펀트 수준은 최소 100 중량 ppm 내지 고정화된 셀레늄의 최대 85% 범위일 수 있다. 일례에서, 고정화된 셀레늄은 15% - 70% 탄소 및 30% - 85% 셀레늄 및 임의로 추가의 6족 원소(들)을 포함할 수 있다. 일례에서, 고정화된 셀레늄은 (1) 15% - 70% 탄소 및 (2) 30% - 85% 셀레늄 + 추가의 6족 원소(들) 혼합물을 포함할 수 있다. 셀레늄 ± 추가의 6족 원소(들)를 포함하는 혼합물에서, 추가의 6족 원소(들)는 혼합물의 0.1%와 99% 사이를 차지할 수 있고 셀레늄은 혼합물의 1%와 99.9% 사이를 차지할 수 있다. 그러나, 셀레늄 + 추가의 6족 원소(들)의 이러한 범위는 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다.Immobilized selenium, including selenium and carbon, can also be defined as one or more additional element(s) from
고정화된 셀레늄은 5% 이상의 셀레늄, 10% 이상의 셀레늄, 20% 이상의 셀레늄, 30% 이상, 40% 이상의 셀레늄, 50% 이상의 셀레늄, 60% 이상의 셀레늄, 또는 70% 이상의 셀레늄을 포함할 수 있다.The immobilized selenium may comprise at least 5% selenium, at least 10% selenium, at least 20% selenium, at least 30%, at least 40% selenium, at least 50% selenium, at least 60% selenium, or at least 70% selenium.
고정화된 셀레늄은 또 다른 원소, 예를 들어, 황, 텔루륨 등을 임의로 포함할 수 있다.The immobilized selenium may optionally include another element, such as sulfur, tellurium, and the like.
고정화된 셀레늄은 라만-비활성 또는 라만-활성일 수 있다. 라만-활성이면, 고정화된 셀레늄은 255 ± 25 cm-1에서, 255 ± 15 cm-1에서, 또는 255 ± 10 cm-1에서 라만 상대적 피크 강도를 가질 수 있다.The immobilized selenium may be Raman-inactive or Raman-active. If Raman-active, immobilized selenium can have a Raman relative peak intensity at 255 ± 25 cm -1 , at 255 ± 15 cm -1 , or at 255 ± 10 cm -1 .
고정화된 셀레늄은 0.1% 이상, 0.5% 이상, 1% 이상, 3% 이상, 또는 5% 이상의 라만 상대적 피크 강도를 갖는 셀레늄을 포함할 수 있으며, 여기서, 라만 상대적 피크 강도는 탄소 라만 스펙트럼의 D-밴드 피크의 면적에 대한 255 cm-1에서의 라만 피크의 면적으로서 정의된다.The immobilized selenium may comprise selenium having a Raman relative peak intensity of at least 0.1%, at least 0.5%, at least 1%, at least 3%, or at least 5%, wherein the Raman relative peak intensity is the D- of the carbon Raman spectrum. It is defined as the area of the Raman peak at 255 cm −1 relative to the area of the band peak.
고정화된 셀레늄을 포함하는 탄소가 셀레늄 고정화를 위한 탄소 골격으로서 작용할 수 있다. 탄소 골격은 1365 ± 100 cm-1에 위치한 라만 D-밴드 및 1589 ± 100 cm-1에 위치한 G-밴드; 1365 ± 70 cm-1에 위치한 D-밴드 및 1589 ± 70 cm-1에 위치한 G-밴드; 1365 ± 50 cm-1에 위치한 D-밴드 및 1589 ± 50 cm-1에 위치한 G-밴드; 1365 ± 30 cm-1에 위치한 D-밴드 및 1589 ± 30 cm-1에 위치한 G-밴드; 또는 1365 ± 20 cm-1에 위치한 D-밴드 및 1589 ± 20 cm-1에 위치한 G-밴드와 함께 Sp2-탄소-탄소 결합을 가질 수 있다.Carbon comprising immobilized selenium may serve as a carbon backbone for selenium immobilization. The carbon skeleton includes a Raman D-band located at 1365 ± 100 cm -1 and a G-band located at 1589 ± 100 cm -1 ; D-band located at 1365 ± 70 cm -1 and G-band located at 1589 ± 70 cm -1 ; D-band located at 1365 ± 50 cm -1 and G-band located at 1589 ± 50 cm -1 ; D-band located at 1365 ± 30 cm -1 and G-band located at 1589 ± 30 cm -1 ; or an Sp 2 -carbon-carbon bond with a D-band located at 1365 ± 20 cm -1 and a G-band located at 1589 ± 20 cm -1 .
고정화된 셀레늄의 탄소는 D-밴드 및 G-밴드를 특징으로 하는 라만 피크를 갖는 Sp2 탄소-탄소 결합을 포함할 수 있다. G-밴드에 대한 D-밴드의 면적의 비는 0.01 내지 100, 0.1 내지 50, 또는 0.2 내지 20일 수 있다. The carbon of immobilized selenium may contain an Sp 2 carbon-carbon bond with a Raman peak characterized by a D-band and a G-band. The ratio of the area of the D-band to the G-band may be 0.01 to 100, 0.1 to 50, or 0.2 to 20.
고정화된 셀레늄의 탄소는 D-밴드 및 G-밴드를 특징으로 하는 라만 피크를 갖는 Sp2 탄소-탄소 결합을 포함할 수 있다. 각각의 D-밴드 및 G-밴드는 1 cm-1 이상, 2 cm-1 이상 또는 그 이상의 더 높은 파수로 시프트될 수 있다. The carbon of immobilized selenium may contain an Sp 2 carbon-carbon bond with a Raman peak characterized by a D-band and a G-band. Each D-band and G-band may be shifted to a higher wavenumber of 1 cm −1 or more, 2 cm −1 or more, or more.
고정화된 셀레늄의 탄소는 주기율표에서 하나 이상의 다른 원소들로 도핑될 수 있다.The carbon of immobilized selenium can be doped with one or more other elements in the periodic table.
고정화된 셀레늄의 탄소는 다공성 일 수 있다. 탄소 골격의 기공 크기 분포는 1 옹스트롬과 수 미크론 사이의 범위일 수 있다. 기공 크기 분포는 1 옹스트롬과 1000 옹스트롬 사이, 1옹스트롬과 100 옹스트롬 사이, 1 옹스트롬과 50 옹스트롬 사이, 1 옹스트롬과 30 옹스트롬 사이, 또는 1 옹스트롬과 20 옹스트롬 사이에 위치한 적어도 하나의 피크를 가질 수 있다. 탄소 골격의 다공도는 전술한 범위에서 하나 이상의 피크를 갖는 기공 크기 분포를 가질 수 있다.The carbon of immobilized selenium may be porous. The pore size distribution of the carbon backbone can range between 1 angstrom and a few microns. The pore size distribution may have at least one peak located between 1 angstroms and 1000 angstroms, between 1 angstroms and 100 angstroms, between 1 angstroms and 50 angstroms, between 1 angstroms and 30 angstroms, or between 1 angstroms and 20 angstroms. The porosity of the carbon backbone may have a pore size distribution with one or more peaks in the aforementioned ranges.
고정화된 셀레늄의 탄소는 0.01 mL/g과 5 mL/g 사이; 0.01 mL/g과 3 mL/g 사이; 0.03 mL/g과 2.5 mL/g 사이; 또는 0.05 mL/g과 2.0 mL/g 사이의 기공 부피를 포함할 수 있다. The carbon of immobilized selenium is between 0.01 mL/g and 5 mL/g; between 0.01 mL/g and 3 mL/g; between 0.03 mL/g and 2.5 mL/g; or between 0.05 mL/g and 2.0 mL/g.
고정화된 셀레늄의 탄소는 총 측정 가능한 기공 부피의 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 또는 80% 초과일 수 있는 (100 옹스트롬 미만, 50 옹스트롬 미만, 30 옹스트롬 미만, 또는 20 옹스트롬 미만의 기공 크기를 갖는) 기공 부피를 포함할 수 있다.The carbon of immobilized selenium may be greater than 30%, greater than 40%, greater than 50%, greater than 60%, greater than 70%, or greater than 80% of the total measurable pore volume (less than 100 angstroms, less than 50 angstroms, 30 angstroms). less than, or having a pore size of less than 20 angstroms).
고정화된 셀레늄의 탄소는 400 m2/g 초과, 500 m2/g 초과, 600 m2/g 초과, 700 m2/g 초과, 800 m2/g 초과, 900 m2/g 초과, 또는 1000 m2/g 초과의 표면적을 포함할 수 있다.The carbon of immobilized selenium is greater than 400 m 2 /g, greater than 500 m 2 /g, greater than 600 m 2 /g, greater than 700 m 2 /g, greater than 800 m 2 /g, greater than 900 m 2 /g, or 1000 surface area greater than m 2 /g.
고정화된 셀레늄의 탄소는 비정질일 수 있으며, 약 5.2 옹스트롬의 d-간격을 중심으로 넓은 피크를 가질 수 있다.The carbon of immobilized selenium may be amorphous and may have a broad peak centered on a d-spacing of about 5.2 angstroms.
고정화된 셀레늄의 탄소는 임의의 모폴로지, 판상형, 구, 섬유, 바늘, 관형, 불규칙, 상호연결된, 응집된, 이산, 또는 임의의 고체 입자일 수 있다. 판상형, 섬유, 바늘, 관형 또는 특정 수준의 종횡 비를 갖는 일부 모폴로지가 보다 양호한 입자간 접촉을 달성하여 (상이한 종횡 비로부터 제조된 고정화된 셀레늄을 능가하는) 증진된 전기 전도도를 초래하는데 유리할 수 있으며, 이것이 전기화학적 셀, 예컨대 재충전식 전지에 유리할 수 있다.The carbon of immobilized selenium can be of any morphology, platelet, sphere, fiber, needle, tubular, irregular, interconnected, agglomerated, discrete, or any solid particle. Platelet, fiber, needle, tubular, or some morphologies with a certain level of aspect ratio may be advantageous in achieving better interparticle contact, resulting in enhanced electrical conductivity (beyond immobilized selenium prepared from different aspect ratios); , this may be advantageous for electrochemical cells, such as rechargeable cells.
고정화된 셀레늄의 탄소는 1 - 9 나노미터와 2 밀리미터 사이, 1 - 9 나노미터와 1000 미크론 미만 사이, 또는 20 나노미터와 100 미크론 사이의 중간 입자 크기를 갖는, 임의의 입자 크기일 수 있다.The carbon of immobilized selenium can be of any particle size, with a median particle size between 1-9 nanometers and 2 millimeters, between 1-9 nanometers and less than 1000 microns, or between 20 nanometers and 100 microns.
고정화된 셀레늄의 셀레늄은, 예를 들어, X-선 회절에 의해 결정된 바와 같이 비정질 수 있다. 약 5.2 옹스트롬의 d-간격을 가질 수 있는 고정화된 셀레늄의 회절 피크는 탄소 골격의 회절 피크보다 약화될 수 있으며, 예를 들어, 10% 약화, 20% 약화, 30% 약화, 또는 40% 더 약화될 수 있다.The selenium of immobilized selenium may be amorphous, for example, as determined by X-ray diffraction. The diffraction peak of immobilized selenium, which may have a d-spacing of about 5.2 angstroms, may be attenuated than the diffraction peak of the carbon skeleton, e.g., 10% attenuation, 20% attenuation, 30% attenuation, or 40% more attenuation. can be
일례에서, 고정화된 셀레늄을 제조하는 방법은 다음을 포함할 수 있다: In one example, a method for preparing immobilized selenium may include:
(a) 탄소와 셀레늄을 물리적으로 혼합하는 단계. 물리적 혼합은 볼-밀링 (건식 및 습식), 모르타르 및 막자를 사용한 혼합 (건식 또는 습식), 제트-밀링, 수평 밀링, 마찰 밀링, 슬러리 내 고전단 혼합, 블레이드를 사용한 규칙적 슬러리 혼합 등에 의해 이루어질 수 있고;(a) physically mixing carbon and selenium. Physical mixing can be accomplished by ball-milling (dry and wet), mixing with mortar and pestle (dry or wet), jet-milling, horizontal milling, friction milling, high shear mixing in the slurry, regular mixing of the slurry using a blade, etc. there is;
(b) 단계 (a)의 물리적으로 혼합된 탄소와 셀레늄을 셀레늄의 용융 온도 이상에서 가열할 수 있다. 탄소와 셀레늄 혼합물의 가열은 아르곤, 헬륨, 질소 등과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 불활성 가스 환경의 존재에서, 또는 공기 또는 반응성 환경에서 발생할 수 있고;(b) The physically mixed carbon and selenium of step (a) may be heated above the melting temperature of the selenium. The heating of the carbon and selenium mixture may occur in the presence of an inert gas environment, such as, but not limited to, argon, helium, nitrogen, etc., or in air or a reactive environment;
(c) 임의로 가열된 탄소와 셀레늄을 균질화 또는 블렌딩하여 셀레늄 고정화를 달성하는 단계; 및(c) optionally homogenizing or blending the heated carbon and selenium to achieve selenium immobilization; and
(d) 단계 (c)의 고정화된 셀레늄을 주위 또는 실온으로 냉각시키는 단계.(d) cooling the immobilized selenium of step (c) to ambient or room temperature.
또 다른 예에서, 고정화된 셀레늄은 셀레늄을 탄소 상에 용해시킨 후 기화시킴으로써 제조될 수 있다. 셀레늄을 용해시키기 위한 용매는 알코올, 에테르, 에스테르, 케톤, 탄화수소, 할로겐화된 탄화수소, 질소-함유 화합물, 인 함유 화합물, 황-함유 화합물, 물 등일 수 있다.In another example, immobilized selenium can be prepared by dissolving selenium on carbon and then vaporizing it. The solvent for dissolving selenium may be an alcohol, ether, ester, ketone, hydrocarbon, halogenated hydrocarbon, nitrogen-containing compound, phosphorus-containing compound, sulfur-containing compound, water or the like.
또 다른 예에서, 고정화된 셀레늄은 셀레늄을 탄소 상에 용융시킨 후, 여분의 또는 과량의 비고정화된 셀레늄을 제거함으로써 제조될 수 있다.In another example, immobilized selenium can be prepared by melting selenium onto carbon and then removing excess or excess unimmobilized selenium.
일례에서, 고정화된 셀레늄을 제조하는 방법은 다음을 포함할 수 있다:In one example, a method for preparing immobilized selenium may include:
(a) 셀레늄과 탄소를 건식 또는 습식 조건하에 함께 혼합하는 단계; (a) mixing selenium and carbon together under dry or wet conditions;
(b) 단계 (a)의 혼합물을 승온에서 임의로 건조시키는 단계;(b) optionally drying the mixture of step (a) at an elevated temperature;
(c) 단계 (b)의 건조된 혼합물을 임의로 펠릿화하는 단계;(c) optionally pelletizing the dried mixture of step (b);
(d) 셀레늄을 탄소 내로 융융시켜 고정화된 셀레늄을 제조하는 단계.(d) fusing selenium into carbon to prepare immobilized selenium.
고정화된 셀레늄은 재충전식 전지용 캐소드 재료로 사용될 수 있다. 캐소드는 무기 또는 유기 결합제를 포함할 수 있다. 무기 결합제는, 예를 들어, CMC와 같은 천연 제품, 또는, 예를 들어, SBR 고무 라텍스와 같은 합성 제품일 수 있다. 캐소드는, 예를 들어, 흑연-유도된 작은 입자, 그래핀, 탄소 나노-튜브, 탄소 나노-시트, 카본 블랙 등과 같은 임의의 전기-전도성 촉진제를 포함할 수 있다. 마지막으로, 캐소드는, 예를 들어, 알루미늄 포일, 구리 포일, 탄소 포일, 탄소 패브릭 또는 다른 금속 포일과 같은 전하 집전체를 포함할 수 있다.Immobilized selenium can be used as a cathode material for rechargeable batteries. The cathode may comprise an inorganic or organic binder. The inorganic binder may be, for example, a natural product, such as CMC, or a synthetic product, such as, for example, SBR rubber latex. The cathode may include any electrically-conductive promoter, such as, for example, graphite-derived small particles, graphene, carbon nano-tubes, carbon nano-sheets, carbon black, and the like. Finally, the cathode may comprise a charge current collector such as, for example, aluminum foil, copper foil, carbon foil, carbon fabric or other metal foil.
캐소드를 제조하는 방법은 고정화된 셀레늄-함유 슬러리를 전하 집전체 상에 코팅한 후, 슬러리 코팅된 전하 집전체를 건조시키는 단계 (예를 들어, 공기 건조, 오븐-건조, 진공 오븐-건조 등)를 포함할 수 있다. 고정화된 셀레늄은 슬러리에 분산될 수 있으며, 이는 고전단 혼합기, 일반 혼합기, 유성형 혼합기, 이중-유성형 혼합기, 볼 밀, 수직 마멸기, 수평 밀 등에 의해 제조될 수 있다. 이어서, 슬러리를 전하 집전체 상에 코팅한 후, 공기 또는 진공 중에서 건조시킬 수 있다. 코팅된 캐소드는 재충전식 전지에 사용하기 전에 가압 또는 롤러-밀링 (또는 캘린더링) 될 수 있다. A method for preparing a cathode comprises coating an immobilized selenium-containing slurry on a charge collector, followed by drying the slurry-coated charge collector (eg, air drying, oven-drying, vacuum oven-drying, etc.) may include. The immobilized selenium may be dispersed in the slurry, which may be prepared by a high shear mixer, a normal mixer, a planetary mixer, a double-planetary mixer, a ball mill, a vertical attritor, a horizontal mill, and the like. The slurry can then be coated onto a charge current collector and then dried in air or vacuum. The coated cathode may be pressed or roller-milled (or calendered) prior to use in the rechargeable battery.
