FR3142468A1 - SELENIUM IMMOBILIZED ON POROUS CARBON IN THE PRESENCE OF OXYGEN, METHOD FOR MANUFACTURING AND USES OF SELENIUM IMMOBILIZED IN A RECHARGEABLE BATTERY - Google Patents
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Abstract
SÉLÉNIUM IMMOBILISÉ SUR DU CARBONE POREUX EN PRÉSENCE D'OXYGÈNE, PROCÉDÉ DE FABRICATION ET UTILISATIONS DE SÉLÉNIUM IMMOBILISÉ DANS UNE BATTERIE RECHARGEABLE Dans une méthode de préparation d'un système ou d'un corps immobilisé au sélénium, un mélange sélénium - carbone - oxygène est formé. Le mélange est ensuite chauffé à une température supérieure à la température de fusion du sélénium et le mélange chauffé est ensuite refroidi à la température ambiante ou ambiante, formant ainsi le système ou le corps de sélénium immobilisé. Figure pour l'abrégé : Aucune SELENIUM IMMOBILIZED ON POROUS CARBON IN THE PRESENCE OF OXYGEN, METHOD FOR MANUFACTURING AND USES OF SELENIUM IMMOBILIZED IN A RECHARGEABLE BATTERY In one method of preparing a selenium immobilized system or body, a selenium - carbon - oxygen mixture is formed. The mixture is then heated to a temperature above the melting temperature of selenium and the heated mixture is then cooled to ambient or ambient temperature, thereby forming the immobilized selenium system or body. Figure for abstract: None
Description
La présente demande concerne le domaine des batteries secondaires au lithium à haute densité d'énergie. Plus particulièrement, la demande porte sur un procédé de préparation de matériaux nano-composites de carbone-sélénium et leurs applications. La présente invention concerne également le sélénium immobilisé comprenant du sélénium et du carbone. Elle porte également sur un procédé de fabrication et sur l'utilité du sélénium immobilisé. L'une des utilisations du sélénium immobilisé est dans une batterie rechargeable. La présente invention concerne également une batterie rechargeable qui peut effectuer un cycle de décharge-charge à un rythme rapide (par exemple, à un taux de 10 C) avec un niveau minimal de perte de capacité, tout en étant capable de récupérer substantiellement ses performances électrochimiques, telles que la capacité spécifique, lorsqu'elle est chargée à faible vitesse, par exemple à un taux de 0,1 C.The present application relates to the field of high energy density lithium secondary batteries. More particularly, the application relates to a method for preparing carbon-selenium nanocomposite materials and applications thereof. The present invention also relates to immobilized selenium comprising selenium and carbon. It also relates to a method for manufacturing and the utility of the immobilized selenium. One of the uses of the immobilized selenium is in a rechargeable battery. The present invention also relates to a rechargeable battery which can perform a discharge-charge cycle at a rapid rate (e.g., at a rate of 10 C) with a minimal level of capacity loss, while being capable of substantially recovering its electrochemical performance, such as specific capacity, when charged at a low rate, for example, at a rate of 0.1 C.
Avec l'augmentation de la demande humaine en énergie, les batteries secondaires à haute densité massique d'énergie et à haute densité volumétrique d'énergie, telles que les batteries au lithium-soufre et au lithium-sélénium, ont suscité un grand intérêt. Les éléments du groupe 6A du tableau périodique, tels que le soufre et le sélénium, ont montré des mécanismes de réaction à deux électrons dans le processus de réaction électrochimique avec le lithium. Bien que la capacité spécifique massique théorique du sélénium (675 mAh/g) soit inférieure à celle du soufre (1675 mAh/g), le sélénium a une densité plus élevée (4,82 g/cm3) que le soufre (2,07 g/cm3). Par conséquent, la densité volumétrique d'énergie théorique du sélénium (3253 mAh/cm3) est proche de la densité volumétrique d'énergie théorique du soufre (3467 mAh/cm3). En même temps, comparé au soufre, qui est proche d'un matériau électriquement isolant, le sélénium est un semi-conducteur électrique et présente de meilleures propriétés de conduction électrique. Par conséquent, comparé au soufre, le sélénium peut démontrer un niveau d'activité plus élevé et une meilleure efficacité d'utilisation même à un niveau de charge plus élevé, ce qui conduit à des systèmes de batteries à haute densité d'énergie et de puissance. De plus, un composite sélénium-carbone peut présenter une amélioration supplémentaire de la conductivité électrique par rapport à un composite soufre-carbone pour obtenir un matériau d'électrode ayant une activité plus élevée.With the increase of human energy demand, secondary batteries with high mass energy density and high volumetric energy density, such as lithium-sulfur and lithium-selenium batteries, have attracted great interest. Elements in group 6A of the periodic table, such as sulfur and selenium, have shown two-electron reaction mechanisms in the electrochemical reaction process with lithium. Although the theoretical mass specific capacity of selenium (675 mAh/g) is lower than that of sulfur (1675 mAh/g), selenium has a higher density (4.82 g/cm3) than sulfur (2.07 g/cm3). Therefore, the theoretical volumetric energy density of selenium (3253 mAh/cm3) is close to the theoretical volumetric energy density of sulfur (3467 mAh/cm3). At the same time, compared with sulfur, which is close to an electrically insulating material, selenium is an electrical semiconductor and has better electrical conduction properties. Therefore, compared with sulfur, selenium can demonstrate a higher activity level and better utilization efficiency even at a higher charge level, leading to battery systems with high energy and power density. In addition, a selenium-carbon composite can exhibit further improvement in electrical conductivity compared with a sulfur-carbon composite to obtain an electrode material with higher activity.
Comme décrit dans la publication du brevet n° CN104393304A, en faisant passer du séléniure d'hydrogène gazeux à travers une solution de dispersion de graphène, la chaleur du solvant réduit l'oxyde de graphène en graphène, tout en oxydant le séléniure d'hydrogène en sélénium. Le matériau d'électrode sélénium-graphène ainsi préparé est couplé à un système d'électrolyte à base d'éther, 1,5M de bis-trifluorométhane sulfonimide de lithium (LiTFSI) / 1,3-dioxolane (DOL) + diméthyléther (DME) (rapport de volume 1 : 1) ; la capacité spécifique de charge atteint 640 mAh/g (approchant la capacité spécifique théorique du sélénium) dans le premier cycle. Toutefois, dans le processus de charge-décharge, les ions polyséléniure se dissolvent dans l'électrolyte, montrant un degré important d’effet de navette, qui provoque en conséquence une diminution de la capacité. En même temps, les procédures de préparation du matériau brut d'oxyde de graphène utilisé dans ce processus sont compliquées et ne conviennent pas à la production industrielle.As described in Patent Publication No. CN104393304A, by passing hydrogen selenide gas through a graphene dispersion solution, the heat of the solvent reduces graphene oxide to graphene, while oxidizing hydrogen selenide to selenium. The thus prepared selenium-graphene electrode material is coupled with an ether-based electrolyte system, 1.5M lithium bis-trifluoromethane sulfonimide (LiTFSI) / 1,3-dioxolane (DOL) + dimethyl ether (DME) (volume ratio 1:1); the specific charge capacity reaches 640 mAh/g (approaching the theoretical specific capacity of selenium) in the first cycle. However, in the charge-discharge process, polyselenide ions dissolve in the electrolyte, showing a significant degree of shuttle effect, which consequently causes a decrease in capacity. At the same time, the preparation procedures of graphene oxide raw material used in this process are complicated and are not suitable for industrial production.