재충전식 전지는 본원에 기재된 고정화된 셀레늄을 사용하여 제조될 수 있다. 재충전식 전지는 고정화된 셀레늄을 포함하는 캐소드, 애노드, 및 애노드와 캐소드를 분리하는 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 애노드, 캐소드, 및 세퍼레이터는, 예를 들어, LiPF6과 같은 전해질에 침지될 수 있다. 애노드는 리튬, 나트륨, 실리콘, 흑연, 마그네슘, 주석 등으로 구성될 수 있다.Rechargeable cells can be made using the immobilized selenium described herein. The rechargeable battery may include a cathode comprising immobilized selenium, an anode, and a separator separating the anode and the cathode. The anode, cathode, and separator may be immersed in an electrolyte such as , for example, LiPF 6 . The anode may be composed of lithium, sodium, silicon, graphite, magnesium, tin, or the like.
세퍼레이터는 유기 세퍼레이터, 무기 세퍼레이터, 또는 고체 전해질 세퍼레이터로 구성될 수 있다. 유기 세퍼레이터는, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 할로겐화 중합체, 폴리에테르, 폴리케톤 등과 같은 중합체를 포함할 수 있다. 무기 세퍼레이터는 유리 또는 석영 섬유, 또는 고체 전해질 세퍼레이터를 포함할 수 있다.The separator may be composed of an organic separator, an inorganic separator, or a solid electrolyte separator. The organic separator may include, for example, a polymer such as polyethylene, polypropylene, polyester, halogenated polymers, polyethers, polyketones, and the like. The inorganic separator may include glass or quartz fibers, or a solid electrolyte separator.
전해질은 유기 용매 중 리튬 염, 나트륨 염, 또는 IA, IIA, 및 IIIA 족으로부터의 다른 염을 포함할 수 있다. 유기 용매는 유기 카보네이트 화합물, 에테르, 알코올, 에스테르, 탄화수소, 할로겐화된 탄화수소, 리튬 함유-용매 등을 포함할 수 있다.The electrolyte may comprise a lithium salt, a sodium salt, or other salts from Groups IA, IIA, and IIIA in an organic solvent. Organic solvents may include organic carbonate compounds, ethers, alcohols, esters, hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, lithium-containing-solvents, and the like.
재충전식 전지는 전자제품, 전기 또는 하이브리드 차량, 산업 적용분야, 군사 적용분야, 예컨대 드론, 항공우주 적용분야, 해양 적용분야 등에 사용될 수 있다.Rechargeable batteries may be used in electronics, electric or hybrid vehicles, industrial applications, military applications such as drones, aerospace applications, marine applications, and the like.
재충전식 전지는 셀레늄의 활성량에 대해 400 mAh/g 이상, 셀레늄의 활성량에 대해 450 mAh/g 이상, 셀레늄의 활성량에 대해 500 mAh/g 이상, 셀레늄의 활성량에 대해 550 mAh/g 이상, 또는 셀레늄의 활성량에 대해 600 mAh/g 이상의 전기화학적 용량을 가질 수 있다.The rechargeable battery has at least 400 mAh/g for the active amount of selenium, at least 450 mAh/g for the active amount of selenium, at least 500 mAh/g for the active amount of selenium, and at least 550 mAh/g for the active amount of selenium. or more, or an electrochemical capacity of 600 mAh/g or more with respect to the active amount of selenium.
재충전식 전지는 50 사이클 이상, 75 사이클 이상, 100 사이클 이상, 200 사이클 이상 등 동안 전기화학적 사이클링을 겪을 수 있다.The rechargeable battery may undergo electrochemical cycling for at least 50 cycles, at least 75 cycles, at least 100 cycles, at least 200 cycles, and the like.
재충전식 전지는 0.1C, 0.2 C, 0.5C, 1C, 1.5 C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C에서 또는 더 빨리 충전 및/또는 방전될 수 있다.The rechargeable battery can be charged and/or discharged at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster.
재충전식 전지는 높은 C-레이트 충전-방전 사이클링 (0.1C에서 5 사이클, 0.2C에서 5 사이클, 0.5C에서 5 사이클, 1C에서 5 사이클, 2C에서 5 사이클, 5C에서 5 사이클, 및 10C에서 5 사이클)을 수행한 후에, 0.1C의 사이클링 레이트에서 2번째 방전 비용량의 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과 또는 80% 초과의 전지 비용량을 유지할 수 있다. Rechargeable cells have high C-rate charge-discharge cycling (5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles at 1C, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C, and 5 cycles at 10C). cycle), it is possible to maintain a cell specific capacity greater than 30%, greater than 40%, greater than 50%, greater than 60%, greater than 70% or greater than 80% of the second discharge specific capacity at a cycling rate of 0.1C. .
재충전식 전지는 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상 또는 최대 약 100% 쿨롱 효율을 가질 수 있다. The rechargeable battery may have a coulombic efficiency of 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, 90% or more, or up to about 100% coulombic efficiency.
전지의 쿨롱 효율은 다음과 같이 정의된다: The coulombic efficiency of a cell is defined as:
여기서, ηc는 쿨롱 효율 (%)이고, where ηc is the coulombic efficiency (%),
Qout는 방전 사이클 동안 전지를 빠져 나가는 전하의 양이고,Qout is the amount of charge that leaves the cell during the discharge cycle,
Qin은 충전 사이클 동안 전지로 들어가는 전하의 양이다.Qin is the amount of charge entering the cell during the charge cycle.
재충전식 전지는 0.1C, 0.2 C, 0.5C, 1C, 1.5 C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C에서 또는 더 빠른 C-레이트에서 충전될 수 있다. C-레이트는 최대 용량에 관련하여 전지가 방전되는 레이트를 측정한 것이다. 예를 들어, 1C 레이트는 방전 전류가 1시간 내에 전체 전지를 방전시킨다는 것을 의미한다. 예를 들어, 100 Amp-hr의 용량을 갖는 전지의 경우, 이는 100 Amp의 방전 전류와 같다. 이러한 동일한 전지에 대한 5C 레이터는 500 Amp일 것이며 0.5C 레이트는 50 Amp일 것이다. Rechargeable cells can be charged at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or at a faster C-rate. C-rate is a measure of the rate at which a cell discharges in relation to its maximum capacity. For example, a 1C rate means that the discharge current will discharge the entire cell in 1 hour. For example, for a cell with a capacity of 100 Amp-hr, this equals a discharge current of 100 Amp. A 5C rate for this same cell would be 500 Amp and a 0.5C rate would be 50 Amp.
재충전식 전지의 캐소드는 칼코겐 그룹, 예컨대 셀레늄, 황, 텔루륨, 및 산소 중 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다.The cathode of the rechargeable battery may include an element of a chalcogen group, such as at least one of selenium, sulfur, tellurium, and oxygen.
재충전식 전지의 애노드는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 및 IIIA족 금속 중 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다. The anode of the rechargeable battery may include at least one element of an alkali metal, an alkaline earth metal, and a Group IIIA metal.
재충전식 전지의 세퍼레이터는 유기 세퍼레이터 또는 무기 세퍼레이터를 포함할 수 있다.The separator of the rechargeable battery may include an organic separator or an inorganic separator.
재충전식 전지의 전해질은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 및 IIIA족 금속 중 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있으며; 전해질의 용매는 유기 용매, 카보네이트-기반, 에테르-기반 또는 에스테르-기반을 포함할 수 있다.The electrolyte of the rechargeable battery may include at least one element of an alkali metal, an alkaline earth metal, and a Group IIIA metal; The solvent of the electrolyte may include an organic solvent, carbonate-based, ether-based or ester-based.
재충전식 전지는 400 mAh/g 이상, 450 mAh/g 이상, 500 mAh/g 이상, 550 mAh/g 이상, 또는 ≥ 600 mAh/g 이상의 비용량을 가질 수 있다.The rechargeable battery may have a specific capacity of at least 400 mAh/g, at least 450 mAh/g, at least 500 mAh/g, at least 550 mAh/g, or at least ≧600 mAh/g.
재충전식 전지는 50 사이클 이상, 75 사이클 이상, 100 사이클 이상, 200 사이클 이상 등 동안 전기화학적 사이클링을 겪을 수 있다.The rechargeable battery may undergo electrochemical cycling for at least 50 cycles, at least 75 cycles, at least 100 cycles, at least 200 cycles, and the like.
재충전식 전지는 높은 C-레이트 충전-방전 사이클링 (0.1C에서 5 사이클, 0.2C에서 5 사이클, 0.5C에서 5 사이클, 1C에서 5 사이클, 2C에서 5 사이클, 5C에서 5 사이클, 및 10C에서 5 사이클)을 수행한 후에, 0.1C의 사이클링 레이트에서 제2 방전 비용량의 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과 또는 80% 초과의 비용량을 가질 수 있다.Rechargeable cells have high C-rate charge-discharge cycling (5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 0.2C, 5 cycles at 0.5C, 5 cycles at 1C, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C, and 5 cycles at 10C). cycle), it may have a specific capacity of greater than 30%, greater than 40%, greater than 50%, greater than 60%, greater than 70%, or greater than 80% of the second discharge specific capacity at a cycling rate of 0.1C.
재충전식 전지는 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 또는 90% 이상의 쿨롱 효율을 가질 수 있다.The rechargeable battery may have a coulombic efficiency of at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, or at least 90%.
또한 셀레늄 및 탄소를 포함하는 복합체가 개시되어 있으며, 상기 복합체는 1 이상, 2 이상, 5 이상, 10 이상, 또는 20 이상의 종횡 비를 갖는 판상형 모폴로지를 가질 수 있다.Also disclosed is a composite comprising selenium and carbon, wherein the composite may have a plate-like morphology having an aspect ratio of 1 or more, 2 or more, 5 or more, 10 or more, or 20 or more.
복합체의 셀레늄은, 예를 들어, X-선 회절에 의해 결정된 바와 같이 비정질 수 있다. 약 5.2 옹스트롬의 d-간격을 가질 수 있는 셀레늄의 회절 피크는 탄소 골격에 대한 회절 피크보다 약화될 수 있는, 예를 들어, 10% 약화, 20% 약화, 30% 약화, 또는 40% 약화될 수 있다.The selenium of the complex may be amorphous as determined by, for example, X-ray diffraction. The diffraction peak of selenium, which may have a d-spacing of about 5.2 angstroms, may be attenuated by, for example, 10% attenuation, 20% attenuation, 30% attenuation, or 40% attenuation, than the diffraction peak for the carbon backbone. have.
일례에서, 복합체를 제조하는 방법은 다음을 포함할 수 있다:In one example, a method for preparing the composite may include:
(a) 탄소 및 셀레늄의 물리적 혼합. 물리적 혼합은 볼-밀링 (건식 및 습식), 모르타르 및 막자를 사용한 혼합 (건식 또는 습식), 제트-밀링, 수평 밀링, 마찰 밀링, 슬러리 내 고전단 혼합, 블레이드를 사용한 규칙적 슬러리 혼합 등에 의한 것일 수 있으며;(a) Physical mixing of carbon and selenium. Physical mixing can be by ball-milling (dry and wet), mixing with mortar and pestle (dry or wet), jet-milling, horizontal milling, friction milling, high shear mixing in the slurry, regular mixing of the slurry with a blade, etc. there is;
(b) 단계(a)의 물리적으로 혼합된 탄소와 셀레늄을 셀레늄의 용융 온도 이상에서 가열할 수 있고 상기 가열은, 예를 들어, 아르곤, 헬륨, 질소 등과 같은 불활성 가스 환경의 존재에서, 또는 공기 또는 반응성 환경에서 발생할 수 있으며;(b) the physically mixed carbon and selenium of step (a) may be heated above the melting temperature of the selenium, wherein the heating is performed, for example, in the presence of an inert gas environment such as argon, helium, nitrogen, etc., or air or in a reactive environment;
(c) 단계 (b)의 가열된 탄소 및 셀레늄을 균질화 또는 블렌딩하여 셀레늄 고정화를 달성하는 단계.(c) homogenizing or blending the heated carbon and selenium of step (b) to achieve selenium immobilization.
또 다른 예에서, 복합체는 셀레늄을 탄소 상에 용해시킨 후 기화시킴으로써 제조될 수 있다. 셀레늄을 용해시키기 위한 용매는 알코올, 에테르, 에스테르, 케톤, 탄화수소, 할로겐화된 탄화수소, 질소-함유 화합물, 인 함유 화합물, 황-함유 화합물, 물 등을 포함할 수 있다. In another example, the composite can be prepared by dissolving selenium on carbon and then vaporizing it. Solvents for dissolving selenium may include alcohols, ethers, esters, ketones, hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, nitrogen-containing compounds, phosphorus-containing compounds, sulfur-containing compounds, water, and the like.
복합체는 셀레늄을 탄소 상으로 (또는 내에) 용융시킨 후, 여분의 또는 과량의 비고정화된 셀레늄을 제거함으로써 제조될 수 있다.Composites can be prepared by melting selenium onto (or in) carbon and then removing excess or excess unimmobilized selenium.
일례에서, 복합체를 제조하는 방법은 다음을 포함할 수 있다:In one example, a method for preparing the composite may include:
(a) 셀레늄과 탄소를 건식 또는 습식 조건하에 함께 혼합하는 단계; (a) mixing selenium and carbon together under dry or wet conditions;
(b) 단계 (a)의 혼합물을 승온에서 임의로 건조시키는 단계;(b) optionally drying the mixture of step (a) at an elevated temperature;
(c) 단계 (b)의 건조된 혼합물을 임의로 펠릿화하는 단계;(c) optionally pelletizing the dried mixture of step (b);
(d) 셀레늄을 탄소 내에 용융시켜 고정화된 셀레늄을 제조하는 단계.(d) melting selenium in carbon to produce immobilized selenium.
복합체는 재충전식 전지의 캐소드용 캐소드 재료로서 사용될 수 있다. 캐소드는 무기 또는 유기 결합제를 포함할 수 있다. 무기 결합제는, 예를 들어, CMC와 같은 천연 제품, 또는, 예를 들어, SBR 고무 라텍스와 같은 합성 제품일 수 있다. 캐소드는, 예를 들어, 흑연-유도된 작은 입자, 그래핀, 탄소 나노-튜브, 탄소 나노-시트, 카본 블랙 등과 같은 임의의 전기-전도성 촉진제를 포함할 수 있다. 마지막으로, 캐소드는, 예를 들어, 알루미늄 포일, 구리 포일, 탄소 포일, 탄소 패브릭 또는 다른 금속 포일과 같은 전하 집전체를 포함할 수 있다.The composite can be used as a cathode material for the cathode of a rechargeable battery. The cathode may comprise an inorganic or organic binder. The inorganic binder may be, for example, a natural product, such as CMC, or a synthetic product, such as, for example, SBR rubber latex. The cathode may include any electrically-conductive promoter, such as, for example, graphite-derived small particles, graphene, carbon nano-tubes, carbon nano-sheets, carbon black, and the like. Finally, the cathode may comprise a charge current collector such as, for example, aluminum foil, copper foil, carbon foil, carbon fabric or other metal foil.
캐소드를 제조하는 방법은 고정화된 셀레늄-함유 슬러리를 전하 집전체 상에 코팅한 후, 슬러리 코팅된 전하 집전체를 건조시키는 단계 (예를 들어, 공기 건조, 오븐-건조, 진공 오븐-건조 등)를 포함할 수 있다. 고정화된 셀레늄은 슬러리에 분산될 수 있으며, 이는 고전단 혼합기, 일반 혼합기, 유성형 혼합기, 이중-유성형 혼합기, 볼 밀, 수직 마멸기, 수평 밀 등에 의해 제조될 수 있다. 이어서, 슬러리를 전하 집전체 상에 코팅한 후, 공기 중에서 또는 진공에서 건조시킬 수 있다. 이어서, 코팅된 캐소드는 재충전식 전지에 사용하기 전에 압축 또는 롤러-밀링 (또는 캘린더링)될 수 있다. A method for preparing a cathode comprises coating an immobilized selenium-containing slurry on a charge collector, followed by drying the slurry-coated charge collector (eg, air drying, oven-drying, vacuum oven-drying, etc.) may include. The immobilized selenium may be dispersed in the slurry, which may be prepared by a high shear mixer, a normal mixer, a planetary mixer, a double-planetary mixer, a ball mill, a vertical attritor, a horizontal mill, and the like. The slurry can then be coated onto a charge current collector and dried in air or in vacuum. The coated cathode may then be compacted or roller-milled (or calendered) prior to use in a rechargeable battery.
재충전식 전지는 상기 기재된 복합체를 사용하여 제조된다. 재충전식 전지는 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C에서 또는 더 빨리 충전될 수 있다.Rechargeable batteries are made using the composites described above. The rechargeable battery can be charged at 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 4C, 5C, 6C, 7C, 8C, 9C, 10C or faster.
실시예 13: 황으로 도핑된 고정화된 셀레늄, 전극, 및 이의 전지의 제조.Example 13: Preparation of Immobilized Selenium Doped with Sulfur, Electrodes, and Cells Thereof.
실시예 10에 기재된 원리 및 절차에 따라, 하기 표 4에 상세히 기재된 고정화된 황-도핑된 셀레늄의 합성에서 5 원자 퍼센트 (at%)의 셀레늄, 20 at%의 셀레늄, 35 at%의 셀레늄, 및 50 at%의 셀레늄을 별도로 황으로 대체하였다. 황-도핑된 고정화된 셀레늄의 샘플은 실시예 9에 기재된 원리 및 절차에 따라 제조된 탄소 골격으로 합성하였다.5 atomic percent (at %) selenium, 20 at % selenium, 35 at % selenium, and 50 at% of selenium was separately replaced with sulfur. A sample of sulfur-doped immobilized selenium was synthesized with a carbon skeleton prepared according to the principles and procedures described in Example 9.
[표 4][Table 4]
이어서, 이와 같이 제조된 고정화된 황-도핑된 셀레늄의 샘플을 사용하여 고정화된 셀레늄에 대해 실시예 11에 기재된 원리 및 절차에 따라 고정화된 황-도핑된 셀레늄을 포함하는 다수의 캐소드 (4)를 제조하였다.Then, using a sample of immobilized sulfur-doped selenium thus prepared, a plurality of
이어서, 본 실시예에서 이와 같이 제조된 고정화된 황-도핑된 셀레늄을 포함하는 캐소드는 실시예 12에 기재된 원리 및 절차에 따라 코인 셀 전지를 제조하기 위해 사용되었다.Then, the cathode comprising immobilized sulfur-doped selenium thus prepared in this Example was used to prepare a coin cell battery according to the principles and procedures described in Example 12.