Le brevet CN104201389B décrit un matériau de cathode pour une batterie au lithium-sélénium, utilisant un collecteur de courant en composite de carbone poreux à couches contenant de l'azote, qui a été composé avec du sélénium. Lors de la préparation du collecteur de courant composite en carbone poreux stratifié contenant de l'azote, un polymère conducteur contenant de l'azote est d'abord déposé ou développé sur la surface d'un morceau de papier et suivi d'une activation alcaline et d'une carbonisation à haute température, produisant un collecteur de courant composite en carbone poreux stratifié contenant de l'azote où une fibre de carbone constitue une structure de réseau qui se supporte elle-même. Ce collecteur de courant composite en carbone poreux stratifié contenant de l'azote est ensuite mélangé à du sélénium. Le procédé de dépôt pour préparer un polymère conducteur est compliqué et le processus de formation ou de développement du film est difficile à contrôler. Le processus de préparation est compliqué, ce qui s'accompagne de coûts élevés indésirables.Patent CN104201389B discloses a cathode material for a lithium-selenium battery, using a nitrogen-containing layered porous carbon composite current collector, which has been compounded with selenium. When preparing the nitrogen-containing layered porous carbon composite current collector, a nitrogen-containing conductive polymer is first deposited or grown on the surface of a piece of paper and followed by alkali activation and high-temperature carbonization, producing a nitrogen-containing layered porous carbon composite current collector where a carbon fiber constitutes a network structure that supports itself. This nitrogen-containing layered porous carbon composite current collector is then mixed with selenium. The deposition process for preparing a conductive polymer is complicated, and the film formation or development process is difficult to control. The preparation process is complicated, which is accompanied by undesirably high costs.
De plus, la demande d'une batterie rechargeable de longue durée, à haute densité d'énergie et à haute densité de puissance, pouvant être chargée et déchargée à un rythme rapide, ne cesse de croître dans les domaines de l'électronique, des véhicules électriques/hybrides, de l'aérospatiale/des drones, des sous-marins et d'autres applications industrielles, militaires et grand public. Les batteries lithium-ion sont des exemples de batteries rechargeables dans les applications mentionnées ci-dessus. Cependant, le besoin de meilleures performances et d'une meilleure capacité de cyclage n'a pas été comblé par les batteries au lithium-ion, car la technologie des batteries au lithium-ion est arrivée à maturité.In addition, the demand for a long-lasting, high-energy-density, high-power-density rechargeable battery that can be charged and discharged at a rapid rate is growing in electronics, electric/hybrid vehicles, aerospace/drones, submarines, and other industrial, military, and consumer applications. Lithium-ion batteries are examples of rechargeable batteries in the above-mentioned applications. However, the need for better performance and cycling capability has not been met by lithium-ion batteries as lithium-ion battery technology has matured.
L'oxygène atomique a un poids atomique de 16 et a une capacité de 2 transferts d'électrons. Une batterie rechargeable au lithium-oxygène a été étudiée dans le but de fabriquer des batteries à haute densité d'énergie. Lorsqu'une batterie comporte une cathode à oxygène qui est couplée avec du lithium ou du sodium métal comme anode, elle a la plus grande densité d'énergie stœchiométrique. Cependant, la majorité des problèmes techniques de la batterie Li//Na-Oxygène ne sont pas encore résolus.Atomic oxygen has an atomic weight of 16 and has a capacity of 2 electron transfers. A rechargeable lithium-oxygen battery has been studied with the aim of making high energy density batteries. When a battery has an oxygen cathode that is coupled with lithium or sodium metal as anode, it has the highest stoichiometric energy density. However, most of the technical problems of the Li//Na-Oxygen battery are still unsolved.
Le soufre élémentaire fait également partie du groupe oxygène et présente la deuxième densité d'énergie la plus élevée (après l'oxygène) lorsqu'il est associé à une anode en lithium ou sodium métal. Une pile au lithium-soufre ou au sodium-soufre a été largement étudiée. Cependant, les ions polysulfures (intermédiaires) qui se forment lors du processus de décharge des batteries Li-S ou Na-S se dissolvent dans l'électrolyte et opèrent une « navette » de la cathode à l'anode. Lorsqu'ils atteignent l'anode, les anions polysulfures réagissent avec le lithium ou le sodium métal, entraînant une perte de densité d'énergie, ce qui n'est pas souhaitable pour un système de batterie. En outre, le soufre est un isolant, qui nécessite un niveau de charge élevé des matériaux en carbone pour atteindre un niveau minimal de conductivité électrique. En raison de la conductivité électrique extrêmement faible du soufre, une batterie rechargeable Li/Na-S est très difficile à décharger ou à charger à un rythme rapide.Elemental sulfur is also a member of the oxygen group and has the second highest energy density (after oxygen) when combined with a lithium or sodium metal anode. A lithium-sulfur or sodium-sulfur cell has been extensively studied. However, the polysulfide ions (intermediates) that form during the discharge process of Li-S or Na-S batteries dissolve in the electrolyte and “shuttle” from the cathode to the anode. Upon reaching the anode, the polysulfide anions react with the lithium or sodium metal, resulting in a loss of energy density, which is undesirable for a battery system. In addition, sulfur is an insulator, requiring a high charge level of the carbon materials to achieve a minimum level of electrical conductivity. Due to the extremely low electrical conductivity of sulfur, a rechargeable Li/Na-S battery is very difficult to discharge or charge at a rapid rate.
L’invention concerne un processus de préparation d'un nanomatériau de carbone bidimensionnel, qui présente un degré élevé de graphitisation. Les nanomatériaux de carbone bidimensionnels sont mélangés avec du sélénium pour obtenir un matériau composite carbone-sélénium, qui est utilisé comme matériau de cathode qui s'associe avec un matériau d'anode contenant du lithium, produisant une batterie lithium-sélénium qui a une densité d'énergie élevée et des performances électrochimiques stables. Un processus similaire peut être utilisé pour monter en outre une cellule à poche qui présente également d'excellentes propriétés électrochimiques.Provided is a process for preparing a two-dimensional carbon nanomaterial, which has a high degree of graphitization. The two-dimensional carbon nanomaterials are mixed with selenium to obtain a carbon-selenium composite material, which is used as a cathode material that combines with a lithium-containing anode material, producing a lithium-selenium battery that has a high energy density and stable electrochemical performance. A similar process can be used to further assemble a pouch cell that also has excellent electrochemical properties.
L’invention concerne également un procédé de préparation du matériau composite sélénium-carbone avec des matériaux bruts facilement disponibles et des procédures de préparation simples.Also provided is a method for preparing the selenium-carbon composite material with readily available raw materials and simple preparation procedures.
Le matériau composite sélénium-carbone décrit ici peut être obtenu à partir d'un procédé de préparation qui comprend les étapes suivantes :The selenium-carbon composite material described herein can be obtained from a preparation process which comprises the following steps:
(1) Carboniser des sels organiques de métaux alcalins ou des sels organiques de métaux alcalino-terreux à haute température, puis les laver avec de l'acide chlorhydrique dilué ou d'autres acides, et les sécher pour obtenir un matériau carboné bidimensionnel ;(1) Carbonizing organic salts of alkali metals or organic salts of alkaline earth metals at high temperature, then washing them with dilute hydrochloric acid or other acids, and drying them to obtain two-dimensional carbon material;
(2) Mélanger le matériau en carbone bidimensionnel obtenu à l'étape (1) avec du sélénium en solution organique, chauffer et évaporer le solvant organique, puis réaliser le mélange du sélénium avec le matériau en carbone bidimensionnel par une procédure de montée en puissance thermique et de stabilisation à chaud à plusieurs étapes pour obtenir un composite carbone-sélénium.(2) Mixing the two-dimensional carbon material obtained in step (1) with selenium in organic solution, heating and evaporating the organic solvent, and then carrying out the mixing of selenium with the two-dimensional carbon material by a multi-step thermal ramp-up and hot stabilization procedure to obtain a carbon-selenium composite.
À l'étape (1), le sel organique de métal alcalin peut être choisi parmi un ou plusieurs du citrate de potassium, du gluconate de potassium et du sel de sodium de l’acide de sucrose. Le sel organique de métal alcalino-terreux peut être choisi parmi l’un du gluconate de calcium et du sel de calcium de l’acide de sucrose, ou les deux. La carbonisation à haute température peut être effectuée à 600-1000° C, de préférence 700-900° C ; la durée de carbonatation est de 1-10 heures, de préférence 3-5 heures.In step (1), the organic alkali metal salt may be selected from one or more of potassium citrate, potassium gluconate and sodium salt of sucrose acid. The organic alkaline earth metal salt may be selected from one or both of calcium gluconate and calcium salt of sucrose acid. The high-temperature carbonization may be carried out at 600-1000°C, preferably 700-900°C; the carbonation time is 1-10 hours, preferably 3-5 hours.
À l'étape (2), le solvant organique peut être choisi parmi un ou plusieurs de l'éthanol, le diméthylsulfoxyde (DMSO), le toluène, l'acétonitrile, le N,N-diméthylformamide (DMF), le tétrachlorure de carbone et l'éther diéthylique ou l'acétate d'éthyle ; la procédure de montée en puissance thermique et de stabilisation à chaud à plusieurs étapes peut être désignée comme un taux de montée en puissance de 2 à 10° C / min, de préférence 5-8° C / min, jusqu’à une température comprise entre 200 et 300° C, de préférence entre 220 et 280° C, suivi d'une stabilisation à la température pendant 3-10 heures, de préférence 3-4 heures ; puis une poursuite du chauffage jusqu'à 400-600 ° C, de préférence 430-460 ° C, suivi d’une stabilisation pendant 10-30 heures, de préférence 15-20 heures.In step (2), the organic solvent may be selected from one or more of ethanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), toluene, acetonitrile, N,N-dimethylformamide (DMF), carbon tetrachloride and diethyl ether or ethyl acetate; the multi-stage thermal ramp-up and heat stabilization procedure may be referred to as a ramp-up rate of 2 to 10°C/min, preferably 5-8°C/min, to a temperature of 200 to 300°C, preferably 220 to 280°C, followed by temperature stabilization for 3-10 hours, preferably 3-4 hours; then continued heating to 400-600°C, preferably 430-460°C, followed by stabilization for 10-30 hours, preferably 15-20 hours.
L’invention concerne également une batterie secondaire au lithium-sélénium qui comprend des matériaux composites carbone-sélénium. La batterie secondaire au lithium-sélénium peut en outre comprendre : une anode contenant du lithium, un séparateur et un électrolyte.Also provided is a lithium-selenium secondary battery that comprises carbon-selenium composite materials. The lithium-selenium secondary battery may further comprise: a lithium-containing anode, a separator, and an electrolyte.
L'anode contenant du lithium peut être un ou plusieurs matériaux parmi le lithium métal, une anode en graphite lithié et une anode en silicium-carbone lithié (par l'assemblage des matériaux d'anode en graphite et en silicium-carbone et de l'anode en lithium dans une batterie à demi-cellule, et décharge pour préparer l'anode en graphite lithié et les matériaux d'anode en silicium-carbone lithié). Le séparateur (membrane) peut être une membrane disponible dans le commerce, telle que, sans s’y limiter, une membrane Celgard®, une membrane Whatman®, une membrane en cellulose ou une membrane polymère. L'électrolyte peut être un ou plusieurs parmi un électrolyte carbonate, un électrolyte éther et des liquides ioniques.The lithium-containing anode may be one or more of lithium metal, a lithiated graphite anode, and a lithiated silicon-carbon anode (by assembling the graphite and silicon-carbon anode materials and the lithium anode into a half-cell battery, and discharging to prepare the lithiated graphite anode and the lithiated silicon-carbon anode materials). The separator (membrane) may be a commercially available membrane, such as, but not limited to, a Celgard® membrane, a Whatman® membrane, a cellulose membrane, or a polymer membrane. The electrolyte may be one or more of a carbonate electrolyte, an ether electrolyte, and ionic liquids.