이어서, 본 실시예에서 조립된 코인 셀 전지를 0.1C 및 1C 충전 및 방전 사이클링 레이트로 실시예 12에 또한 기재된 동일한 시험 프로토콜에 따라 실시예 12에 기재된 전지 시험기에서 시험하였다.The coin cell battery assembled in this Example was then tested in the cell tester described in Example 12 according to the same test protocol also described in Example 12 at 0.1C and 1C charge and discharge cycling rates.
고정화된 황-도핑된 셀레늄 샘플 (표 4에서 Se50S50)로 제조된 고정화된 황-도핑된 셀레늄 캐소드로 구성된 캐소드를 포함하는 코일 셀 전지에 대해 0.1C에서 전기화학적 사이클링 결과를 도 18에 나타내며, 2회(2nd) 사이클 방전 용량은 821 mAh/g이고 (이것은 우수한 것으로 간주됨) 95% 이상, 전형적으로 98% 이상 (이것은 또한 우수한 것으로 간주됨), 또는 최대 100% 지속적인 쿨롱 효율을 갖는다.The electrochemical cycling results at 0.1 C for a coil cell cell comprising a cathode composed of an immobilized sulfur-doped selenium cathode prepared with an immobilized sulfur-doped selenium sample (Se50S50 in Table 4) are shown in FIG. 18, 2 The 2 nd cycle discharge capacity is 821 mAh/g (which is considered good) and has a sustained coulombic efficiency of 95% or more, typically 98% or more (which is also considered good), or up to 100%.
셀레늄이 0.1C 사이클링 레이트에서 675 mAh/g의 화학량론적 비용량을 갖는다고 가정하면, 황 비용량은 약 1,178 mAh/g (이것은 황에 대해 우수한 것으로 간주됨)인 것으로 추정될 것이다. 95% 이상, 98% 이상 또는 최대 100% 쿨롱 효율은 상당한 양의 황이 캐소드와 애노드 사이를 셔틀링하지 않음을 나타낸다. 고정화된 황-도핑된 셀레늄 전지에서 황 종류는 카보네이트를 포함하는 전해질에서 잘 기능한다. 전형적으로, 황은 전해질로서 카보네이트를 갖는 Li-S 전지에서 잘 기능하지 않을 것으로 예상되며; 종래의 Li-S 전지는 전형적으로 에테르-기반 전해질을 사용한다. 카보네이트-기반 전해질은 전형적으로 본 리튬-이온 전지에 사용된다. 카보네이트-기반 전해질은 에테르-기반 전해질에 비해 보다 경제적이고 시장에서 훨씬 더 널리 이용 가능하다.Assuming that selenium has a stoichiometric specific capacity of 675 mAh/g at a 0.1C cycling rate, the specific sulfur capacity would be estimated to be about 1,178 mAh/g (which is considered good for sulfur). Coulombic efficiencies greater than 95%, greater than 98%, or up to 100% indicate that significant amounts of sulfur do not shuttle between the cathode and anode. In immobilized sulfur-doped selenium cells, the sulfur species function well in electrolytes containing carbonates. Typically, sulfur is not expected to function well in Li-S cells with carbonate as electrolyte; Conventional Li-S cells typically use an ether-based electrolyte. Carbonate-based electrolytes are typically used in the present lithium-ion cells. Carbonate-based electrolytes are more economical and much more widely available on the market than ether-based electrolytes.
고정화된 황-도핑된 셀레늄 샘플 (표 4에서 Se50S50)로 제조된 고정화된 황-도핑된 셀레늄 캐소드로 구성된 캐소드를 포함하는 코일 셀 전지에 대해 1C 사이클링 레이트에서의 전기화학적 사이클링 결과를 도 19에 나타내며, 2회 사이클 방전 용량은 724 mAh/g이고, 95% 이상, 전형적으로 98% 이상, 또는 최대 100% 지속적인 쿨롱 효율을 갖는다.The electrochemical cycling results at 1 C cycling rate for a coil cell cell comprising a cathode composed of an immobilized sulfur-doped selenium cathode prepared with an immobilized sulfur-doped selenium sample (Se50S50 in Table 4) are shown in FIG. 19 . , the two cycle discharge capacity is 724 mAh/g and has a sustained coulombic efficiency of at least 95%, typically at least 98%, or up to 100%.
셀레늄이 1C 사이클링 레이트에서 625 mAh/g의 비용량을 갖는다고 가정하면, 황 비용량은 약 966 mAh/g (이것 또한 예상치 못한 것임)인 것으로 추정될 것이다. 황은 절연체이며, 전기 전도성이 매우 낮다. 전형적으로, Li-S 전지는 1C 레이트와 같이 빠른 사이클링 레이트에서 잘 사이클링할 수 없다. Assuming that selenium has a specific capacity of 625 mAh/g at 1C cycling rate, the sulfur specific capacity would be estimated to be about 966 mAh/g (which is also unexpected). Sulfur is an insulator and has very low electrical conductivity. Typically, Li-S cells cannot cycle well at fast cycling rates such as the 1C rate.
알 수 있는 바와 같이, 재충전식 전지에서 캐소드 재료로서 사용되는 경우, 고정화된 황-도핑된 셀레늄은 Li-S 전지와 관련된 두 가지 근본적인 문제, 즉 셔틀링 효과 및 낮은 사이클링 레이트를 극복한다. 이러한 두 가지 문제가 해결되면, 고정화된 황-도핑된 셀레늄으로 구성된 캐소드를 포함하는 전지는 실제 적용분야에 있어서 높은 에너지 밀도 및 높은 전력 밀도를 가질 수 있다.As can be seen, when used as a cathode material in rechargeable batteries, immobilized sulfur-doped selenium overcomes two fundamental problems associated with Li-S cells: shuttling effects and low cycling rates. When these two problems are solved, a cell comprising a cathode composed of immobilized sulfur-doped selenium can have high energy density and high power density for practical applications.
알 수 있는 바와 같이, 일례에서, 고정화된 황-도핑된 셀레늄 시스템 또는 바디는 다음 단계를 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다: (a) 셀레늄, 탄소, 및 황을 혼합하여 셀레늄 - 탄소 - 황 혼합물을 형성하는 단계; (b) 단계 (a)의 혼합물을 셀레늄의 용융 온도를 초과하는 온도로 가열하는 단계; 및 (c) 단계 (b)의 가열된 혼합물을 주위 온도 또는 실온으로 냉각되도록 하여, 고정화된 황-도핑된 셀레늄 바디를 형성하는 단계.As can be seen, in one example, an immobilized sulfur-doped selenium system or body can be formed by a method comprising the steps of: (a) mixing selenium, carbon, and sulfur to selenium-carbon-sulfur forming a mixture; (b) heating the mixture of step (a) to a temperature above the melting temperature of selenium; and (c) allowing the heated mixture of step (b) to cool to ambient temperature or room temperature to form an immobilized sulfur-doped selenium body.
단계 (c)의 고정화된 황-도핑된 셀레늄 바디는 탄소 골격 바디에 셀레늄 및 황을 포함할 수 있다.The immobilized sulfur-doped selenium body of step (c) may comprise selenium and sulfur in the carbon skeleton body.
단계 (a)는 건식 또는 습식 조건하에 일어날 수 있다.Step (a) may occur under dry or wet conditions.
단계 (b)는 혼합물을 균질화 또는 블렌딩하는 단계를 포함할 수 있다. Step (b) may comprise homogenizing or blending the mixture.
단계 (a)는 바디 내에 셀레늄 - 탄소 - 황 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)는 바디를 셀레늄의 용융 온도 이상의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (c)는 바디를 주위 온도 또는 실온으로 냉각되도록 하거나 허용하는 단계를 포함할 수 있다. Step (a) may include forming a selenium-carbon-sulfur mixture in the body. Step (b) may include heating the body to a temperature above the melting temperature of selenium. Step (c) may comprise allowing or allowing the body to cool to ambient temperature or room temperature.
단계 (b)는 셀레늄 및 탄소 및 황이 완전히 또는 부분적으로 반응하기에 충분한 시간 동안 혼합물을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.Step (b) may comprise heating the mixture for a time sufficient for the selenium and carbon and sulfur to fully or partially react.
또 다른 예에서, 고정화된 황-도핑된 셀레늄 시스템 또는 바디를 제조하는 방법은: (a) 탄소 골격을 형성하는 단계; 및 (b) 셀레늄 및 황을 탄소 골격 내로 용융시키는 단계를 포함할 수 있다.In another example, a method of making an immobilized sulfur-doped selenium system or body comprises: (a) forming a carbon backbone; and (b) melting selenium and sulfur into the carbon skeleton.
또 다른 예에서, 고정화된 황-도핑된 셀레늄 시스템 또는 바디를 형성하는 방법은 (a) 셀레늄 및 탄소 및 황을 혼합하는 단계; 및 (b) 단계 (a) 후에, 셀레늄 및 황이 탄소 상에 용해(dissolving)되도록 하여 고정화된 황-도핑된 셀레늄 시스템 또는 바디를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In another example, a method of forming an immobilized sulfur-doped selenium system or body comprises (a) mixing selenium and carbon and sulfur; and (b) after step (a), allowing selenium and sulfur to dissolve on the carbon to form an immobilized sulfur-doped selenium system or body.
셀레늄 및 황을 용해시키기 위한 용매는 알코올, 에테르, 에스테르, 케톤, 탄화수소, 할로겐화된 탄화수소, 질소-함유 화합물, 인 함유 화합물, 황-함유 화합물, 또는 물일 수 있다. 용매는 단계 (a) 이전, 단계 (a) 동안 또는 단계 (b) 동안 셀레늄, 황 또는 탄소 중 하나 이상에 첨가될 수 있다.Solvents for dissolving selenium and sulfur may be alcohols, ethers, esters, ketones, hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, nitrogen-containing compounds, phosphorus-containing compounds, sulfur-containing compounds, or water. The solvent may be added to one or more of selenium, sulfur, or carbon before step (a), during step (a) or during step (b).
상기 방법은 (c) 고정화된 황-도핑된 셀레늄 시스템 또는 바디로부터 과량의 비고정화된 셀레늄, 비고정화된 황, 또는 둘 다를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.The method may further comprise (c) removing excess unimmobilized selenium, unimmobilized sulfur, or both from the immobilized sulfur-doped selenium system or body.
또한, 다음을 포함하는 재충전식 전지가 개시되어 있다: 전기 전도성 기판 상에 배치된 고정화된 황-도핑된 셀레늄으로 구성된 캐소드; 전기 전도성 기판과 직접 접촉하고 고정화된 황-도핑된 셀레늄과 접촉하여 배치된 세퍼레이터; 및 세퍼레이터에 의해 캐소드로부터 이격된 애노드.Also disclosed is a rechargeable battery comprising: a cathode composed of immobilized sulfur-doped selenium disposed on an electrically conductive substrate; a separator disposed in direct contact with the electrically conductive substrate and in contact with immobilized sulfur-doped selenium; and an anode spaced from the cathode by a separator.
재충전식 전지는 리튬에 의해 세퍼레이터로부터 이격된 애노드를 추가로 포함할 수 있다. 일례에서, 리튬은 리튬 포일의 형태일 수 있다.The rechargeable battery may further comprise an anode spaced apart from the separator by lithium. In one example, the lithium may be in the form of a lithium foil.
재충전식 전지는 캐소드, 세퍼레이터, 애노드 및 전해질에 침지된 리튬을 추가로 포함할 수 있다.The rechargeable battery may further include a cathode, a separator, an anode, and lithium immersed in an electrolyte.
재충전식 전지에서, 고정화된 황-도핑된 셀레늄은 셀레늄-탄소-황 혼합물을 포함할 수 있으며, 여기서, 셀레늄 및 황은 탄소 내로 용융되었다.In rechargeable batteries, immobilized sulfur-doped selenium may comprise a selenium-carbon-sulfur mixture, wherein selenium and sulfur are melted into carbon.
재충전식 전지에서, 세퍼레이터는 유기 물질, 무기 물질, 또는 고체 전해질로부터 형성될 수 있다.In rechargeable batteries, the separator may be formed from an organic material, an inorganic material, or a solid electrolyte.
재충전식 전지는 95% 이상의 쿨롱 효율을 가질 수 있다.The rechargeable battery may have a coulombic efficiency of 95% or greater.
이와 같이 셀레늄 탄소 복합 재료의 제조 방법을 설명하였으므로, 예를 들어, 재충전식 전지에서 고정화된 셀레늄의 제조 방법 및 고정화된 셀레늄, 바람직한 수준의 산소 종(oxygen species)이 존재하는 다공성 탄소에서 고정화된 셀레늄의 제조 방법 및 재충전식 전지에서 고정화된 셀레늄의 용도가 설명될 것이다.Having thus described a method for preparing a selenium carbon composite material, for example, a method for preparing immobilized selenium in a rechargeable battery and immobilized selenium, immobilized selenium on porous carbon in the presence of a desirable level of oxygen species. The method of making and the use of immobilized selenium in rechargeable batteries will be described.
셀레늄은 황, 셀레늄, 텔루륨 등을 포함하는 칼코겐 중 하나라는 것에 유의한다. 본 개시내용에서 셀레늄과 관련된 설명은 나머지 칼코겐 원소, 예컨대 황 및 텔루륨에도 동일하게 적용될 수 있다.Note that selenium is one of the chalcogens including sulfur, selenium, tellurium, and the like. The description relating to selenium in the present disclosure is equally applicable to the remaining chalcogen elements, such as sulfur and tellurium.
본 발명에서, 셀레늄 원자 또는 분자는 원소로서 이들의 산화된 형태로 (재충전식 전지에서 충전된 상태로) 또는 셀레나이드로 이들의 환원된 형태 (재충전식 전지에서 방전된 상태로) 고정되고, 셀레늄 원자는 다공성 탄소의 기공 내부에 편재되어, 재충전식 전지의 전기화학 반응이 방전 과정 동안과 충전 과정 동안에 적절하게 사이클링되도록 한다. 방전 과정 동안, 캐소드에서 원소 셀레늄 원자 (중성, Se)는 환원되고, 2개의 원자를 얻어 셀레나이드 음이온 (Se2 -)이 되고, 전형적으로 염, 리튬 셀레나이드, Li2Se로서 존재하고, 여전히 캐소드에 편재되어 있다. 방전 과정의 화학 에너지는 전지의 고유 내부 전기 저항의 존재로 인해 열로의 최소 수준의 변환으로 재충전식 전지의 전기 에너지로 효과적으로 변환된다. 충전식 전지의 충전 과정 동안, 전기 에너지는 또한 캐소드에서 Li2Se 형태의 셀레나이드 음이온이 산화되고 2개의 전자를 잃어 여전히 캐소드에서 편재된 원소 셀레늄 원자를 형성하기 때문에 화학적 에너지로 효과적으로 변환된다. 셀레늄이 다공성 탄소에 고정되지 않으면, 중간체 셀레늄 종 (전형적으로 폴리셀레나이드 형태, Sen 2-로)은 전기화학적 환원/산화 (ReDox) 공정 동안 캐소드에서 형성되어 전지 시스템의 액체 전해질에 용해될 수 있다. 이어서, 용해된 중간체 폴리셀레나이드 종은 애노드에서 전지 세퍼레이터를 통해 캐소드로부터 액체 전해질로 수송되어 금속 리튬을 발견하고 금속 리튬 원자와 반응하고 리튬 애노드의 표면에 리튬과 셀레늄으로 이루어진 염을 형성한다. 애노드에서 리튬과 중간체 셀레늄 종의 반응으로부터 생성된 화학 에너지는 전기 에너지 대신 열로 변환되어, 이는 매우 바람직하지 않다. 또한, 이어서, 애노드에 형성된 셀레늄 염은 심지어 부분적으로 폴리셀레나이드 음이온으로 다시 변환될 수 있고, 이는 이어서 전지의 전해질에 용해되고 캐소드로 다시 수송되고 이는 전자를 획득하여 추가 전기 에너지를 소비하고 원소 셀레늄으로 다시 환원된다. 셀레늄의 전기화학적 에너지를 열로 변환하거나 추가 전기 에너지를 소비하는 것은, 바람직하지 않게 낮은 사이클링 효율로 인해, 재충전식 전지가가 사이클링될 수 있더라도 바람직하지 않다. 바람직하지 않게 낮은 사이클링 효율을 가진 전지는 종종 바람직한 사이클 수 동안 제대로 작동하지 않음에 유의한다.In the present invention, selenium atoms or molecules are fixed in their oxidized form (in a rechargeable battery as charged state) or in their reduced form as selenide (in a discharged state in a rechargeable battery) as an element, and the selenium atom is localized inside the pores of the porous carbon, allowing the electrochemical reaction of the rechargeable battery to cycle properly during the discharging process and during the charging process. During the discharge process, the elemental selenium atom (neutral, Se) at the cathode is reduced and gains two atoms to become the selenide anion (Se 2 − ), which is typically present as a salt, lithium selenide, Li 2 Se, still It is ubiquitous at the cathode. The chemical energy of the discharge process is effectively converted into electrical energy in the rechargeable battery with minimal level of conversion into heat due to the presence of the intrinsic internal electrical resistance of the battery. During the charging process of the rechargeable battery, electrical energy is also effectively converted into chemical energy as selenide anions in the form of Li 2 Se at the cathode are oxidized and lose two electrons to form elemental selenium atoms still localized at the cathode. If selenium is not immobilized on the porous carbon, intermediate selenium species (typically in the form of polyselenide, as Se n 2 -) can form at the cathode during the electrochemical reduction/oxidation (ReDox) process and dissolve in the liquid electrolyte of the cell system have. The dissolved intermediate polyselenide species is then transported from the cathode to the liquid electrolyte through the battery separator at the anode, where it discovers metallic lithium, reacts with metallic lithium atoms and forms a salt of lithium and selenium on the surface of the lithium anode. Chemical energy generated from the reaction of lithium and intermediate selenium species at the anode is converted into heat instead of electrical energy, which is highly undesirable. Also, the selenium salt formed at the anode can then be even partially converted back to polyselenide anion, which is then dissolved in the electrolyte of the cell and transported back to the cathode, which acquires electrons, consuming additional electrical energy, and elemental selenium is returned back to Converting the electrochemical energy of selenium into heat or consuming additional electrical energy is undesirable even though the rechargeable battery can be cycled due to the undesirably low cycling efficiency. Note that cells with undesirably low cycling efficiencies often do not perform well for the desired number of cycles.