L'électrolyte carbonate peut être choisi parmi un ou plusieurs du carbonate de diéthyle (DEC), du carbonate de diméthyle (DMC), du carbonate d'éthylène (EC), du carbonate d'éthyle et de méthyle (EMC) et du carbonate de propylène (PC) ; et le soluté peut être choisi parmi un ou plusieurs de l’hexafluorophosphate de lithium (LiPF6), du bis(trifluorométhanesulfonyl)imide de lithium (LiTFSI), du perchlorate de lithium (LiClO4) et du bis-fluorosulfonylimide de lithium (LiFSI).The carbonate electrolyte may be selected from one or more of diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and propylene carbonate (PC); and the solute may be selected from one or more of lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO4), and lithium bis-fluorosulfonylimide (LiFSI).
Pour la solution électrolytique d'éther, le solvant peut être choisi parmi le 1,3-dioxolane (DOL), le diméthyléther d'éthylène glycol (DME) et le diméthyléther de triéthylène glycol (TEGDME) ; et le soluté peut être choisi dans un ou plusieurs parmi l'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6), le bis(trifluorométhanesulfonyl)imide de lithium (LiTFSI), le perchlorate de lithium (LiClO4) et le bis(fluorosulfonyl)imide de lithium (LiFSI).For the ether electrolytic solution, the solvent may be selected from 1,3-dioxolane (DOL), ethylene glycol dimethyl ether (DME), and triethylene glycol dimethyl ether (TEGDME); and the solute may be selected from one or more of lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO4), and lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI).
Pour les liquides ioniques, le liquide ionique peut être un ou plusieurs liquides ioniques à température ambiante [EMIm] NTf2 (sel de 1-éthyl-3-méthylimidazolium bis trifluorométhane sulfonimide), [Py 13] NTf2 (sel de N-Propyl-N-méthylpyrrolidine bis trifluorométhane sulfonimide), [PP13] NTf2 (sels de N-propylméthylpipéridine alcoxy -N-Bis trifluorométhane sulfonimide) ; et le soluté peut être choisi parmi un ou plusieurs de l’hexafluorophosphate de lithium (LiPF6), du bis(trifluorométhylsulfonyl)imide (LiTFSI), du perchlorate de lithium (LiClO4) et du bis-fluorosulfonylimide de lithium (LiFSI).For ionic liquids, the ionic liquid may be one or more of room temperature ionic liquids [EMIm] NTf2 (1-ethyl-3-methylimidazolium bis trifluoromethane sulfonimide salt), [Py 13] NTf2 (N-Propyl-N-methylpyrrolidine bis trifluoromethane sulfonimide salt), [PP13] NTf2 (N-propylmethylpiperidine alkoxy-N-Bis trifluoromethane sulfonimide salts); and the solute may be selected from one or more of lithium hexafluorophosphate (LiPF6), bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO4), and lithium bis-fluorosulfonylimide (LiFSI).
La présente invention décrit également une batterie à cellule à poche lithium-sélénium qui comprend le matériau composite carbone-sélénium.The present invention also describes a lithium-selenium pouch cell battery which comprises the carbon-selenium composite material.
Par rapport à l'état de la technique, en ce qui concerne le procédé de préparation du matériau composite sélénium-carbone exposé dans le présent document, le matériau en carbone bidimensionnel présente les avantages suivants : les matières premières sont facilement disponibles à faible coût, le procédé de préparation est simple, très pratique et adapté à la production de masse, et le matériau composite sélénium-carbone obtenu présente d'excellentes propriétés électrochimiques.Compared with the prior art, with regard to the preparation method of the selenium-carbon composite material disclosed in the present paper, the two-dimensional carbon material has the following advantages: the raw materials are readily available at low cost, the preparation method is simple, highly convenient and suitable for mass production, and the obtained selenium-carbon composite material has excellent electrochemical properties.
Le présent document décrit également du sélénium immobilisé (un corps de sélénium immobilisé) comprenant du sélénium et un squelette de carbone. Le sélénium immobilisé comprend au moins un des éléments suivants : (a) nécessite de gagner suffisamment d'énergie pour qu'une particule de sélénium atteigne une énergie cinétique ≥9,5 kJ/mole, ≥9,7 kJ/mole, ≥9,9 kJ/mole, ≥10,1 kJ/mole, ≥10,3 kJ/mole, ou ≥10,5 kJ/mole pour échapper au système de sélénium immobilisé ; (b) une température de 490° C ou plus, ≥500° C, ≥510° C, ≥520° C, ≥530° C, ≥540° C, ≥550° C, ou ≥560° C est nécessaire pour que les particules de sélénium acquièrent suffisamment d'énergie pour échapper au système de sélénium immobilisé ; (c) le squelette carboné a une surface (avec des pores inférieurs à 20 angströms) ≥500 m2/g, ≥600 m2/g, ≥700m2/g, ≥800 m2/g, ≥900 m2/g, or ≥1,000 m2/g ; (d) le squelette carboné a une surface (pour des pores entre 20 angströms et 1 000 angströms) de 20 % ou moins, 15 % ou moins, 10 % ou moins, 5 % ou moins, 3 % ou moins, 2 % ou moins, 1 % ou moins de la surface totale.This document also describes immobilized selenium (an immobilized selenium body) comprising selenium and a carbon skeleton. The immobilized selenium comprises at least one of the following: (a) requires sufficient energy to be gained for a selenium particle to reach a kinetic energy of ≥9.5 kJ/mole, ≥9.7 kJ/mole, ≥9.9 kJ/mole, ≥10.1 kJ/mole, ≥10.3 kJ/mole, or ≥10.5 kJ/mole to escape the immobilized selenium system; (b) a temperature of 490°C or more, ≥500°C, ≥510°C, ≥520°C, ≥530°C, ≥540°C, ≥550°C, or ≥560°C is required for the selenium particles to acquire sufficient energy to escape the immobilized selenium system; (c) the carbon skeleton has a surface area (with pores less than 20 angstroms) ≥500 m2/g, ≥600 m2/g, ≥700m2/g, ≥800 m2/g, ≥900 m2/g, or ≥1,000 m2/g; (d) the carbon skeleton has a surface area (for pores between 20 angstroms and 1,000 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.
Le présent document décrit également une cathode ou une batterie rechargeable comprenant du sélénium immobilisé. Le sélénium peut être dopé avec d'autres éléments, tels que, mais pas seulement, le soufre.This document also describes a cathode or rechargeable battery comprising immobilized selenium. Selenium may be doped with other elements, such as, but not limited to, sulfur.
Le présent document décrit également un composite comprenant du sélénium et du carbone ayant une morphologie de plaquettes avec un rapport d'aspect ≥1, ≥2, ≥5, ≥10, ou ≥20.This document also describes a composite comprising selenium and carbon having a platelet morphology with an aspect ratio ≥1, ≥2, ≥5, ≥10, or ≥20.
Le présent document décrit également une cathode comprenant un composite comprenant du sélénium et du carbone ayant une morphologie de plaquettes avec un rapport d'aspect de ≥1, ≥2, ≥5, ≥10, ou ≥20. Le présent document décrit également une batterie rechargeable comprenant un composite de sélénium et de carbone et présentant une morphologie de plaquettes avec le rapport d'aspect susmentionné.The present document also describes a cathode comprising a composite comprising selenium and carbon having a platelet morphology with an aspect ratio of ≥1, ≥2, ≥5, ≥10, or ≥20. The present document also describes a rechargeable battery comprising a composite of selenium and carbon and having a platelet morphology with the aforementioned aspect ratio.
Le présent document décrit également une batterie rechargeable comprenant une cathode, une anode, un séparateur et un électrolyte. La batterie rechargeable peut être chargée à 0,1 C, 0,2 C, 0,5 C, 1 C, 1,5 C, 2 C, 3 C, 4 C, 5 C, 6 C, 7 C, 8 C, 9 C, 10 C ou plus rapidement. La cathode peut comprendre au moins un élément d'un groupe chalcogène tel que le sélénium, le soufre, le tellure et l'oxygène. L'anode peut comprendre au moins un élément d'un métal alcalin, des métaux alcalino-terreux et un ou plusieurs métaux du groupe III A. Le séparateur peut être composé d'un séparateur organique ou d'un séparateur inorganique dont la surface peut être optionnellement modifiée. L'électrolyte peut comprendre au moins un élément de métaux alcalins, de métaux alcalino-terreux et un ou plusieurs métaux du groupe III A. Le solvant de la solution électrolytique peut comprendre des solvants organiques, à base de carbonate, d'éther ou d'ester.This document also describes a rechargeable battery comprising a cathode, an anode, a separator and an electrolyte. The rechargeable battery can be charged at 0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1 C, 1.5 C, 2 C, 3 C, 4 C, 5 C, 6 C, 7 C, 8 C, 9 C, 10 C or more rapidly. The cathode can comprise at least one element of a chalcogen group such as selenium, sulfur, tellurium and oxygen. The anode can comprise at least one element of an alkali metal, alkaline earth metals and one or more metals of group III A. The separator can be composed of an organic separator or an inorganic separator whose surface can be optionally modified. The electrolyte may comprise at least one alkali metal, alkaline earth metal and one or more group III A metals. The solvent of the electrolytic solution may comprise organic, carbonate, ether or ester solvents.
La batterie rechargeable peut avoir une capacité spécifique de 400 mAh/g ou plus, 450 mAh/g ou plus, 500 mAh/g ou plus, 550 mAh/g ou plus, ou 600 mAh/g ou plus. La batterie rechargeable peut être capable de subir un cyclage électrochimique de 50 cycles ou plus, 75 cycles ou plus, 100 cycles ou plus, 200 cycles ou plus, etc. La batterie rechargeable peut conserver une capacité spécifique de batterie supérieure à 30 %, supérieure à 40 %, supérieure à 50 %, supérieure à 60 %, supérieure à 70 % ou supérieure à 80 % de la capacité spécifique de deuxième décharge à une vitesse de cyclage de 0,1 C après avoir effectué un cycle de charge-décharge à taux C élevé (par exemple, 5 cycles à 0,1 C, 5 cycles à 0,2 C, 5 cycles à 0,5 C, 5 cycles à 1 C, 5 cycles à 2 C, 5 cycles à 5 C et 5 cycles à 10 C). La batterie rechargeable peut avoir un efficacité coulombienne ≥50 %, ≥60 %, ≥70 %, ≥80 %, ou ≥90 %. La batterie rechargeable peut être utilisée pour l'électronique, un véhicule électrique ou hybride, une application industrielle, une application militaire telle qu'un drone, une application aérospatiale, une application maritime, etc.The rechargeable battery may have a specific capacity of 400 mAh/g or more, 450 mAh/g or more, 500 mAh/g or more, 550 mAh/g or more, or 600 mAh/g or more. The rechargeable battery may be capable of undergoing electrochemical cycling of 50 cycles or more, 75 cycles or more, 100 cycles or more, 200 cycles or more, etc. The rechargeable battery can maintain a specific battery capacity of more than 30%, more than 40%, more than 50%, more than 60%, more than 70% or more than 80% of the specific capacity of second discharge at a cycling rate of 0.1C after performing a high C-rate charge-discharge cycle (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). The rechargeable battery can have a Coulomb efficiency of ≥50%, ≥60%, ≥70%, ≥80%, or ≥90%. The rechargeable battery can be used for electronics, an electric or hybrid vehicle, an industrial application, a military application such as a drone, an aerospace application, a marine application, etc.
En liaison avec les exemples spécifiques, la présente invention sera décrite plus en détail ci-dessous. Sauf indication contraire, les procédés expérimentaux présentés dans les exemples suivants sont tous conventionnels ; les réactifs et les matériaux sont tous disponibles dans le commerce.In connection with the specific examples, the present invention will be described in more detail below. Unless otherwise indicated, the experimental methods presented in the following examples are all conventional; the reagents and materials are all commercially available.
Exemple 1 :Example 1:
(A) Préparation de matériau composite sélénium-carbone(A) Preparation of selenium-carbon composite material
Après broyage et mouture, une quantité appropriée de citrate de potassium est calcinée à 800° C pendant 5 heures dans une atmosphère inerte, puis refroidie à température ambiante. Elle est lavée à l'acide chlorhydrique dilué à un pH neutre, filtrée et séchée pour donner un nanomatériau de carbone bidimensionnel (
(B) Préparation de la cathode composite sélénium-carbone(B) Preparation of selenium-carbon composite cathode
Les composites sélénium-carbone préparés ci-dessus sont mélangés avec du noir de carbone Super P (TIMCAL) et un liant CMC / SBR (rapport en poids 1 : 1), ainsi qu'avec de l'eau par une formulation fixe par mise en pâte, revêtement, séchage et autres procédés pour obtenir une cathode composite sélénium-carbone.The above prepared selenium-carbon composites are mixed with Super P carbon black (TIMCAL) and CMC/SBR binder (weight ratio 1:1), as well as water by fixed formulation through paste forming, coating, drying and other processes to obtain selenium-carbon composite cathode.