따라서, 본 발명은 다공성 탄소 골격에서 셀레늄의 고정화는 리튬 애노드, 셀레늄 캐소드, 세퍼레이터, 및 전해질을 포함하는 재충전식 전지의 적절한 사이클링을 달성하기 위해 바람직하다는 것을 구체화한다. 셀레늄은 다공성 탄소에 고정되어 있고, 예를 들어, 95 kJ/몰 이상, 98 kJ/몰 이상, 101 kJ/몰 이상, 104 kJ/몰 이상, 107 kJ/몰 이상, 또는 110 kJ/몰 이상일 수 있는 활성화 에너지를 갖고 있다. 셀레늄과 다공성 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄에서 셀레늄과 탄소의 상호작용은 종종 더 빈번하며, 예를 들어, 2.5×105 이상, 3.0×105 이상, 3.5×105 이상, 4.0×105 이상, 4.5×105 이상, 5.0×105 이상, 5.5×105 이상, 6.0×105 이상, 또는 8.0×105 이상의 충돌 빈도를 갖는다. 셀레늄과 다공성 탄소를 포함하는 고정화된 셀레늄에 대한 운동 속도 상수 (50℃에서)는, 예를 들어, 1 x 10-10 이하, 5 x 10-11 이하, 1 x 10-11 이하, 5 x 10-12 이하, 또는 5 x 10-13 이하이다. 탄소 골격은 셀레늄의 적절한 고정화에 중요한 역할을 한다. 원하는 수준의 활성화 에너지, 충돌 빈도, 및 운동 속도 상수로 셀레늄의 고정화를 달성하기 위해 일정량의 마이크로다공성 (20 옹스트롬 이하의 기공 크기)을 갖는 탄소는 탄소 골격의 마이크로기공 내부에 셀레늄을 공간적으로 제한하는 것이 바람직하다. 탄소 골격에서 일정량의 메조다공성 (20 옹스트롬과 500 옹스트롬 사이의 기공 크기) 및/또는 매크로다공성 (500 옹스트롬 초과의 기공 크기)의 존재는 또한, 셀레늄의 고정화에 중요하지는 않지만 전지 방전 과정 동안 캐소드 내로 리튬 이온을 성공적으로 수송시키고 전지 충전 과정 동안 캐소드 밖으로 나가는 데에 바람직하다. 마이크로다공성, 메조다공성, 또는 매크로다공성의 양은 전형적으로 탄소 골격의 중량 단위 (g)당 기공 부피 (mL)의 양을 특징으로 한다. 다공성 탄소에서 높은 수준의 셀레늄을 공간적으로 제한하기 위해 마이크로다공성, 메조다공성, 및 매크로다공성을 포함하는 높은 수준의 양의 다공성이 필요할 수 있다. 셀레늄이 다공성 탄소 골격에 더 많이 로딩될수록 (그램당 기준) 재충전식 전지의 사이클링 과정에서 더 많은 화학 에너지와 전기 에너지가 상호변환될 수 있다.Thus, the present invention embodies that immobilization of selenium in a porous carbon skeleton is desirable to achieve adequate cycling of a rechargeable battery comprising a lithium anode, a selenium cathode, a separator, and an electrolyte. Selenium is anchored to the porous carbon and can be, for example, at least 95 kJ/mole, at least 98 kJ/mole, at least 101 kJ/mole, at least 104 kJ/mole, at least 107 kJ/mole, or at least 110 kJ/mole. It has activation energy. In immobilized selenium containing selenium and porous carbon, selenium and carbon interactions are often more frequent, for example, 2.5×10 5 or more, 3.0×10 5 or more, 3.5×10 5 or more, 4.0×10 5 or more. , 4.5 × 10 5 or greater, 5.0 × 10 5 or greater, 5.5 × 10 5 or greater, 6.0 × 10 5 or greater, or 8.0 × 10 5 or greater collision frequency. The kinetic rate constant (at 50° C.) for immobilized selenium containing selenium and porous carbon is, for example, 1 x 10 -10 or less, 5 x 10 -11 or less, 1 x 10 -11 or less, 5 x 10 -12 or less, or 5 x 10 -13 or less. The carbon skeleton plays an important role in the proper immobilization of selenium. To achieve immobilization of selenium with desired levels of activation energy, collision frequency, and kinetic rate constant, carbon with a certain amount of microporosity (pore size of 20 angstroms or less) is used to spatially confine selenium inside the micropores of the carbon skeleton. it is preferable The presence of a certain amount of mesoporosity (pore sizes between 20 and 500 angstroms) and/or macroporosity (pore sizes greater than 500 angstroms) in the carbon skeleton is also not critical for immobilization of selenium, but lithium into the cathode during the cell discharge process. It is desirable for successfully transporting ions and exiting the cathode during the cell charging process. The amount of microporosity, mesoporosity, or macroporosity is typically characterized by the amount of pore volume (mL) per weight unit (g) of the carbon backbone. High levels of porosity, including microporosity, mesoporosity, and macroporosity, may be required to spatially confine high levels of selenium in porous carbons. The more selenium loaded into the porous carbon backbone (per gram), the more chemical and electrical energy can be interconverted during the cycling of the rechargeable battery.
셀레늄 고정화를 위한 다공성 탄소에 대한 마이크로다공성의 양은 0.3 mL/g 이상, 0.4 mL/g 이상, 또는 0.5 mL/g 이상일 수 있다. 마이크로다공성, 메조다공성, 및 매크로다공성을 포함하는 총 다공성 양은 0.4 mL/g 이상, 0.5 mL/g 이상, 및 >0.6 mL/g 이상이다. 마이크로다공성, 메조다공성, 및 매크로다공성을 포함하는 총 다공성 중 마이크로다공성의 비율은 50%와 99% 사이,55%와 97% 사이, 그리고 60%와 95% 사이이다.The amount of microporosity to porous carbon for selenium immobilization may be 0.3 mL/g or more, 0.4 mL/g or more, or 0.5 mL/g or more. The total porosity, including microporosity, mesoporosity, and macroporosity, is at least 0.4 mL/g, at least 0.5 mL/g, and at least >0.6 mL/g. The proportion of microporosity of the total porosity, including microporosity, mesoporosity, and macroporosity, is between 50% and 99%, between 55% and 97%, and between 60% and 95%.
전해질의 벌크와 셀레늄이 마이크로기공에 고정된 위치 사이의 리튬 수송을 위해 짧은 경로가 바람직한 반면, 메조다공성과 매크로다공성의 존재는 리튬 이온이 마이크로기공에 고정된 셀레늄에 접근하기 위해 안과 밖으로 성공적으로 수송하는데 중요할 수 있으며, 이는 재충전식 전지의 방전 및 충전 과정 동안 전기화학적 공정이 적절하게 작동하도록 한다. 다공성 탄소의 입자 치수 중 하나는 아마도 5 μm 이하, 2 μm 이하, 1 μm 이하, 0.5 μm 이하, 또는 0.2 μm 이하의 작은 것이 선호될 수 있고; 탄소 입자는 상호연결된 얇은 벽과 함께 상대적으로 크기가 클 수 있거나, 입자 전체에 대해 작을 수 있다. 다공성 탄소의 치수는 주사 전자 현미경, 투과 전자 현미경, 광학 현미경, 레이저-산란 입자 크기 분석기 등에 의해 특징 분석될 수 있다.While a short route is preferred for lithium transport between the bulk of the electrolyte and the position where selenium is immobilized in the micropores, the presence of mesoporosity and macroporosity allows lithium ions to successfully transport in and out to access the selenium immobilized in the micropores. This can be important to ensure that the electrochemical process works properly during the discharging and charging process of the rechargeable battery. One of the particle dimensions of the porous carbon may be preferably as small as 5 μm or less, 2 μm or less, 1 μm or less, 0.5 μm or less, or 0.2 μm or less; The carbon particles may be relatively large in size with interconnected thin walls, or they may be small relative to the particle as a whole. The dimensions of the porous carbon can be characterized by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, optical microscopy, laser-scattering particle size analyzer, and the like.
셀레늄은 마이크로다공성, 메조다공성, 및 매크로다공성을 포함하는 다공성을 갖는 다공성 탄소 입자의 마이크로기공의 공간에 고정된다. 셀레늄은 다공성 탄소의 기공 내부에 셀레늄과 탄소 골격 사이의 강한 상호작용에 의해 고정된다. 표면적이 큰 다공성 탄소는 셀레늄이 탄소 골격과 상호작용하는 더 많은 활성 부위를 가질 수 있다. 다공성 탄소는 600 m2/g 이상, 800 m2/g 이상, 1,000 m2/g 이상, 1,200 m2/g 이상, 또는 1,400 m2/g 이상의 BET 표면적을 갖는 것이 선호된다.Selenium is immobilized in the space of micropores of porous carbon particles having porosity including microporosity, mesoporosity, and macroporosity. Selenium is immobilized inside the pores of porous carbon by the strong interaction between selenium and the carbon skeleton. A porous carbon with a large surface area may have more active sites for selenium to interact with the carbon backbone. The porous carbon preferably has a BET surface area of at least 600 m 2 /g, at least 800 m 2 /g, at least 1,000 m 2 /g, at least 1,200 m 2 /g, or at least 1,400 m 2 /g.
셀레늄은 셀레늄 종과 탄소 골격의 표면 사이의 화학적 상호작용을 통해 다공성 탄소에 효과적으로 고정된다. 다공성 탄소에서 산소-관련된 작용기는 셀레늄과의 강력한 화학적 상호작용을 주장하는 핵심 종일 수 있다. 그러한 강한 화학적 상호작용은 셀레늄의 효과적인 고정화를 초래하여 활성화 에너지의 증가, 운동 속도 상수의 감소 및/또는 충돌 빈도의 증가를 초래할 수 있다. 골격 탄소 원자와 셀레늄 원자 또는 분자 사이에서 바람직한 수준의 화학적 상호작용을 달성하기 위해, 다공성 탄소에서 탄소와 셀레늄 사이의 계면으로서 산소 작용기(oxygen ㄹ려functional group) 또는 산소-관련된 종(oxygen-related species)의 양은 셀레늄의 고정화가 전기화학적 방전 및 충전 사이클링 과정에서 적절하게 기능할 수 있는 재충전식 전지에 효과적이도록 충분히 높을 필요가 있다. 산소-관련된 종, 또는 산소 작용기의 양은 산소 분석기 (예컨대 LECO 산소 분석기)에 의해 분석된 다공성 탄소의 산소 함량의 양으로 특징 분석될 수 있다. 다공성 탄소의 산소 함량은 또한 포괄적인 콜드 트랩 메커니즘의 옵션과 함께 가스 검출기, 예컨대, 그러나 이제 제한되지 않는, 질량-사양 검출기, 열 전도율 검출기, 등을 가진 LECO 기기와 유사한 기능을 하는 다른 기기, 예를 들어, 온도-프로그램 탈착 (temperature-programmed desorption) (또는 열 중량 분석, 또는 TGA)에 의해 특징 분석될 수 있다.Selenium is effectively anchored to the porous carbon through chemical interactions between the selenium species and the surface of the carbon skeleton. Oxygen-related functional groups in porous carbon can be a key species claiming strong chemical interactions with selenium. Such strong chemical interactions may result in effective immobilization of selenium resulting in an increase in activation energy, a decrease in the kinetic rate constant, and/or an increase in collision frequency. To achieve the desired level of chemical interaction between the backbone carbon atom and the selenium atom or molecule, an oxygen functional group or oxygen-related species as the interface between the carbon and selenium in the porous carbon is used. The amount of selenium needs to be high enough for the immobilization of selenium to be effective in a rechargeable battery that can function properly during electrochemical discharge and charge cycling processes. The amount of oxygen-related species, or oxygen functional groups, can be characterized as the amount of oxygen content of the porous carbon analyzed by an oxygen analyzer (such as a LECO oxygen analyzer). The oxygen content of the porous carbon can also be measured with gas detectors, such as, but not limited to, mass-specification detectors, thermal conductivity detectors, etc. with the option of a comprehensive cold trap mechanism in other instruments that function similar to LECO instruments, e.g. For example, it can be characterized by temperature-programmed desorption (or thermogravimetric analysis, or TGA).
셀레늄 고정화를 위한 다공성 탄소는 산소 함량이 2% 이상, 3% 이상, 5% 이상, 또는 더 바람직하게는 7% 이상인 양을 갖는 것이 선호된다.It is preferred that the porous carbon for selenium immobilization has an oxygen content of at least 2%, at least 3%, at least 5%, or more preferably at least 7%.
다공성 탄소에서 산소 종은 온도-프로그램 탈착 (TPD)에 의해 분류될 수 있고, 전형적으로 CO2를 형성하는 산소 종, CO를 형성하는 산소 종, 및 물을 형성하는 산소 종으로 분류 및 특화될 수 있다. 운반 가스로서 불활성 가스, 예컨대 헬륨, 질소, 또는 아르곤의 유동에서, 다공성 탄소의 샘플은 정의된 가열 속도로 최대 1,000℃일 수 있는 온도로 온도-프로그램으로 가열된다. 다공성 탄소 샘플에서 산소 종은 상이한 온도에서 파괴되어 CO2, CO, 및/또는 물을 형성하며 운반 가스에 의해 용리된다. 셀레늄 고정화에 상용되는 다공성 탄소의 경우, CO 형성과 관련된 산소의 양에 대한 CO2 형성과 관련된 산소의 양의 비는 0.05와 0.95 사이, 0.15와 0.85 사이, 또는 0.2와 0.8 사이일 수 있고; CO2 형성과 관련된 산소 양은 2% 이상, 3% 이상, 5% 이상, 또는 더 바람직하게는 7% 이상일 수 있고; CO 형성과 관련된 산소 양은 2% 이상, 3% 이상, 5% 이상, 또는 더 바람직하게는 7% 이상일 수 있고; 물 형성과 관련된 산소 양은 2% 이상, 3% 이상, 5% 이상, 또는 더 바람직하게는 7% 이상일 수 있다.Oxygen species in porous carbon can be classified by temperature-programmed desorption (TPD), and can typically be classified and characterized into oxygen species that form CO 2 , oxygen species that form CO, and oxygen species that form water. have. In a flow of an inert gas such as helium, nitrogen, or argon as carrier gas, a sample of porous carbon is temperature-programmed to a temperature that can be up to 1,000° C. at a defined heating rate. Oxygen species in the porous carbon sample are destroyed at different temperatures to form CO 2 , CO, and/or water and are eluted by the carrier gas. For porous carbons compatible with selenium immobilization, the ratio of the amount of oxygen associated with CO 2 formation to the amount of oxygen associated with CO formation may be between 0.05 and 0.95, between 0.15 and 0.85, or between 0.2 and 0.8; The amount of oxygen associated with CO 2 formation may be at least 2%, at least 3%, at least 5%, or more preferably at least 7%; The amount of oxygen associated with CO formation may be at least 2%, at least 3%, at least 5%, or more preferably at least 7%; The amount of oxygen associated with water formation may be at least 2%, at least 3%, at least 5%, or more preferably at least 7%.
다른 양상에서, 골격 탄소의 산소 종의 밀도 (평방 미터당 마이크로몰, 또는 μmole/m2)는 탄소 표면과 셀레늄 원자 사이의 충분한 수준의 화학적 상호작용을 달성하는 데 중요할 수 있으며, 이는 재충전식 전지의 적절한 사이클링을 위한 만족스러운 셀레늄의 고정화를 초래한다. 셀레늄 고정화를 위한 다공성 탄소는 산소 함량 0.8 μmole/m2 이상, 1.0 μmole/m2 이상, 1.2 μmole/m2 이상, 1.4 μmole/m2 이상, 또는 더 바람직하게는 1.6 μmole/m2 이상의 양을 갖는 것을 선호하거나; CO2 형성과 관련된 산소 양은 0.8 μmole/m2 이상, 1.0 μmole/m2 이상, 1.2 μmole/m2 이상, 1.4 μmole/m2 이상, 또는 더 바람직하게는 1.6 μmole/m2 이상이거나; CO 형성과 관련된 산소 양은 0.8 μmole/m2 이상, 1.0 μmole/m2 이상, 1.2 μmole/m2 이상, 1.4 μmole/m2 이상, 또는 더 바람직하게는 1.6 μmole/m2 이상이다.In another aspect, the density of oxygen species in the backbone carbon (micromoles per square meter, or μmole/m 2 ) can be important to achieve a sufficient level of chemical interaction between the carbon surface and selenium atoms, which can be used in rechargeable batteries results in satisfactory selenium immobilization for proper cycling of The porous carbon for selenium immobilization has an oxygen content of 0.8 μmole/m 2 or more, 1.0 μmole/m 2 or more, 1.2 μmole/m 2 or more, 1.4 μmole/m 2 or more, or more preferably 1.6 μmole/m 2 or more. prefer to have; The amount of oxygen associated with CO 2 formation is at least 0.8 μmole/m 2 , at least 1.0 μmole/m 2 , at least 1.2 μmole/m 2 , at least 1.4 μmole/m 2 , or more preferably at least 1.6 μmole/m 2 ; The amount of oxygen associated with CO formation is at least 0.8 μmole/m 2 , at least 1.0 μmole/m 2 , at least 1.2 μmole/m 2 , at least 1.4 μmole/m 2 , or more preferably at least 1.6 μmole/m 2 .
골격 탄소에서 충분한 양의 산소 종의 존재는 Se-C 복합체의 산화 안정성에 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 주위 조건(ambient condition)하에, 적은 양의 산소 종을 갖는 탄소 골격으로 만들어진 Se-C 복합체는 주위 조건하에 쉽게 산화되는 것으로 보인다; 그러한 Se-C 복합체의 새로운 재료는 충분한 양의 산소 종을 갖는 탄소 골격을 갖는 Se-C 복합체의 경우와 유사한 온도-중량측정 거동을 나타낸다; 그러나, 주위 조건하에 약 2년 3개월 동안 에이징된 적은 양의 산소 종으로 만들어진 Se-C 복합체가 약 200 내지 250℃의 온도에서 주요 발열 중량 손실(exothermal weight loss)을 보이고, 이때 Se-C 복합체의 총 중량 손실이 새로 제조되었을 때 탄소에 로딩된 셀레늄의 양을 초과한다는 것을 발견한 것은 놀라웠다; 또 다른 예에서, 이러한 온도하에 중량 손실의 양은 Se-C 복합체에서 탄소 골격의 양과 충분히 관련이 있는 것으로 보인다: 탄소 골격의 양이 많을수록 200℃와 250℃ 사이의 온도에서 발열 중량 손실이 더 많이 발생한다; 또 다른 예에서, 적은 양의 산소 종을 갖는 탄소 골격으로 만들어진 에이징된 (27개월) Se-C 복합체의 산소 종 함량은 최대 약 24% 증가한다; 또 다른 예에서, 적은 양의 산소 종을 갖는 탄소 골격으로부터 만들어진 에이징된 Se-C 복합체의 밀도가 실질적으로 감소한다는 것도 흥미롭다. 본 발명의 범위 또는 취지를 제한하지 않고, 발열 중량 손실은 주위 산소 종 (주위 조건하에 환경 산소 및/또는 수분)에 의한 탄소-셀레늄 복합체의 산화 및/또는 원소 셀레늄에 의한 탄소의 주위-산소-종-보조 산화(ambient-oxygen-species-aided oxidation)와 관련될 수 있으며, 둘 다 산화된 탄소 종의 형성을 초래한다; Se-C 복합체의 산화는 복합체의 기공 입구 (pore mouth) 근처에서 발생할 수 있다; 기공 입구 근처에서 새로 형성된 산화된 탄소 종은 폐쇄 다공성(closed porosity)을 형성할 수 있다; 이어서, 폐쇄 다공성은 밀도 측정 동안 헬륨 가스의 프로빙 분자에 의해 접근할 수 없으며, 이는 적은 양의 산소 종을 갖는 탄소 골격으로 만들어진 에이징된 Se-C 복합체 샘플에 대한 밀도 감소를 초래한다. 불활성 운반 가스, 예컨대 아르곤 또는 질소하에 200℃와 250℃ 사이의 온도에서 산화된 탄소 종의 분해 생성물은 탄소, 셀레늄 및/또는 산소, 예를 들어, 이산화탄소, 일산화탄소, 탄소 디셀레나이드, 탄소 옥시셀레나이드 등과 관련될 수 있다. 또한 적은 양의 산소 종을 포함하는 독립형 (free standing) 탄소 골격은 주위 조건하에 안정적임을 유의한다. 적의 양의 산소 종을 갖는 탄소 골격으로 만들어진 Se-C 복합체에서 탄소 및/또는 셀레늄은 셀레늄과 함께 환경 산소 종의 공격을 받기 쉬운 것으로 보인다. 그러한 산화 불안정성은 Li-Se의 재충전식 전지의 불량한 전기화학적 사이클링 성능으로 매우 잘 해석될 수 있다; 탄소 골격은 주위 환경과 마찬가지로 전기화학적 사이클링 환경하에 원소 셀레늄에 의해 서서히 산화될 수 있다. Se-C 복합체에서 산화된 탄소 종을 형성하는 것은 바람직하지 않다. 산화된 탄소 종 내에서의 셀레늄의 양은 재충전식 전지의 전기화학적 사이클링에 참여하지 않아 재충전 전지의 비용량의 영구적 손실을 초래할 수 있다; 탄소 골격은 또한 이의 고정화를 위해 셀레늄을 호스팅(hosting)하는 것 이외에도, (1) 방전 과정 동안 외부 회로로부터 원소 셀레늄으로 전자를 전달하고 (2) 충전 과정 동안 셀레늄 음이온 (Se2-)으로부터 외부 회로로 전자를 수확하기 위한 전기 전도 경로를 제공하는 데 중요한 역할을 한다. 탄소의 일부가 원소 셀레늄에 의해 산화되어 산화된 탄소 종을 형성하면, 탄소 골격의 전기 저항은 실질적으로 증가할 수 있어서 전자 전달을 위한 전기 전도 경로가 증가하고, 각 전기화학적 사이클 동안 전자 수확이 부여되고, 결국에는 (1) 낮은 에너지 효율 및 (2) 열 관리 측면에서 재충전식 전지에 실제 바람직하지 않은 전기 에너지 및 화학 에너지의 열 손실은 말할 것도 없고 재충전 전지가 적절하게 작동하지 않을 수준에 도달한다.The presence of a sufficient amount of oxygen species in the backbone carbon appears to play an important role in the oxidative stability of the Se-C complex. Under ambient conditions, Se-C composites made of carbon skeletons with a small amount of oxygen species appear to be easily oxidized under ambient conditions; The novel material of such Se-C composites exhibits a temperature-gravimetric behavior similar to that of Se-C composites with a carbon skeleton with a sufficient amount of oxygen species; However, the Se-C composites made of a small amount of oxygen species aged for about 2 years and 3 months under ambient conditions show major exothermal weight loss at a temperature of about 200 to 250° C., where the Se-C composites It was surprising to find that the total weight loss of , when freshly prepared, exceeded the amount of selenium loaded on the carbon; In another example, the amount of weight loss under these temperatures appears to be sufficiently related to the amount of carbon backbone in the Se—C composite: the higher the amount of carbon backbone, the greater the exothermic weight loss at temperatures between 200°C and 250°C. do; In another example, the oxygen species content of an aged (27 months) Se—C composite made of a carbon skeleton with a low amount of oxygen species increases by up to about 24%; In another example, it is also interesting that the density of aged Se-C composites made from a carbon skeleton with a small amount of oxygen species is substantially reduced. Without limiting the scope or spirit of the present invention, the exothermic weight loss is caused by oxidation of the carbon-selenium complex by ambient oxygen species (environmental oxygen and/or moisture under ambient conditions) and/or ambient-oxygen- of carbon by elemental selenium. may involve ambient-oxygen-species-aided oxidation, both of which result in the formation of oxidized carbon species; Oxidation of the Se-C complex can occur near the pore mouth of the complex; Newly formed oxidized carbon species near the pore inlet can form closed porosity; The closed porosity is then inaccessible by probing molecules of helium gas during densitometry, which results in a density decrease for the aged Se-C composite sample made of the carbon skeleton with a small amount of oxygen species. The decomposition products of carbon species oxidized at a temperature between 200° C. and 250° C. under an inert carrier gas such as argon or nitrogen are carbon, selenium and/or oxygen such as carbon dioxide, carbon monoxide, carbon diselenide, carbon oxyselenide. It may be related to aging. It is also noted that free standing carbon skeletons containing small amounts of oxygen species are stable under ambient conditions. Carbon and/or selenium, along with selenium, appear to be susceptible to attack by environmental oxygen species in Se-C composites made of carbon skeletons with a moderate amount of oxygen species. Such oxidative instability can very well translate into poor electrochemical cycling performance of Li-Se rechargeable batteries; The carbon skeleton can be slowly oxidized by elemental selenium under an electrochemical cycling environment as well as the surrounding environment. The formation of oxidized carbon species in Se-C composites is undesirable. The amount of selenium in the oxidized carbon species may not participate in the electrochemical cycling of the rechargeable cell, resulting in a permanent loss of the specific capacity of the rechargeable cell; In addition to hosting selenium for its immobilization, the carbon skeleton also (1) transfers electrons from an external circuit to elemental selenium during the discharge process and (2 ) from the selenium anion (Se 2 - ) to an external circuit during the charging process. It plays an important role in providing an electrically conductive path for harvesting electrons. When a portion of the carbon is oxidized by elemental selenium to form oxidized carbon species, the electrical resistance of the carbon skeleton can be substantially increased, thereby increasing the electrically conductive pathways for electron transport and imparting an electron harvest during each electrochemical cycle. and eventually reach a level at which the rechargeable battery will not function properly, not to mention the heat loss of electrical and chemical energy, which is practically undesirable for rechargeable batteries in terms of (1) low energy efficiency and (2) thermal management. .
반면, 적당한 수준의 산소 종을 갖는 탄소 골격으로 만들어진 Se-C 복합체는 새로운 샘플과 약 2년 반 동안 주위 조건하에 에이징된 샘플 사이의 열 중량 분석 (TGA) 거동에 어떠한 변화도 보이지 않는다; 약 200 내지 250℃의 온도에서 발열 중량 손실이 없다; TGA의 총 중량 손실은 새로 만들어졌을 때 셀레늄 로딩 (중량 기준)과 유사하다; 산소 함량이 증가하지 않는다; 밀도 감소가 없다. 따라서, 충분한 양의 산소 종을 갖는 탄소 골격을 가진 Se-C 복합체는 탄소와 셀레늄 사이에 계면 산소 종과 강한 화학적 상호작용을 적용하여 Se-C 복합체의 산화 안정성을 개선시킴으로써 어떻게 든 만족스러운 수준의 셀레늄 고정화를 달성한다.On the other hand, Se-C composites made of carbon skeletons with moderate levels of oxygen species show no change in thermogravimetric analysis (TGA) behavior between fresh samples and samples aged under ambient conditions for about two and a half years; There is no exothermic weight loss at a temperature of about 200 to 250°C; Total weight loss of TGA is similar to selenium loading (by weight) when freshly made; Oxygen content does not increase; There is no decrease in density. Therefore, Se-C composites with a carbon skeleton with a sufficient amount of oxygen species can somehow achieve satisfactory levels of oxidative stability by applying strong chemical interactions with interfacial oxygen species between carbon and selenium to improve the oxidation stability of Se-C composites. Selenium immobilization is achieved.
탄소 골격에서 셀레늄의 효과적인 고정화는 탄소 골격과 셀레늄 (임의의 화학적 형태) 사이의 강한 화학적 상호작용을 가능하게 하는 계면 종으로서 Se-C 복합체에서 충분한 양의 산소 종이 존재함으로써 달성될 수 있다. 고정화된 셀레늄 탄소 복합체에서 바람직한 산소 종의 양은 탄소 골격 공급원에서 산소 종의 수준(level)과 Se-C 복합체에서 셀레늄 로딩 수준 (중량 기준)에 따라 달라질 수 있다. 50% 이하의 셀레늄 로딩의 경우, Se-C 복합체에서 산소 종의 양은 0.63 mmol/g 이상, 0.94 mmol/g 이상, 1.56 mmol/g 이상, 또는 2.19 mmol/g 이상이고; 50%와 60% 사이 (60%를 포함함)의 셀레늄 로딩의 경우, Se-C 복합체에서 산소 종의 양은 0.5 mmol/g 이상, 0.75 mmol/g 이상, 1.25 mmol/g 이상, 또는 1.75 mmol/g 이상이고; 60% 이상의 셀레늄 부하의 경우, Se-C 복합체에서 산소 종의 양은 0.31 mmol/g 이상, 0.47 mmol/g 이상, 0.78 mmol/g 이상, 또는 1.09 mmol/g 이상이다. Effective immobilization of selenium in the carbon skeleton can be achieved by the presence of a sufficient amount of oxygen species in the Se—C complex as interfacial species to enable strong chemical interactions between the carbon skeleton and selenium (in any chemical form). The desired amount of oxygen species in the immobilized selenium carbon composite may vary depending on the level of oxygen species in the carbon backbone source and the selenium loading level (by weight) in the Se—C composite. For selenium loadings of 50% or less, the amount of oxygen species in the Se—C complex is at least 0.63 mmol/g, at least 0.94 mmol/g, at least 1.56 mmol/g, or at least 2.19 mmol/g; For selenium loadings between 50% and 60% (including 60%), the amount of oxygen species in the Se-C complex is at least 0.5 mmol/g, at least 0.75 mmol/g, at least 1.25 mmol/g, or at least 1.75 mmol/g. g or more; For a selenium loading of 60% or higher, the amount of oxygen species in the Se—C complex is at least 0.31 mmol/g, at least 0.47 mmol/g, at least 0.78 mmol/g, or at least 1.09 mmol/g.
Se-C 복합체에서 충분한 양의 산소 종은 200℃와 250℃ 사이의 온도에서 발열 중량 손실과 관련된 산소 종과 관련이 없다는 것에 유의한다. 200℃와 250℃ 사이의 온도에서 발열 중량 손실과 관련된 산소는 공기 중의 산소 및/또는 수분과 같은 산소 종에 의한 주위 조건하에 Se-C 복합체의 산화 후 (post-oxidation) 매우 잘 발생할 수 있다.Note that a sufficient amount of oxygen species in the Se-C composite is not related to the oxygen species associated with exothermic weight loss at temperatures between 200°C and 250°C. Oxygen associated with exothermic weight loss at temperatures between 200° C. and 250° C. can occur very well after post-oxidation of Se—C composites under ambient conditions by oxygen species such as oxygen and/or moisture in air.
다공성 탄소에서 산소 종의 양은 일반적으로, 전형적으로 전구체가 전형적으로 700℃ 미만, 더 바람직하게는 650℃ 미만, 추가로 바람직하게는 600℃ 미만의 온도에서 탄소로 변환되는 탄화 공정에 이어 탄소가 전형적으로 700℃ 초과, 더 바람직하게는 750℃ 초과, 아마도 약 800℃ 이상의 온도에서 다공성 탄소로 활성화되는 활성화 공정을 포함하는, 다공성 탄소 제조 공정 동안 생성된다. 다공성 탄소의 다공성의 양은 활성화 정도에 따라 달라진다. 활성화 정도는 수증기(water steam), CO2, 염기 (예컨대 NaOH, KOH 등), 염 (예컨대 K2CO3, Na2CO3, ZnCl2 등)과 같은 상이한 활성 화학물질로 활성화 온도 및 활성화 시간에 의해 제어된다. 활성화 조건이 더 가혹할수록 다공성 탄소에 대해 더 많은 다공성이 생성된다. 1,000℃와 같은 더 높은 온도에서 및/또는 특정 기간 동안 활성화는 더 높은 수준의 다공성을 갖는 다공성 탄소를 초래하여 이는 바람직하다. 그러나, 더 높은 온도에서 및/또는 더 긴 기간 동안 활성화는 다공성 탄소에 대한 산소 종의 더 높은 수준의 손실을 초래하여 다공성 탄소에서 더 낮은 수준의 산소 종을 초래하며, 이는 바람직하지 않다. 더 높은 수준의 산소 종은 상대적으로 더 낮은 온도에서 및/또는 더 짧은 기간 동안 활성화에 의해 다공성 탄소에 대해 보존될 수 있으며, 더 낮은 다공성을 초래할 수 있어, 이는 바람직하지 않다. 본 개시내용은 상승된 활성화 에너지, 상승된 충돌 빈도 또는 저하된 수준의 운동 속도 상수를 특징으로 하여, 바람직하게는 높은 수준의 고정화를 갖는 바람직하게는 높은 수준의 셀레늄 로딩으로 셀레늄 고정화를 위한 다공성 탄소에 대한 다공성의 양 및 산소 종의 양 둘 다의 최고점에 관한 본 발명의 취지를 고려한다.The amount of oxygen species in the porous carbon is generally, typically following a carbonization process in which the precursor is converted to carbon at a temperature typically below 700° C., more preferably below 650° C., further preferably below 600° C. is produced during porous carbon manufacturing processes, including activation processes that are activated with porous carbon at temperatures above 700°C, more preferably above 750°C, and possibly above about 800°C. The amount of porosity of the porous carbon depends on the degree of activation. The degree of activation depends on the activation temperature and activation time with different active chemicals such as water steam, CO 2 , bases (eg NaOH, KOH, etc.), salts (eg K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , ZnCl 2 , etc.). is controlled by The harsher the activation conditions, the more porosity is created for the porous carbon. Activation at a higher temperature, such as 1,000° C. and/or for a certain period of time, results in a porous carbon with a higher level of porosity, which is desirable. However, activation at higher temperatures and/or for longer periods of time results in higher levels of loss of oxygen species to the porous carbon, resulting in lower levels of oxygen species in the porous carbon, which is undesirable. Higher levels of oxygen species may be conserved on the porous carbon by activation at relatively lower temperatures and/or for shorter periods of time, which may result in lower porosity, which is undesirable. The present disclosure is a porous carbon for selenium immobilization, preferably with a high level of selenium loading, characterized by an elevated activation energy, an elevated collision frequency or a reduced level of kinetic rate constant, preferably with a high level of immobilization. Consider the spirit of the present invention with respect to peaks of both the amount of porosity and the amount of oxygen species.
이전 단락에 기재된 바와 같이, 더 높은 활성화 온도 및/또는 더 긴 시간 동안 활성화는 더 높은 수준의 산소 종 손실을 초래한다. 타협된 접근 방식 중 하나는 비교적 낮은 온도, 예를 들어, 약 800℃ 이하 및 비교적 긴 시간, 예를 들어, 10분 이상 동안 활성화될 수 있다. 본 발명은 또한 심각한 활성화 공정으로부터 발생하는 바람직하게는 높은 수준의 다공성을 갖는 다공성 탄소에서 다공성 탄소의 산소 종의 양의 증진을 초래하는 후처리를 구현한다. 이어서, 그러한 산소-종 증진된 다공성 탄소는 이전 단락에서 설명된 바와 같이 다공성의 양과 산소 종의 양 둘 다에서 바람직한 수준을 갖는다.As described in the previous paragraph, higher activation temperatures and/or activation for longer times results in higher levels of oxygen species loss. One compromised approach can be activated at relatively low temperatures, eg, about 800° C. or less, and for relatively long periods of time, eg, 10 minutes or more. The present invention also embodies a post-treatment that results in an enhancement of the amount of oxygen species in the porous carbon in the porous carbon, which preferably has a high level of porosity, resulting from a severe activation process. Such oxygen-species enhanced porous carbon then has a desirable level in both the amount of porosity and the amount of oxygen species as described in the previous paragraph.