(C) Assemblage d'une batterie au lithium et au sélénium(C) Assembly of a lithium-selenium battery
La cathode composite sélénium-carbone préparée ci-dessus a été assemblée avec un film de lithium en tant qu’anode, une membrane Celgard® en tant que séparateur et une solution de 1m de LiPF6 dans EC/DMC à titre d'électrolyte pour former une pile bouton au lithium-sélénium et une batterie à cellule à poche au lithium-sélénium (
(D) Test de batterie au lithium-sélénium(D) Lithium-selenium battery test
Il convient d'utiliser un appareil de charge-décharge pour effectuer un essai de charge-décharge à courant constant sur la pile bouton au lithium-sélénium et la batterie à cellule à poche au lithium-sélénium. La plage de tension utilisée pour l'essai est comprise entre 1,0 et 3,0 V et la température d'essai est de 25° C. La capacité spécifique de décharge et le niveau du courant de charge-décharge sont calculés de manière standard sur la base de la masse de sélénium. Le courant de charge-décharge est de 0,1 C ou 0,05 C. La courbe de charge et de décharge des piles boutons en lithium-sélénium est illustrée à la
Exemple 2 :Example 2:
Les conditions sont les mêmes que dans l'exemple 1, à l'exception du fait que le matériau brut carbonisé utilisé pour le carbone bidimensionnel est le citrate de sodium. Les résultats des tests de batterie sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous.The conditions are the same as in Example 1, except that the carbonized raw material used for the two-dimensional carbon is sodium citrate. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Exemple 3 :Example 3:
Les conditions sont les mêmes que dans l'exemple 1, à l'exception du fait que le matériau brut carbonisé utilisé pour le carbone bidimensionnel est le gluconate de potassium. Les résultats des tests de batterie sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous.The conditions are the same as in Example 1, except that the raw carbonized material used for the two-dimensional carbon is potassium gluconate. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Exemple 4 :Example 4:
Les conditions sont les mêmes que dans l'exemple 1, à l'exception du fait que la carbonisation à haute température pour le matériau en carbone est de 650° C. Les résultats des tests de batterie sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous.The conditions are the same as in Example 1, except that the high temperature carbonization for the carbon material is 650°C. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Exemple 5 :Example 5:
Les conditions sont les mêmes que dans l'exemple 1, à l'exception du fait que le mélange séché a été chauffé à 5° C / min jusqu'à 300° C et stabilisé à cette température pendant 3 heures. Les résultats des tests de batterie sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous.The conditions were the same as in Example 1, except that the dried mixture was heated at 5°C/min to 300°C and stabilized at this temperature for 3 hours. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Exemple 6 :Example 6:
Les conditions sont les mêmes que dans l'exemple 1, à l'exception du fait que le mélange séché a été chauffé à 5° C / min jusqu'à 240° C et stabilisé à cette température pendant 3 heures, puis a continué à être chauffé jusqu'à 600° C, et stabilisé à cette température constante pendant 20 heures. Les résultats des tests de batterie sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous.The conditions were the same as in Example 1, except that the dried mixture was heated at 5°C/min to 240°C and stabilized at this temperature for 3 hours, then continued to be heated to 600°C, and stabilized at this constant temperature for 20 hours. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Exemple 7 :Example 7:
Les conditions sont les mêmes que dans l'exemple 1, à l'exception du fait que la batterie au lithium-Se est assemblée avec une anode en graphite lithié, au lieu du film d’anode au lithium. Les résultats des tests de batterie sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous.The conditions are the same as in Example 1, except that the lithium-Se battery is assembled with a lithiated graphite anode, instead of the lithium anode film. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Exemple 8 :Example 8:
Les conditions sont les mêmes que dans l'exemple 1, à l'exception du fait que la batterie lithium-Se est assemblée avec une anode de carbone au silicium lithié, au lieu d'un film d’anode au lithium. Les résultats des tests de batterie sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous.The conditions are the same as in Example 1, except that the lithium-Se battery is assembled with a lithium silicon carbon anode, instead of a lithium anode film. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Exemple comparatif 1 :Comparative example 1:
Les conditions sont les mêmes que dans l'exemple 1, à l'exception de l'utilisation du polyacrylonitrile comme matériau de base. Les résultats des tests de batterie sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous.The conditions are the same as in Example 1, except that polyacrylonitrile is used as the base material. The battery test results are summarized in Table 1 below.
Exemple comparatif 2 :Comparative example 2:
Les conditions sont les mêmes que dans l'exemple 1, à l'exception du fait qu'un procédé de préparation du composé en seule étape est utilisé pour préparer le composite de sélénium et de carbone. Dans cet exemple, le mélange sélénium-carbone séché a été chauffé à 5° C / min jusqu'à 500° C et stabilisé à cette température pendant 23 heures pour obtenir un matériau composite sélénium-carbone. La courbe de charge-décharge d'une batterie fabriquée à partir du matériau composite sélénium-carbone ainsi obtenu est présentée à la
Le tableau 1 résume les résultats des tests de batterie.Table 1 summarizes the battery test results.
(mAh/g)Capacity at the 50th cycle
(mAh/g)
Ayant ainsi décrit un procédé de préparation d'un matériau composite sélénium-carbone, on décrira un procédé de fabrication de sélénium immobilisé et l'utilisation du sélénium immobilisé, par exemple dans une batterie rechargeable.Having thus described a process for preparing a selenium-carbon composite material, a process for manufacturing immobilized selenium and the use of immobilized selenium, for example in a rechargeable battery, will be described.
Le sélénium est un élément du même groupe que l'oxygène et le soufre, à savoir le groupe 6 du tableau périodique des éléments. Le sélénium peut être avantageux par rapport à l'oxygène et au soufre en raison de sa conductivité électrique très élevée. Le brevet US 2012/0225352 décrit la fabrication de batteries rechargeables au Li-sélénium et au Na-sélénium, avec une bonne capacité et une bonne aptitude au cyclage. Toutefois, un certain niveau d'anions de polyséléniure fait la navette entre les cathodes et les anodes de ces batteries, ce qui entraîne des performances électrochimiques supplémentaires qui doivent être considérablement améliorées pour faite l'objet d'utilisations pratiques. La littérature relative à ce domaine comprend les éléments suivants :Selenium is an element in the same group as oxygen and sulfur, namely group 6 of the periodic table of elements. Selenium can be advantageous over oxygen and sulfur due to its very high electrical conductivity. US Patent 2012/0225352 describes the fabrication of rechargeable Li-selenium and Na-selenium batteries, with good capacity and cycling ability. However, a certain level of polyselenide anions shuttle between the cathodes and anodes of these batteries, resulting in additional electrochemical performances that need to be significantly improved to be used in practice. The literature in this area includes the following:
« Matériaux d'électrodes pour batteries rechargeable », Ali Aboulmrane et Khalil Amine, demande de brevet américain 2012/0225352, 6 septembre 2012.“Electrode materials for rechargeable batteries,” Ali Aboulmrane and Khalil Amine, U.S. patent application 2012/0225352, September 6, 2012.