다공성 탄소는 산화제로 후처리될 수 있다. 산화제는 산소-함유 화합물질일 수 있다. 다공성 탄소의 후처리(들)는 액체 상, 또는 가스 상으로 수행될 수 있다. 다공성 탄소의 액체 상 후처리는 수성 환경에서 수행될 수 있다. 다공성 탄소의 액체 상 후처리는 또한 본질적으로 소수성 또는 친수성일 수 있는 유기 용매에서 수행될 수 있다. 다공성 탄소의 액체 상 후처리는 또한 염 용융 조건하에 수행될 수 있다.The porous carbon may be post-treated with an oxidizing agent. The oxidizing agent may be an oxygen-containing compound. The post-treatment(s) of the porous carbon may be carried out in the liquid phase or in the gas phase. Liquid phase workup of porous carbon can be carried out in an aqueous environment. Liquid phase workup of porous carbon can also be carried out in organic solvents which can be hydrophobic or hydrophilic in nature. Liquid phase workup of porous carbon can also be carried out under salt melting conditions.
다공성 탄소의 후처리는, 예를 들어, 액체 매질의 비점 이하에서 비교적 낮은 온도에서 액체로 수행될 수 있다. 대기압보다 높은 상승된 압력하에, 후처리 온도는 액체 매질의 대기 비점보다 높을 수 있다. 진공하에, 후처리 온도는 액체 매질의 대기 비점보다 낮아야 할 필요가 있다.The post-treatment of the porous carbon can be carried out with a liquid, for example, at a relatively low temperature below the boiling point of the liquid medium. Under elevated pressure above atmospheric pressure, the post-treatment temperature may be above the atmospheric boiling point of the liquid medium. Under vacuum, the post-treatment temperature needs to be below the atmospheric boiling point of the liquid medium.
산화제는 질산, 과산화수소, 과황산 염 (예를 들어, 과황산암모늄, 과황산나트륨, 또는 과황산칼륨), 망간 염, 바나듐, 크롬, 또는 환원을 허용하는 높은 산화 원자가 상태를 가진 기타 전이 금속 관련된 원소일 수 있다. 산화제는 산소, 오존, 또는 유기 과산화물일 수 있다.Oxidizing agents include nitric acid, hydrogen peroxide, persulfate salts (eg, ammonium persulfate, sodium persulfate, or potassium persulfate), manganese salts, vanadium, chromium, or other transition metal related elements having a high oxidation valence state that permits reduction. can be The oxidizing agent may be oxygen, ozone, or an organic peroxide.
수성 환경에서 다공성 탄소의 후처리는 산성 조건, pH-중성 조건 또는 염기성 조건하에 수행될 수 있다.Post-treatment of porous carbon in an aqueous environment can be carried out under acidic conditions, pH-neutral conditions or basic conditions.
후처리 다공성 탄소는 세척 및 건조될 수 있다. 건조된 후처리 다공성 탄소는 정적 조건(static condition), 가스 유동, 더 바람직하게는, 불활성 가스하에 상승된 온도 (예를 들어, ≥ 150℃, ≥ 200℃, 또는 ≥ 250℃)에서 추가로 처리될 수 있다. 그러한 열-처리는 CO2 형성과 관련된 산소 종, CO 형성과 관련된 산소 종, 및 H2O 형성과 관련된 산소 종의 분포를 재조정할 수 있다.The post-treatment porous carbon can be washed and dried. The dried post-treated porous carbon is further treated at an elevated temperature (eg, ≥ 150 °C, ≥ 200 °C, or ≥ 250 °C) under static conditions, a gas flow, more preferably, an inert gas. can be Such heat-treatment may readjust the distribution of oxygen species associated with CO 2 formation, oxygen species associated with CO formation, and oxygen species associated with H 2 O formation.
다공성 탄소의 후처리는 산소 종의 양을 30% 이상, 50% 이상, 100%이상, 또는 150% 이상으로 증진시킬 수 있다.Post-treatment of the porous carbon can enhance the amount of oxygen species to 30% or more, 50% or more, 100% or more, or 150% or more.
셀레늄과 탄소 골격의 화학적 상호작용을 증진시키는 중요한 부위로 작용할 수 있는 산소 종을 보존하는 온도에서 셀레늄의 고정화를 수행하는 것이 더 바람직할 수 있다. 다공성 탄소의 기공에 셀레늄을 용융시키는 온도는 셀레늄의 융점 이상일 수 있다. S, Te 또는 일부 기타 불순물과 같은 다른 원소를 도핑하면 셀레늄의 융점이 낮아질 수 있다.It may be more desirable to perform the immobilization of selenium at a temperature that conserves oxygen species that can act as important sites for promoting the chemical interaction of selenium with the carbon skeleton. The temperature for melting selenium in the pores of the porous carbon may be higher than the melting point of selenium. Doping with other elements such as S, Te or some other impurities can lower the melting point of selenium.
셀레늄 (도펀트가 있거나 없는)은 함침(impregnation) 방법에 의해 탄소 골격에 로딩될 수 있다. 셀레늄은 용매에 용해되어 셀레늄 용액을 형성할 수 있다. 이어서, 셀레늄 용액을 다공성 탄소에 함침시킨 다음, 증발에 의해 용매를 제거하여 다공성 탄소 내부에 셀레늄을 남긴다. 충분한 양의 셀레늄 로딩을 달성하기 위해 그러한 함침 공정이 반복될 수 있다. 이 방법은 또한 다공성 탄소에 셀레늄을 로딩하는 온도를 셀레늄의 융점보다 낮은 수준으로 실질적으로 낮출 수 있다.Selenium (with or without dopant) can be loaded into the carbon backbone by the impregnation method. Selenium can be dissolved in a solvent to form a selenium solution. The selenium solution is then impregnated into the porous carbon, and then the solvent is removed by evaporation, leaving the selenium inside the porous carbon. Such impregnation process may be repeated to achieve a sufficient amount of selenium loading. This method can also substantially lower the temperature of loading selenium into the porous carbon to a level below the melting point of selenium.
셀레늄 고정화를 위한 다공성 탄소를 생산하기 위한 공급원은 재생 가능한 탄소 공급원, 예를 들어, 그러나 이에 제한되지 않고, 바이오매스, 예컨대 당, 글루코스, 전분, 단백질, 대두 밀, 견과류, 껍질 (견과류, 쌀, 밀 등), 나무로부터의 섬유 및 톱밥, 또는 자연과 관련된 임의의 탄소 공급원으로부터 유래될 수 있다. 셀레늄 고정화를 위한 다공성 탄소를 생산하기 위한 공급원은 이전 섹션에서 설명된 바와 같이 탄소를 포함하는 염일 수 있다. 셀레늄 고정화를 위한 다공성 탄소를 생산하기 위한 공급원은 시트르산, 글루콘산, 탄닌산과 같이 탄소를 포함하는 산일 수 있다. 탄소 공급원은 또한 화학 물질, 예를 들어, 폴리올 또는 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리페놀과 같은 중합체로부터 유래될 수 있다.Sources for producing porous carbon for selenium immobilization include renewable carbon sources such as, but not limited to, biomass such as sugar, glucose, starch, protein, soybean wheat, nuts, husks (nuts, rice, wheat, etc.), fibers and sawdust from trees, or any carbon source associated with nature. The source for producing porous carbon for selenium immobilization may be a salt comprising carbon as described in the previous section. A source for producing porous carbon for selenium immobilization may be an acid containing carbon, such as citric acid, gluconic acid, or tannic acid. The carbon source may also be derived from a chemical, for example a polyol or a polymer such as polyacrylonitrile or polyphenol.
탄소 제조 공정에 대한 설명.Description of the carbon manufacturing process.
본원에 기재된 탄소 재료는 다음 단계를 포함하는 제조 방법으로부터 수득될 수 있다:The carbon material described herein can be obtained from a manufacturing method comprising the steps of:
(1) 다른 성분을 혼합: 불활성 염, 활성화제 및 탄소 전구체. 혼합 공정은 볼-밀링 공정 또는 상이한 성분의 용액의 동결-건조 공정을 포함할 수 있다; 그리고(1) Mix the other ingredients: inert salt, activator and carbon precursor. The mixing process may include a ball-milling process or a freeze-drying process of solutions of different components; And
(2) 불활성 분위기하에 고온에서 혼합물을 탄화시킨 다음, 뜨거운 물로 세척하여 무기 염을 제거하고 건조시켜 상호연결된 곡선의 얇은 탄소 층을 포함하는 3D 다공성 물질을 수득하였다. (2) The mixture was carbonized at high temperature under an inert atmosphere, and then washed with hot water to remove inorganic salts and dried to obtain a 3D porous material comprising interconnected curved thin carbon layers.
단계 (1)에서, 불활성 염은 염화칼륨, 염화나트륨 또는 탄산나트륨으로부터 선택될 수 있다. 활성화제는 탄산칼륨, 중탄산칼륨 또는 옥살산칼륨으로부터 선택될 수 있다. 탄소 전구체는 상기 기술된 재생 가능한 탄소 공급원으로부터 선택될 수 있다. 단계 (2)에서, 고온 탄화는 800 내지 900℃, 바람직하게는 800 내지 850℃에서 1 내지 8시간, 바람직하게는 1 내지 4시간의 탄화 시간 동안 수행될 수 있다.In step (1), the inert salt may be selected from potassium chloride, sodium chloride or sodium carbonate. The activator may be selected from potassium carbonate, potassium bicarbonate or potassium oxalate. The carbon precursor may be selected from the renewable carbon sources described above. In step (2), high-temperature carbonization may be performed at 800 to 900°C, preferably 800 to 850°C, for a carbonization time of 1 to 8 hours, preferably 1 to 4 hours.
본 발명은 얇은 벽 상호연결된 다공성 탄소를 자체-주형 및 외래-주형으로 제조하는 두 가지 주요 공정을 구현한다.The present invention embodies two main processes for making thin wall interconnected porous carbon self-template and extrinsic-template.
자체-주형 공정은 탄소를 포함하고 탄화될 수 있는 염, 예를 들어, 시트르산칼륨, 글루콘산칼륨, 타르타르산칼륨, 시트르산칼슘, 시트르산나트륨 등을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 염이 가열되는 경우, 이는 먼저 분해를 수반하는 용융 과정을 거쳐 물, 이산화탄소, 일산화탄소, 경질 탄화수소 및 산소화된 탄화수소일 수 있는 일부 타르와 같은 점성의 냄새 나는 오일을 형성한다; 분해가 진행됨에 따라, 원래 염의 양이온은 새로 형성된 카보네이트 및/또는 옥살레이트 및/또는 다른 형태의 염의 음이온과 함께 가용성 형태일 수 있다; 새로 형성된 카보네이트, 바이카보네이트, 옥살레이트 및/또는 기타 음이온의 농도가 용해도의 포화 점에 도달하는 경우, 분해 과정이 계속 진행됨에 따라 새로 형성된 카보네이트, 바이카보네이트, 옥살레이트 및/또는 기타 음이온의 과포화 조건이 형성되기 시작한다; 염의 용해도의 과포화는 열역학적으로 준 안정적임을 유의한다; 더 이상 (또는 이미) 동력학적으로 안정하지 않은 과포화 지점에 도달하는 경우, 새로 형성된 카보네이트, 바이카보네이트, 옥살레이트 및/또는 기타 음이온의 염이 결정화된다. 하이드록실 그룹을 포함하는 유기 카복실레이트의 염 (예를 들어, 시트르산칼륨, 글루콘산칼륨, 타르타르산칼륨 등)은 결정화 억제제일 수 있다; 그러한 결정화 억제제는 더 높은 수준의 과포화 형성을 허용하며, 이는 전형으로 크기가 작은 미소결정의 많은 집단을 초래한다. 새로 결정화된 카보네이트, 바이카보네이트 또는 임의의 다른 형태의 염은 입자 크기가 매우 균일할 수 있다. 온도가 증가하고/하거나 시간이 경과함에 따라 분해가 계속됨에 따라, 용융물의 점도가 높아져 새로 형성된 카보네이트, 바이카보네이트, 옥살레이트 염 및/또는 다른 형태의 염의 새로 형성된 미소결정의 표면을 균일하게 코팅할 수 있다. 이어서, 탄소는 결국 새로 형성된 미소결정의 표면에서 고형화된다. 이 탄소 주형 공정은 본 개시내용에서 자체-주형 공정, 탄화 공정으로 설명된다. 자체-주형 공정의 온도는 700℃ 미만일 수 있다. 그러한 자체-주형 공정은 일정한 속도로 또는 다양한 램핑 속도로 온도를 램핑시켜 수행될 수 있다. 자체-주형 공정은 또한 700℃ 이하의 온도에서 가열 온도를 일정하게 유지함으로써 수행될 수 있다.The self-moulding process may include the use of salts comprising carbon and capable of being carbonized, for example, potassium citrate, potassium gluconate, potassium tartrate, calcium citrate, sodium citrate, and the like. When the salt is heated, it first undergoes a melting process involving decomposition to form a viscous, odorous oil, such as water, carbon dioxide, carbon monoxide, light hydrocarbons and some tars, which can be oxygenated hydrocarbons; As decomposition proceeds, the cations of the original salt may be in soluble form along with the anions of the newly formed carbonate and/or oxalate and/or other forms of the salt; When the concentration of the newly formed carbonate, bicarbonate, oxalate and/or other anions reaches the saturation point of solubility, conditions for supersaturation of the newly formed carbonate, bicarbonate, oxalate and/or other anions as the decomposition process continues It begins to form; Note that supersaturation of the solubility of salts is thermodynamically metastable; Upon reaching a point of supersaturation where it is no longer (or already) kinetically stable, the newly formed salts of carbonates, bicarbonates, oxalates and/or other anions crystallize. Salts of organic carboxylates containing hydroxyl groups (eg, potassium citrate, potassium gluconate, potassium tartrate, etc.) may be crystallization inhibitors; Such crystallization inhibitors allow for higher levels of supersaturation formation, resulting in large populations of crystallites that are typically small in size. The freshly crystallized carbonate, bicarbonate or any other form of salt can be very uniform in particle size. As the temperature increases and/or the decomposition continues over time, the viscosity of the melt increases, which will uniformly coat the surface of the newly formed crystallites of the newly formed carbonate, bicarbonate, oxalate salt and/or other forms of salt. can The carbon then eventually solidifies at the surface of the newly formed crystallites. This carbon molding process is described in this disclosure as a self-moulding process, a carbonization process. The temperature of the self-moulding process may be less than 700°C. Such a self-moulding process can be performed by ramping the temperature at a constant rate or at various ramping rates. The self-moulding process can also be carried out by keeping the heating temperature constant at a temperature of 700° C. or lower.
온도가 상승함에 따라, 새로 형성된 자체-주형의 3차원 상호연결된 얇은 벽 탄소는 활성화 화학물질로서 새로 형성된 미소결정에 의해 활성화 공정을 거친다. 예를 들어, 활성화 공정은 본질적으로 탄소와 새로 형성된 미소결정, 예컨대 K2CO3 (공급원료로서 시트르산칼륨으로부터) 사이의 고온 산화환원 반응, K2CO3 + C → K2O + 2CO (이는 약 700℃ 이상에서 발생한다)에 기반할 수 있다. 탄소의 소비는 탄소에 다공성 (특히, 마이크로다공성)을 생성하여 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소의 형성을 초래할 수 있다. 활성화 온도는 최대 1,100℃일 수 있다. 램핑 속도는 1℃/분 미만에서 최대 100℃/분 범위일 수 있다. 불활성 운반 가스, 예를 들어, 질소 또는 아르곤의 유동은 다공성 탄소 제조 공정에 사용될 수 있다. 반응성 가스, 예컨대 CO2 및 증기는 활성화를 위해 그리고 활성화 동안 별도로 또는 함께 사용할 수도 있다.As the temperature rises, the newly formed self-templated three-dimensional interconnected thin-walled carbon undergoes an activation process by the newly formed crystallites as an activating chemical. For example, the activation process is essentially a high-temperature redox reaction between carbon and newly formed crystallites, such as K 2 CO 3 (from potassium citrate as feedstock), K 2 CO 3 + C → K 2 O + 2CO (which Occurs above about 700°C). Consumption of carbon can create porosity (especially microporosity) in the carbon, resulting in the formation of three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon. The activation temperature may be up to 1,100°C. Ramping rates may range from less than 1°C/min up to 100°C/min. A flow of an inert carrier gas such as nitrogen or argon can be used in the porous carbon manufacturing process. Reactive gases such as CO 2 and vapor may be used separately or together for and during activation.
탄소의 다공성 생성에 기여할 수 있는 추가 또는 2차 반응이 있을 수 있다. 이러한 반응 과정 중 일부는 다음을 포함할 수 있다: i) 탄화 및/또는 활성화 공정 동안 생성되는 CO2에 의한 탄소의 가스화, ii) 탄소에 의한 금속 산화물의 환원 (예를 들어, K2O + C → CO + 2 K), iii) 특정의 새로 형성된 금속 종 (예를 들어, K)을 탄소 층으로 삽입, 또는 iv) 양이온과 관련된 촉매 효과, 이는 특히 칼륨의 경우 관련이 있다. 800 내지 850℃ 초과 온도에서 서서히 발생하는 미반응 K2CO3 (K2CO3 → K2O + CO2)의 분해로 인해 생성된 CO2의 결과로서 탄소 (C+CO2 = 2 CO)의 가스화와 특히 관련이 있다.There may be additional or secondary reactions that may contribute to the creation of porosity of the carbon. Some of these reaction processes may include: i) gasification of carbon by CO 2 produced during the carbonization and/or activation process, ii) reduction of metal oxides by carbon (eg, K 2 O + C → CO + 2 K), iii) insertion of certain newly formed metal species (eg K) into the carbon layer, or iv) catalytic effects involving cations, which are particularly relevant for potassium. Carbon (C+CO 2 = 2 CO) as a result of CO 2 produced by the decomposition of unreacted K 2 CO 3 (K 2 CO 3 → K 2 O + CO 2 ) that occurs slowly at temperatures above 800 to 850° C. of particular relevance to the gasification of
외래-주형 공정은 임의로 불활성 염 (예를 들어, KC1, NaCl 등)과 함께 외래 입자, 예를 들어, 활성화제 (예를 들어, 알칼리 금속 및 카보네이트의 염, 예컨대 K2CO3, 알칼리 금속 수산화물, 예컨대 KOH)를 사용하여 탄소 공급원으로부터 다량의 다공성을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 외래 입자는 탄화 전 또는 탄화 후, 더 바람직하게는 탄화 단계 전에 탄소 공급원과 혼합될 수 있다. 외래 입자와 탄소 공급원의 그러한 혼합은 물리적 블렌딩, 임의로 기계적 밀링, 또는 유기 액체 매질을 사용하여 수용액, 수성 슬러리 또는 대응물로부터 외래 입자의 화학물질과 함께 탄소 공급원의 재결정화에 의해 달성될 수 있다. 재결정화 공정을 위한 건조 공정은 증발, 공기-건조, 오븐-건조, 분무-건조 또는 동결건조에 의한 것일 수 있다.The exogenous-template process optionally includes exogenous particles, e.g., activators (e.g., salts of alkali metals and carbonates, such as K 2 CO 3 , alkali metal hydroxides, optionally together with inert salts (e.g., KCl, NaCl, etc.) , such as KOH) to create a large amount of porosity from the carbon source. The foreign particles may be mixed with the carbon source before or after carbonization, more preferably before the carbonization step. Such mixing of the foreign particles with the carbon source may be accomplished by physical blending, optionally mechanical milling, or recrystallization of the carbon source with the chemical of the foreign particles from an aqueous solution, aqueous slurry or counterpart using an organic liquid medium. The drying process for the recrystallization process may be by evaporation, air-drying, oven-drying, spray-drying or freeze-drying.
혼합물이 외래-주형 공정에서 가열될 경우, 자체-주형 공정에 대한 이전 단락에서 설명한 것과 유사하게 염 주형 입자에 대한 탄소 공급원의 탄화-활성화가 발생한다. 탄화 공정 동안, 탄소 공급원은 온도가 상승하고 시간이 경과함에 따라 어떻게든 용융되어 분해를 경험하여 부산물, 예컨대 CO2, CO, 물, 경질 탄화수소 및 일부 점성의 끈적한 중질 탄화수소를 형성할 수 있다. 용융 점도가 증가하고 용융물이 결국 외래 입자의 표면에 코팅 및 고화되어 외래 입자의 표면에 상호연결된 얇은 벽 탄소 코팅을 형성할 수 있다. 온도가 계속 상승함에 따라, 활성화 공정이 시작되고 다공성이 발생하는데, 이는 본질적으로 고온 산화환원 반응, 예를 들어, K2CO3 + C → K2O + 2CO를 기반으로 할 수 있으며, 상기 반응은 약 700℃ 이상의 온도에서 발생한다.When the mixture is heated in an ex-template process, carbonization-activation of the carbon source to the salt template particles occurs similar to that described in the previous paragraph for the self-templating process. During the carbonization process, the carbon source rises in temperature and can somehow melt over time and experience decomposition to form by-products such as CO 2 , CO, water, light hydrocarbons and some viscous sticky heavy hydrocarbons. The melt viscosity increases and the melt eventually coats and solidifies on the surface of the foreign particle to form an interconnected thin-walled carbon coating on the surface of the foreign particle. As the temperature continues to rise, the activation process begins and porosity develops, which may be essentially based on a high temperature redox reaction, e.g., K 2 CO 3 + C → K 2 O + 2CO, which occurs at temperatures above about 700 °C.
예를 들어, 외래 입자가 임의로, 또 다른 예로서 KC1을 불활성 염으로 포함하는 경우, 활성화 화학물질, 예컨대 K2CO3의 융점은 891℃로부터 낮아지는데, 또 다른 예로서 약 630℃로 낮아진다. 약 630℃ 정도의 온도에서 KCI-K2CO3 액체 상 시스템의 형성으로 인해, 상호연결된 얇은 벽 탄소의 활성화는 아마도 활성화 화학물질 (예컨대 이 경우 K2CO3)과 상호연결된 얇은 벽 탄소의 표면 사이의 보다 친밀한 접촉을 통해 아마도 탄화된 생성물 (상호연결된 얇은 벽 탄소)과 K2CO3의 증진된 반응성으로 인해 현저하게 가속화될 수 있다. 이것은 활성화 화학물질 및 임의로 불활성 염을 포함하는 외래 입자를 사용한 외래-주형 공정은 실제로 (덜 가혹한 조건하에, 즉 더 낮은 활성화 온도에서 활성화) 충분한 양의 산소-함유 종을 보존하면서 충분한 양의 다공성을 가진 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소의 합성을 달성하는 더 실행 가능한 전략일 수 있다. 동시에, 탄소 표면의 표면은 용융된 KCl-K2CO3 액체 상에 의해 단리되어, 아마도 형성된 CO2 가스상 분자가 고화된 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소의 표면으로 확산되는 것을 제한함으로써 형성된 CO2와 형성된 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소의 2차 반응을 방지할 수 있고, 이는 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소의 더 높은 수율을 얻기 위해 바람직하다. 또한, "모놀로식(monolithic)" 용융된 KCI-K2CO3 액체 상은 또한 탄소 휘발성 물질과 같은 방출된 가스의 가스상 확산을 제한할 수 있으며, 이는 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소에 재침착될 가능성과 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소의 수율 증가를 초래할 수 있어, 이는 바람직하다.For example, when the foreign particle optionally comprises KC1 as an inert salt as another example, the melting point of the activating chemical, such as K 2 CO 3 , is lowered from 891° C., in another example to about 630° C. Due to the formation of the KCI-K 2 CO 3 liquid phase system at a temperature of the order of about 630° C., the activation of the interconnected thin-walled carbon is presumably due to the activating chemical (eg K 2 CO 3 in this case) and the surface of the interconnected thin-walled carbon. Through a more intimate contact between the carbonized product (interconnected thin-walled carbon) and possibly due to the enhanced reactivity of K 2 CO 3 can be significantly accelerated. This means that exogenous-templating processes using exogenous particles comprising an activating chemical and optionally an inert salt actually (activation under less harsh conditions, i.e. at lower activation temperatures) produce a sufficient amount of porosity while preserving a sufficient amount of oxygen-containing species. may be a more viable strategy to achieve the synthesis of three-dimensional interconnected thin-walled porous carbons with At the same time, the surface of the carbon surface is isolated by the molten KCl-K 2 CO 3 liquid phase, possibly limiting the diffusion of the formed CO 2 gaseous molecules to the surface of the solidified three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon CO 2 It is possible to prevent secondary reaction of the interconnected thin-walled porous carbon formed with , which is preferable to obtain a higher yield of interconnected thin-walled porous carbon. In addition, the “monolithic” molten KCI-K 2 CO 3 liquid phase can also limit the gas phase diffusion of released gases, such as carbon volatiles, which redeposit on the three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon. This is desirable, as it can lead to increased yield of thin-walled porous carbon interconnected with the potential to become
실시예 14. 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질: 탄소 제조 및 특징 분석 --- 외래-주형 공정에 의한: 글루코스와 같은 탄소 공급원,KExample 14. Three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials: carbon preparation and characterization --- by exogenous-templating process: carbon source such as glucose, K 22 COCO 33 과 같은 활성화 화학물질, 및 임의로 KCl과 같은 불활성 염의 수성 혼합물의 동결 건조.Freeze drying of an aqueous mixture of an activating chemical, such as, and optionally an inert salt, such as KCl.
적절한 양의 KC1, K2CO3 및 글루코스를 증류수에 용해시킨 후, 용액을 액체 질소 (-196℃)로 동결시킨 다음, 동결건조기로 옮기고, -50℃의 온도 및 0.06 mbar의 압력에서 동결건조시켜 KCl, K2CO3 및 글루코스의 고체 혼합물을 생성하였다. 이어서, 고체 혼합물을 불활성 분위기하에 850℃에서 1시간 동안 탄화시키고, 실온으로 냉각시킨 다음, 뜨거운 증류수로 세척하고, 여과하고, 건조시켜 도 20에 나타낸 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질을 생성한다.After dissolving appropriate amounts of KC1, K 2 CO 3 and glucose in distilled water, the solution is frozen in liquid nitrogen (-196° C.), then transferred to a lyophilizer, and freeze-dried at a temperature of -50° C. and a pressure of 0.06 mbar. to give a solid mixture of KCl, K 2 CO 3 and glucose. The solid mixture was then carbonized at 850° C. for 1 hour under an inert atmosphere, cooled to room temperature, washed with hot distilled water, filtered, and dried to produce the three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials shown in FIG. do.
글루코스로부터 유래된 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질의 표면적은 2,316 m2/g으로 측정되었고, 이때 총 기공 부피는 1.04 cm3/g이고 마이크로기공 부피는 0.90 cm3/g이고 마이크로다공성으로 기술된 약 86%의 기공과 메조 및 매크로다공성으로 기술된 약 14%의 기공을 갖는다. N2 흡착 등온선과 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질의 기공 크기 분포는 도 21에 나타낸다.The surface area of the glucose-derived three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial was measured to be 2,316 m 2 /g, with a total pore volume of 1.04 cm 3 /g and a micropore volume of 0.90 cm 3 /g with microporosity. It has about 86% pores described and about 14% pores described as meso and macroporosity. The N 2 adsorption isotherm and the pore size distribution of the 3D interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial are shown in FIG. 21 .
또 다른 예에서, 글루코스 대신 대두 밀이 사용된다. 도 22에서 볼 수 있듯이, 대두 밀로부터 유래된 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질의 거시적 구조는 글루코스로부터 유래된 것과 유사한다. 그러나, 이 물질은 표면적이 2,613 m2/g이고 기공 부피가 1.42 cm3/g이고 마이크로기공 부피가 1.0 cm3/g이고, 마이크로다공성으로 기술된 약 70%의 기공과 메조 및 매크로다공성으로 기술된 약 30%의 기공을 갖는다. N2 흡착 등온선과 이 물질의 기공 크기 분포는 도 23에 나타낸다. 대두 밀로부터 유래된 이 물질의 메조다공성의 양은 글루코스로부터 유래된 것보다 더 높다.In another example, soy wheat is used instead of glucose. As can be seen in Figure 22, the macroscopic structure of the three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial derived from soybean wheat is similar to that derived from glucose. However, this material has a surface area of 2,613 m 2 /g, a pore volume of 1.42 cm 3 /g and a micropore volume of 1.0 cm 3 /g, and is described as meso- and macroporous with about 70% of the pores described as microporous. It has about 30% pores. The N 2 adsorption isotherm and the pore size distribution of this material are shown in FIG. 23 . The amount of mesoporosity of this material derived from soybean wheat is higher than that derived from glucose.
[표 5][Table 5]
상기 표 5는 전구체; 활성화제/주형화제; 전구체/활성화제/주형화제 중량 비; 및 탄화 비의 다양한 조합에 대해 외래-주형에 의해 만든 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질의 다수의 상이한 예를 나타낸다 - 나타낸 조직 성질과 화학적 구성의 상이한 조합을 초래하고, 여기서, VBET = 겉보기 표면적; Vp = 총 기공 부피; 및 V미세 = 마이크로-기공 부피.Table 5 shows precursors; activator/templating agent; precursor/activator/templating agent weight ratio; and a number of different examples of exo-templated three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials for various combinations of carbonization ratios - resulting in different combinations of tissue properties and chemical makeup shown, where V BET = apparent surface area; V p = total pore volume; and V fine = micro-pore volume.
실시예 15: 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질: 커패시터 제조 및 성능.Example 15: Three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials: capacitor fabrication and performance.
실시예 14에서 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질 재료는 전기화학적 커패시터에서 전극으로서 사용될 수 있다. 전극은, 예를 들어, PTFE 또는 PVDF일 수 있는 유기 결합제를 포함한다. 옵션으로서, 전극은 또한, 예를 들어, 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브 등과 같은 전기-전도성 촉진제를 포함한다. 전형적인 예에서, 85 중량%의 활성 물질, 10 중량%의 결합제 및 5%의 전기-전도성 촉진제의 혼합물이 제조된다.The three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial material in Example 14 can be used as an electrode in an electrochemical capacitor. The electrode comprises an organic binder, which may be, for example, PTFE or PVDF. Optionally, the electrode also comprises an electrically-conductive promoter, such as, for example, carbon black, graphene, carbon nanotubes, and the like. In a typical example, a mixture of 85% by weight of active material, 10% by weight of binder and 5% of electrically-conductive promoter is prepared.
전극 제조 방법은 모르타르에서 상이한 성분의 슬러리 또는 이들의 건조 혼합물을 제조하는 것을 포함할 수 있다. 슬러리는 집전체에 코팅되거나 디스크 전극과 같은 자체-지지된 전극으로 성형될 수 있다. 전극은 전기화학 커패시터에서 사용하기 전에 압착되거나 롤러-밀링될 수 있다.The electrode manufacturing method may include preparing a slurry of different components or a dry mixture thereof in a mortar. The slurry can be coated on a current collector or molded into a self-supporting electrode such as a disk electrode. Electrodes may be pressed or roller-milled prior to use in electrochemical capacitors.
대칭 전기화학적 커패시터는 상기 설명된 전극을 사용하여 조립될 수 있다. 질량과 두께가 동일한 2개의 전극이 사용될 수 있다. 집전체는 사용되는 전해질에 따라 금, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈 등으로 만들 수 있다.Symmetrical electrochemical capacitors can be assembled using the electrodes described above. Two electrodes of equal mass and thickness may be used. The current collector may be made of gold, stainless steel, aluminum, nickel, or the like, depending on the electrolyte used.
전해질은 산 수용액, 예컨대 황산 또는 염소산, 염기성 용액, 예컨대 수산화나트륨 또는 수산화칼륨, 염, 예컨대 황산리튬, 황산나트륨, 황산칼륨 등일 수 있다; 전해질은 유기 용액, 예컨대 유기 염, 예를 들어, 테트라메틸암모늄 테트라플루우로보레이트, 테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트 등, 또는 유기 용액, 예컨대 이온성 액체, 예컨대 1-에틸-3-메틸이미다졸늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨-테트라플루오로보레이트, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 등 또는 상기 언급된 바와 같은 순수한 이온성 액체일 수 있다.The electrolyte may be an aqueous acid solution such as sulfuric or chloric acid, a basic solution such as sodium or potassium hydroxide, a salt such as lithium sulfate, sodium sulfate, potassium sulfate and the like; The electrolyte may be an organic solution, such as an organic salt, for example, tetramethylammonium tetrafluoroborate, tetraethylammoniumtetrafluoroborate, tetrabutylammonium tetrafluoroborate, or the like, or an organic solution, such as an ionic liquid, such as 1- Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, 1-ethyl-3-methylide midazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium-tetrafluoroborate, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, etc. or as mentioned above It may be the same pure ionic liquid.
전기화학 커패시터는 0.2 A/g, 0.5 A/g, 1 A/g, 5 A/g, 10 A/g, 20 A/g, 50 A/g에서 또는 더 빨리 충전될 수 있다. 조립된 전기화학적 커패시터는 컴퓨터로 제어된 전위가변기를 사용하여 시험되었다. 시험은 순환 전압 전류법 실험 (CV), 전기화학적 임피던스 분광학 연구 (EIS) 및 정전류 충전/방전 (CD) 사이클링 시험으로 구성되었다. 셀 전압은 산 또는 염기 용액에서 최대 1 V, 염 수용액에서 최대 1.5V, 유기 및 이온성 액체 전해질 용액에서 최대 3 V일 수 있다.Electrochemical capacitors can be charged at 0.2 A/g, 0.5 A/g, 1 A/g, 5 A/g, 10 A/g, 20 A/g, 50 A/g or faster. The assembled electrochemical capacitors were tested using a computer-controlled potentiometer. The tests consisted of a cyclic voltammetry experiment (CV), an electrochemical impedance spectroscopy study (EIS) and a constant current charge/discharge (CD) cycling test. Cell voltages can be up to 1 V in acid or base solutions, up to 1.5 V in aqueous salt solutions, and up to 3 V in organic and ionic liquid electrolyte solutions.
예를 들어, 1 M H2SO4 용액이 전해질로서 사용된다. 글루코스 유래된 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질 (글루코스-기반으로도 불림)로 제조된 전기화학 커패시터는 0.2 A/g에서 57 F/g의 셀 커패시턴스를 가지고, 대두 밀-기반 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질 (대두 밀 기반으로 불림)로 제조된 전기화학 커패시터는 60 F/g의 커패시턴스를 갖는다. 110 A/g의 매우 큰 전류 밀도에서, 셀 커패시턴스는 각각 24 및 31 F/g이다.For example, a 1 MH 2 SO 4 solution is used as the electrolyte. Electrochemical capacitors made of glucose-derived three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials (also called glucose-based) have cell capacitances of 57 F/g at 0.2 A/g, and soy wheat-based three-dimensional interconnections. Electrochemical capacitors made of interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials (called soy mill based) have a capacitance of 60 F/g. At a very large current density of 110 A/g, the cell capacitance is 24 and 31 F/g, respectively.
또 다른 예에서, 1 M Li2SO4 용액이 전해질로서 사용된다. 글루코스-기반 전기화학 커패시터는 0.2 A/g에서 37 F/g의 셀 커패시턴스를 가지고, 대두 밀-기반 전기화학 커패시터는 39 F/g이다. 20 A/g의 전류 밀도에서, 셀 커패시턴스는 각각 25 및 29 F/g이다.In another example, a 1 M Li 2 SO 4 solution is used as the electrolyte. The glucose-based electrochemical capacitor has a cell capacitance of 37 F/g at 0.2 A/g, and the soy wheat-based electrochemical capacitor is 39 F/g. At a current density of 20 A/g, the cell capacitance is 25 and 29 F/g, respectively.