« Batteries secondaires au lithium-sélénium à électrolyte ininflammable », Hui He, Bor Z. Jang, Yanbo Wang et Aruna Zhamu, demande de brevet américain 2015/0064575, 5 mars 2015.“Lithium-selenium secondary batteries with nonflammable electrolyte,” Hui He, Bor Z. Jang, Yanbo Wang, and Aruna Zhamu, U.S. Patent Application 2015/0064575, March 5, 2015.
« Solution d'électrolyte et batteries à base de soufre ou à base de sélénium avec solution d'électrolyte », Fang Dai, Mei Cai, Qiangfeng Xiao et Li Yang, demande de brevet américain 2016/0020491, 21 janvier 2016.“Electrolyte solution and sulfur-based or selenium-based batteries with electrolyte solution,” Fang Dai, Mei Cai, Qiangfeng Xiao, and Li Yang, U.S. Patent Application 2016/0020491, Jan. 21, 2016.
« Une nouvelle classe de piles rechargeables au lithium et au sodium à base de sélénium et de sélénium-soufre comme électrode positive », Ali Abouimrane, Damien Dambournet, Kerena W. Chapman, Peter J. Chupa, Wei Wang, et Khalil Amine, J. Am. Chem. Soc. 2012 134/45054508“A New Class of Rechargeable Lithium-Sodium Batteries Based on Selenium and Selenium-Sulfur as Positive Electrode,” Ali Abouimrane, Damien Dambournet, Kerena W. Chapman, Peter J. Chupa, Wei Wang, and Khalil Amine, J. Am. Chem. Soc. 2012 134/45054508
« Une cathode de batterie au lithium-sélénium autoportante et ultra-longue durée de vie activée par une architecture hiérarchique carbone / graphène mésoporeuse 3D », Kai Han, Zhao Liu, Jingmei Shen, Yuyuan Lin, Fand Dai, et Hongqi Ye, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 455-463.“A self-supporting and ultra-long-life lithium-selenium battery cathode enabled by a 3D mesoporous carbon/graphene hierarchical architecture,” Kai Han, Zhao Liu, Jingmei Shen, Yuyuan Lin, Fand Dai, and Hongqi Ye, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 455–463.
« Cathodes de carbone-sélénium dérivées de carbure micro et mésoporeux pour batteries lithium-sélénium haute performance », Jung Tai Lee, Hyea Kim, Marin Oschatz, Dong-Chan Lee, Feixiang Wu, Huan-Ting Lin, Bogdan Zdyrko, Wan II Chao, Stefan Kaskel, et Gleb Yushin, Energy Mater. 2014, 1400981.“Carbon-selenium cathodes derived from micro- and mesoporous carbide for high-performance lithium-selenium batteries”, Jung Tai Lee, Hyea Kim, Marin Oschatz, Dong-Chan Lee, Feixiang Wu, Huan-Ting Lin, Bogdan Zdyrko, Wan II Chao , Stefan Kaskel, and Gleb Yushin, Energy Mater. 2014, 1400981.
Batterie au lithium-sélénium haute performance avec cathode en composite de carbone microporeux et électrolyte à base de carbonate", Chao Wu, Lixia Yuan, Zhen Li, Ziqi Yi, Rui Zeng, Yanrong Li et Yunhui Huang, Sci. China Mater. 2015 58/-97"High-performance lithium-selenium battery with 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/-97
« Nanocomposites Se-C avancés : un matériau d'électrode bifonctionnel pour les batteries Li-Se et Li-ion », Huan Ye, Ya-Xia Yin, Shuai-Feng Zhang et Yu-Guo Guo, J. Mater. Chem. A., 23 mai 2014.“Advanced Se-C Nanocomposites: A Bifunctional Electrode Material for 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.
« L'iodure de lithium comme additif électrolytique prometteur pour les batteries au lithium-soufre : Mécanismes avancés d'amélioration des performances », Feixiang Wu, Jung Tae Lee, Naoki Nitta, Hyea Kim, Oleg Borodin et Gleb Yushin, Adv. Mater. 2015, 27, 101-108.“Lithium Iodide as a Promising Electrolyte Additive for Lithium-Sulfur Batteries: Advanced Mechanisms for Performance Enhancement,” Feixiang Wu, Jung Tae Lee, Naoki Nitta, Hyea Kim, Oleg Borodin, and Gleb Yushin, Adv. Mater. 2015, 27, 101–108.
« Composite Se / C comme matériau de cathode pour les batteries au lithium rechargeables avec de bonnes performances électrochimiques », Lili Li, Yuyang Hou, Yaqiong Yang, Minxia Li, Xiaowei Wang et Yuping Wu, RSC Adv. 2014, 4, 9086-9091.“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.
« Sélénium élémentaire pour le stockage électrochimique de l'énergie », Chun-Peng Yang, Ya-Xia Yin, et 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.
« Composite de carbone-sélénium mésoporeux avec une capacité de stockage supérieure de lithium et de sodium », Chao Luo, Yunhua Xu, Yujie Zhu, Yihang Liu, Shiyou Zheng, Ying Liu, Alex Langrock, et Chunsheng Wang, ACSNANO , Vol. 7, No. 9, 8003-8010.“Mesoporous carbon-selenium composite with superior storage capacity of lithium and sodium,” Chao Luo, Yunhua Xu, Yujie Zhu, Yihang Liu, Shiyou Zheng, Ying Liu, Alex Langrock, and Chunsheng Wang, ACSNANO, Vol. 7, No. 9, 8003-8010.
Le présent document décrit également du sélénium immobilisé comprenant du sélénium et du carbone. Le sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium sous forme élémentaire ou du sélénium sous forme composée. Le sélénium peut être dopé avec un autre élément, tel que, mais sans s'y limiter, le soufre. Le sélénium immobilisé permet de localiser les atomes de sélénium élémentaire qui fonctionnent correctement sur le plan électrochimique sans être « transportés » entre une cathode et une anode d'une batterie. L'immobilisation du sélénium permet à un atome de sélénium élémentaire de gagner deux électrons pendant un processus de décharge et de former un anion de séléniure à l'endroit où la molécule/l'atome de sélénium est immobilisé. L'anion séléniure peut alors émettre deux électrons au cours d'un processus de charge pour former un atome de sélénium élémentaire. Par conséquent, le sélénium immobilisé peut fonctionner comme un agent électrochimique actif pour une batterie rechargeable qui a une capacité spécifique pouvant aller jusqu'à un niveau stœchiométrique, peut avoir une efficacité Coulombienne ≥95 %, ≥98 %, ou même 100 %, et peut atteindre une capacité de cyclage durable sensiblement améliorée.This document also describes immobilized selenium comprising selenium and carbon. The immobilized selenium may comprise elemental selenium or compound selenium. The selenium may be doped with another element, such as, but not limited to, sulfur. The immobilized selenium allows elemental selenium atoms to be located that function properly electrochemically without being "transported" between a cathode and anode of a battery. The immobilization of selenium allows an elemental selenium atom to gain two electrons during a discharge process and form a selenide anion at the location where the selenium molecule/atom is immobilized. The selenide anion can then give off two electrons during a charge process to form an elemental selenium atom. Therefore, the immobilized selenium can function as an active electrochemical agent for a rechargeable battery which has a specific capacity of up to a stoichiometric level, can have a Coulomb efficiency of ≥95%, ≥98%, or even 100%, and can achieve significantly improved sustainable cycling capability.