또 다른 예에서, 아세토니트릴 중 EMImTFSI 용액 (1:1 중량%)이 전해질로서 사용된다. 글루코스-기반 전기화학 커패시터는 0.2 A/g에서 36 F/g의 셀 커패시턴스를 가지고, 대두 밀-기반 전기화학 커패시터는 39 F/g이다. 30 A/g의 전류 밀도에서, 셀 커패시턴스는 각각 28 F/g 및 30 F/g이다.In another example, a solution of EMImTFSI in acetonitrile (1:1 wt %) is used as the electrolyte. The glucose-based electrochemical capacitor has a cell capacitance of 36 F/g at 0.2 A/g, and the soy wheat-based electrochemical capacitor is 39 F/g. At a current density of 30 A/g, the cell capacitance is 28 F/g and 30 F/g, respectively.
상이한 전해질을 갖는 전기화학적 커패시터의 라곤 (Ragone)형 플롯을 도 X8에 나타낸다. 전기화학적 커패시터의 견고성은 5,000 사이클 초과에 걸쳐 5 내지 10 A/g에서 장기간 사이클링에 의해 시험되었다.A Ragone-type plot of electrochemical capacitors with different electrolytes is shown in FIG. X8. The robustness of the electrochemical capacitors was tested by long-term cycling at 5-10 A/g over more than 5,000 cycles.
실시예 16 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질: 외래-주형 공정에 의한 탄소 제조, 탄소 공급원, 예컨대 당, 글루코스, 대두 밀, 또는 톱밥,활성화 화학물질, 예컨대 KExample 16 Three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials: carbon production by ex-template process, carbon source such as sugar, glucose, soybean wheat, or sawdust, activating chemicals such as K 22 CQCQ 33 , 및 임의로 불활성 염, 예컨대 KC1의 블렌딩 (임의로 밀링 후)., and optionally an inert salt such as KC1 (optionally after milling).
적절한 양의 탄소 공급원, 예컨대 당, 글루코스, 대두 밀, 톱밥 (예를 들어, 소나무 톱밥, 체리 톱밥, 또는 참나무 톱밥), 활성화 화학물질, 예컨대 K2CO3, 및 임의로 불활성 염 등을 칭량한 다음, 기계적 밀링을 포함할 수 있는 물리적 혼합 후 세라믹, 스틸, 스테인레스 스틸 등으로 만들어질 수 있는 도가니로 옮겼다. 불활성 가스 (옵션일 수도 있음)의 유동하에, 혼합물은 100℃/min 미만의 램핑 속도로, 임의로(optionally) 탄화 기간 동안 700℃ 이하의 침지 온도로 또는 직접적으로 700℃ 이상의 활성화 온도로 가열되고, 활성화를 위해 일정 기간 동안 온도에서 유지된다. 램핑 과정을 통해, 탄소 공급원은 CO, CO2, 물, 경질 탄화수소, 및 중질 및 끈적한 오일성 탄화수소로 분해되어 탄화 과정을 거친다. 활성화 공정 동안, CO, CO2, 물, 및 탄소 휘발성 물질이 계속 형성될 수 있다.Weigh out an appropriate amount of a carbon source such as sugar, glucose, soybean wheat, sawdust (eg, pine sawdust, cherry sawdust, or oak sawdust), activating chemicals such as K 2 CO 3 , and optionally inert salts, and the like; After physical mixing, which may include mechanical milling, it is transferred to a crucible that can be made of ceramic, steel, stainless steel, etc. Under a flow of an inert gas (which may be optional), the mixture is heated at a ramping rate of less than 100 °C/min, optionally to an immersion temperature of 700 °C or less or directly to an activation temperature of 700 °C or more for a carbonization period, It is maintained at temperature for a period of time for activation. Through the ramping process, the carbon source is decomposed into CO, CO 2 , water, light hydrocarbons, and heavy and sticky oily hydrocarbons that undergo carbonization. During the activation process, CO, CO 2 , water, and carbon volatiles may continue to form.
활성화 후, 혼합물은 물과 혼합되고, 임의로 염산, 황산, 질산, 인산 등과 같은 산으로 중화된다. 이어서, 탄소 슬러리를 여과하고, 낮은 수준의 전기 전도도, 예를 들어, 5,000 μS/cm 미만, 3,000 μS/cm 미만, 1,000 μS/cm 미만을 갖는 수준까지 물로, 그리고 300 μS/cm 미만, 100 μS/cm 미만, 또는 심지어 50 μS/cm 미만의 전도도까지 임의로 탈이온수 또는 증류수로 세척한다. 여과된 케이크는 오븐에서 건조시켜 물을 제거할 수 있다.After activation, the mixture is mixed with water and optionally neutralized with an acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid and the like. The carbon slurry is then filtered and water to a level having a low level of electrical conductivity, e.g., less than 5,000 μS/cm, less than 3,000 μS/cm, less than 1,000 μS/cm, and less than 300 μS/cm, 100 μS Wash optionally with deionized or distilled water to a conductivity of less than /cm, or even less than 50 μS/cm. The filtered cake can be dried in an oven to remove the water.
이어서, 생성된 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질은 산소 함량, SEM, XRD, 라만, TGA-DSC, N2 및 CO2 BET 표면적 및 기공 크기 분포로 특징 분석되었다.The resulting three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials were then characterized by oxygen content, SEM, XRD, Raman, TGA-DSC, N 2 and CO 2 BET surface area and pore size distribution.
다음 표 5는 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질, 예컨대 237-8 (시트르산칼륨으로부터 합성된 자체-주형 탄소), 237-51A (시트르산칼륨으로부터 자체-주형 탄소), SKK2 (외래-주형 탄소) 대 상업적 탄소, 예컨대 Elite C (미국 펜실베니아주 Calgon Carbon of Pittsburgh로부터 입수 가능); YP-50 (일본 오사카 Kruray Co. Ltd로부터 입수 가능); Ketjen 카본 블랙 (일본 도쿄 Lion Specialty Chemicals Co. Ltd.로부터 입수 가능); Maxsorb (일본 효고 Kansai Coke and Chemicals Co. Ltd.로부터 입수 가능)의 원소 분석을 나타낸다.The following Table 5 shows three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials such as 237-8 (self-templated carbon synthesized from potassium citrate), 237-51A (self-templated carbon from potassium citrate), SKK2 (exogenous-templated carbon) ) versus commercial carbons such as Elite C (available from Calgon Carbon of Pittsburgh, PA); YP-50 (available from Kruray Co. Ltd, Osaka, Japan); Ketjen carbon black (available from Lion Specialty Chemicals Co. Ltd., Tokyo, Japan); Elemental analysis of Maxsorb (available from Kansai Coke and Chemicals Co. Ltd., Hyogo, Japan) is shown.
[표 6][Table 6]
상기 표 6은 두 그룹의 탄소를 나타내는데, 하나의 그룹은 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질, 예컨대 237-8 (시트르산칼륨으로부터 합성된 자체-주형 탄소), 237-51A (글루코스로부터 외래-주형 탄소), 237- 101D (시트르산칼륨으로부터 합성된 자체-주형 탄소) 및 SKK2 (당으로부터 외래-주형 탄소)로, 산소 함량은 1.5 중량% 초과, 2.0 중량% 초과, 3 중량% 초과, 또는 4.0 중량% 초과이다. XRD 연구는 상기 표에서 탄소 재료가 모두 비정질임을 나타낸다. 라만 연구는 상기 표에서 탄소 재료가 또한 본질적으로 비정질이며 D-피크와 G-피크 둘 다에서 비정질 탄소 시그니처 라만 산란을 나타낸다.Table 6 above shows two groups of carbons, one group being three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials such as 237-8 (self-templated carbon synthesized from potassium citrate), 237-51A (exogenous from glucose- with template carbon), 237-101D (self-template carbon synthesized from potassium citrate) and SKK2 (exogenous-template carbon from sugar), oxygen content greater than 1.5 wt%, greater than 2.0 wt%, greater than 3 wt%, or 4.0 more than % by weight. XRD studies show that all of the carbon materials in the table above are amorphous. Raman studies show in the table above that the carbon material is also essentially amorphous and exhibits amorphous carbon signature Raman scattering at both the D-peak and G-peak.
이어서, 제조된 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소는 셀레늄 고정화를 제조하기 위해 사용된다. 적절한 양의 셀레늄 및 탄소를 이전에 설명된 바와 같이 함께 혼합한 다음, 상승된 수준의 산소 종의 존재하에 셀레늄을 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소에 용융시켜 본 발명의 고정화된 셀레늄을 생성하였다; 본 발명에서 고정화 셀레늄을 만드는 과정에 대해서는 이전 설명을 참조한다. 이어서, 고정화된 셀레늄은 산소 함량 분석, XRD, 라만, SEM, TGA-DSC 등에 의해 특징 분석된다.The prepared interconnected thin-walled porous carbon is then used to prepare selenium immobilization. Appropriate amounts of selenium and carbon were mixed together as previously described, followed by melting selenium into interconnected thin-walled porous carbon in the presence of elevated levels of oxygen species to produce the immobilized selenium of the present invention; For the process of making immobilized selenium in the present invention, refer to the previous description. The immobilized selenium is then characterized by oxygen content analysis, XRD, Raman, SEM, TGA-DSC, and the like.
표: 1.5 중량% 초과, 2.0 중량% 초과, 3 중량% 초과, 또는 4.0 중량% 초과를 갖는 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질에서 고정화된 셀레늄 대(vs.) 산소 함량이 1.5 중량% 미만, 2.0 중량% 미만, 3 중량% 미만, 또는 4.0 중량% 미만인 시판 탄소로 제조된 고정화된 탄소-셀레늄 복합체의 산소 함량 분석.Table: Immobilized Selenium vs. Oxygen Content Less than 1.5 wt% in Three-Dimensional Interconnected Thin Wall Porous Carbon Nanomaterials Having More Than 1.5 wt%, More Than 2.0 wt%, More Than 3 wt%, or More Than 4.0 wt% , analysis of the oxygen content of immobilized carbon-selenium composites prepared with commercially available carbon that is less than 2.0 wt%, less than 3 wt%, or less than 4.0 wt%.
[표 7][Table 7]
상기 표 7은 2개의 상이한 그룹의 고정화된 셀레늄을 나타내는데, 하나의 그룹 (I족, 즉 Ketjen 600JD, 237-8, 237-51A, 237-67, 237-101D 및 SKK-2로 불림)은 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질에 대한 산소 함량의 대략 절반인 1% 내지 10%, 1.5% 내지 9%, 또는 2% 내지 8%에 이르는 산소 함량을 가지며 또 다른 그룹 (II족, 즉 Elite C 및 Maxsorb MSP20X로 불림)은 탄소의 산소 함량이 적어도 5배, 또는 8% 초과, 9% 초과, 또는 10% 초과인 산소 함량을 갖는다. Ketjen 탄소는 탄소-셀레늄 복합체가 비고정화된 셀레늄으로 간주되는 비다공성 탄소임을 유의한다; 따라서, 이의 산소 함량은 1% 미만으로 매우 낮다.Table 7 above shows two different groups of immobilized selenium, one group (called group I, ie Ketjen 600JD, 237-8, 237-51A, 237-67, 237-101D and SKK-2) is 3 having an oxygen content ranging from 1% to 10%, 1.5% to 9%, or 2% to 8%, which is approximately half the oxygen content for dimensionally interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials with another group (Group II, i.e. Elite C and called Maxsorb MSP20X) have an oxygen content that is at least five times the oxygen content of carbon, or greater than 8%, greater than 9%, or greater than 10%. Note that Ketjen carbon is a non-porous carbon where the carbon-selenium complex is considered unimmobilized selenium; Therefore, its oxygen content is very low, less than 1%.
I족 고정화된 셀레늄에서 산소 종은 셀레늄의 고정화에서 계면 화학 그룹으로서 중요한 역할을 할 수 있으며, 이는 탄소와 셀레늄 사이의 강한 상호작용을 허용하여, 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질의 기공 내부에 셀레늄 원자 또는 종의 더 단단한 패킹(packing)을 발생시키며 이는 본 발명의 예로 나타낸 증진된 충돌 빈도에 의해 입증될 수 있다. 탄소 골격과 셀레늄 원자 또는 셀레늄 화학 종 사이의 그러한 상호작용은 또한 더 높은 고유 밀도로 추가로 입증할 수 있다.Oxygen species in group I immobilized selenium may play an important role as interfacial chemical groups in the immobilization of selenium, which allows for strong interactions between carbon and selenium, leading to the interior pore interior of three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials. results in tighter packing of selenium atoms or species, which can be demonstrated by the enhanced collision frequency shown as an example of the present invention. Such interactions between the carbon skeleton and selenium atoms or selenium species can also be further demonstrated with higher intrinsic densities.
예를 들어, 3차원 상호연결된 얇은 벽 다공성 탄소 나노물질, 예를 들어, 셀레늄에 대한 탄소의 50-50 (중량 기준)의 비로 시트르산칼륨으로부터 합성된 자체-주형 탄소로 제조된 고정화된 셀레늄의 샘플. 밀도가 3.42 g/cm3인 것을 발견한 것은 놀라웠다. 셀레늄의 밀도가 4.819 g/cm3임에 유의한다. 4.819 g/cm3을 사용하여, 고정화된 셀레늄 복합체에서 탄소 밀도는 약 2.8 g/cm3으로 계산된다. 또한, 다이아몬드는 밀도가 3.5 g/cm3이고; 흑연은 밀도가 약 2.3 g/cm3이고; 비정질 탄소는 전형적인 밀도가 약 2.0 g/cm3임에 유의한다.For example, a three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial, e.g., a sample of immobilized selenium made of self-templated carbon synthesized from potassium citrate at a carbon to selenium ratio of 50-50 (by weight) . It was surprising to find that the density was 3.42 g/cm 3 . Note that the density of selenium is 4.819 g/cm 3 . Using 4.819 g/cm 3 , the carbon density in the immobilized selenium composite is calculated to be about 2.8 g/cm 3 . Also, diamond has a density of 3.5 g/cm 3 ; Graphite has a density of about 2.3 g/cm 3 ; Note that amorphous carbon has a typical density of about 2.0 g/cm 3 .
이어서, 고정화된 셀레늄은 이전에 기술된 바와 같은 적절한 양의 고정화된 셀레늄, 수성 또는 유기 매질 및 적어도 하나의 결합제를 혼합한 다음, 예를 들어, 알루미늄 포일과 같은 전하 수집기에서 코팅하여 고정화된 셀레늄을 포함하는 캐소드를 생성함으로써 재충전식 전지의 캐소드를 제조하기 위해 사용된다. 본 발명에서 고정화된 셀레늄을 포함하는 캐소드를 제조하는 과정에 대해 이전 설명을 참조한다.The immobilized selenium is then prepared by mixing an appropriate amount of immobilized selenium as previously described, an aqueous or organic medium and at least one binder, followed by coating in a charge collector such as, for example, aluminum foil to obtain the immobilized selenium. It is used to manufacture the cathode of a rechargeable battery by creating a cathode comprising Reference is made to the previous description for the process of manufacturing the cathode including immobilized selenium in the present invention.
이어서, 고정화된 셀레늄을 포함하는 생성된 캐소드는 애노드, 예를 들어, 리튬, 세퍼레이터, 전해질을 갖는 재충전식 전지를 조립하기 위해 사용된다. 본 발명에서 고정화된 셀레늄을 포함하는 캐소드를 포함하는 재충전식 전지를 조립하는 과정은 이전 설명을 참조한다.The resulting cathode comprising immobilized selenium is then used to assemble a rechargeable battery with an anode, eg, lithium, a separator, an electrolyte. For the process of assembling the rechargeable battery including the cathode including immobilized selenium in the present invention, refer to the previous description.
생성된 탄소 샘플은 커패시터 또는 재충전식 전지를 위한 전극 제조 공정에 추가로 사용될 수 있다.The resulting carbon sample can be further used in the electrode manufacturing process for capacitors or rechargeable batteries.
실시예는 첨부된 도면을 참조하여 설명되었다. 전술한 실시예를 읽고 이해하면 나머지에 수정 및 변경이 발생할 것이다. 따라서, 전술한 실시예들은 본 개시내용을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.Embodiments have been described with reference to the accompanying drawings. Modifications and changes will occur to the rest upon reading and understanding of the foregoing embodiments. Accordingly, the above-described embodiments should not be construed as limiting the present disclosure.
Claims (10)
(a) 셀레늄, 외래-주형 탄소, 및 산소의 혼합물을 형성하는 단계;
(b) 단계 (a)의 상기 혼합물을 셀레늄의 용융 온도보다 높은 온도로 가열하는 단계; 및
(c) 단계 (b)의 상기 가열된 혼합물을 주위 또는 실온으로 냉각시켜 고정화된 셀레늄 바디를 형성하는 단계.A method for preparing an immobilized selenium body comprising the steps of:
(a) forming a mixture of selenium, exogenous-template carbon, and oxygen;
(b) heating the mixture of step (a) to a temperature higher than the melting temperature of selenium; and
(c) cooling the heated mixture of step (b) to ambient or room temperature to form an immobilized selenium body.
질산;
과산화수소;
유기 과산화물;
산소; 및/또는
오존.7. The method of claim 6, wherein the oxidizing agent comprises at least one of:
nitric acid;
hydrogen peroxide;
organic peroxides;
Oxygen; and/or
ozone.
과황산암모늄;
과황산나트륨;
과황산칼륨;
망간 염;
바나듐 염, 및/또는
크롬 염.7. The method of claim 6, wherein the oxidizing agent comprises at least one of the following in an aqueous environment:
ammonium persulfate;
sodium persulfate;
potassium persulfate;
manganese salts;
vanadium salts, and/or
chromium salt.
액체 탄소-함유 용액을 동결시켜 고체 탄소-함유 혼합물을 형성하는 단계;
상기 고체 탄소-함유 혼합물을 탄화시키는 단계; 및
상기 탄화된 혼합물을 세척, 여과, 및 건조시키는 단계.The method of claim 1 , wherein the exogenous-templated carbon is prepared by a process comprising the steps of:
freezing the liquid carbon-containing solution to form a solid carbon-containing mixture;
carbonizing the solid carbon-containing mixture; and
washing, filtering, and drying the carbonized mixture.
셀레늄;
외래-주형 탄소; 및
산소. An immobilized selenium body comprising a mixture of:
selenium;
exogenous-template carbon; and
Oxygen.
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