Dans une batterie fabriquée avec du sélénium immobilisé, les comportements électrochimiques des atomes de sélénium élémentaire et des anions de séléniure pendant la charge sont des processus qui fonctionnent correctement. Les squelettes de carbone possédant des liaisons carbone-carbone Sp2 ont délocalisé des électrons distribués sur un cycle aromatique conjugué à six membres à liaisons π sur des réseaux locaux de type graphène de la bande G, qui sont délimités par le carbone de la bande D. En présence d'un potentiel électrique, ces électrons délocalisés peuvent circuler avec peu ou pas de résistance électrique dans le squelette carboné. L'immobilisation du sélénium peut également comprimer les liaisons carbone-carbone Sp2 d'un squelette de carbone, ce qui entraîne des liaisons carbone-carbone plus fortes, qui peuvent améliorer la conductivité des électrons au sein du réseau du squelette de carbone. En même temps, l'immobilisation du sélénium peut également entraîner une compression des particules de sélénium, ce qui se traduit par des interactions chimiques et physiques sélénium-sélénium plus fortes, ce qui peut conduire à une amélioration de la conductivité électrique entre les particules de sélénium immobilisées. Lorsque les liaisons carbone-carbone et les liaisons Se-Se sont renforcées en raison de l'immobilisation du sélénium, les interactions carbone-sélénium sont également renforcées par la compression, en plus de la présence d'une partie de sélénium stabilisée à laquelle le squelette du carbone peut se lier. Cette partie du sélénium peut agir comme une couche d'interface pour un squelette de carbone afin d'immobiliser avec succès la partie stabilisée du sélénium. Par conséquent, les électrons peuvent circuler avec une résistance électrique minimale entre le squelette de carbone et le sélénium immobilisé, après quoi les processus de charge/décharge électrochimiques peuvent fonctionner efficacement dans une batterie rechargeable. Cela permet à la batterie rechargeable de maintenir une capacité spécifique quasi stœchiométrique et de pouvoir effectuer des cycles à presque n'importe quel rythme, avec un faible niveau de détérioration des performances électrochimiques de la batterie.In a battery made with immobilized selenium, the electrochemical behaviors of elemental selenium atoms and selenide anions during charging are well-functioning processes. Carbon skeletons with Sp2 carbon–carbon bonds have delocalized electrons distributed on a six-membered conjugated aromatic ring with π bonds on graphene-like local lattices of the G-band, which are bounded by the D-band carbon. In the presence of an electric potential, these delocalized electrons can flow with little or no electrical resistance in the carbon skeleton. Selenium immobilization can also compress the Sp2 carbon–carbon bonds of a carbon skeleton, resulting in stronger carbon–carbon bonds, which can improve the conductivity of electrons within the carbon skeleton lattice. At the same time, the immobilization of selenium can also lead to compression of the selenium particles, resulting in stronger selenium-selenium chemical and physical interactions, which can lead to improved electrical conductivity between the immobilized selenium particles. When the carbon-carbon bonds and Se-Se bonds are strengthened due to the immobilization of selenium, the carbon-selenium interactions are also strengthened by the compression, in addition to the presence of a stabilized selenium moiety to which the carbon skeleton can bind. This selenium moiety can act as an interface layer for a carbon skeleton to successfully immobilize the stabilized selenium moiety. Therefore, electrons can flow with minimal electrical resistance between the carbon skeleton and the immobilized selenium, after which the electrochemical charge/discharge processes can operate efficiently in a rechargeable battery. This allows the rechargeable battery to maintain a near stoichiometric specific capacity and to be able to cycle at almost any rate, with a low level of deterioration in the battery's electrochemical performance.
Un squelette de carbone peut être poreux et peut être dopé avec une autre composition. La distribution de la taille des pores du squelette de carbone peut varier entre moins d'un angström et quelques microns ou une taille de pore qu'un instrument de distribution de la taille des pores peut caractériser en utilisant l'azote, l'argon, le CO2 ou un autre absorbant comme sonde moléculaire. La porosité du squelette carboné peut comprendre une distribution de la taille des pores ayant un pic dans au moins l’une des plages suivantes : entre moins d’un angström et 1000 angströms, ou entre un angström et 100 angströms, ou entre un angström et 50 angströms, ou entre un angström et 30 angströms, et ou entre un angström et 20 angströms. La porosité du squelette de carbone peut en outre comprendre des pores ayant une distribution de la taille des pores avec plus d'un pic dans les plages décrites dans l'énoncé précédent. Le sélénium immobilisé peut favoriser un squelette de carbone ayant des pores de petite taille dans lesquels les électrons peuvent être apportés et capturés rapidement avec une résistance électrique minimale, ce qui peut permettre au sélénium d'avoir un meilleur comportement électrochimique dans une batterie rechargeable. La petite taille des pores permet également d'augmenter la surface du squelette carboné sur laquelle la première partie du sélénium peut former une première couche d'interface pour la deuxième partie de l'immobilisation du sélénium. En outre, la présence dans un squelette de carbone ayant une certaine portion de pores de taille moyenne et une certaine portion de pores de grande taille peut également être bénéfique à un apport efficace d'ions lithium solvant à partir d'une masse de solvant vers une région faiblement poreuse où les ions lithium peuvent perdre des molécules de solvant coordonnées et être transportés en phase solide de séléniure de lithium.A carbon skeleton may be porous and may be doped with another composition. The pore size distribution of the carbon skeleton may vary from less than one angstrom to a few microns or a pore size that a pore size distribution instrument can characterize using nitrogen, argon, CO2, or another absorbent as a molecular probe. The porosity of the carbon skeleton may include a pore size distribution having a peak in at least one of the following ranges: from less than one angstrom to 1000 angstroms, or from one angstrom to 100 angstroms, or from one angstrom to 50 angstroms, or from one angstrom to 30 angstroms, and or from one angstrom to 20 angstroms. The porosity of the carbon skeleton may further include pores having a pore size distribution with more than one peak in the ranges described in the preceding statement. The immobilized selenium may favor a carbon skeleton having small pore sizes in which electrons can be rapidly supplied and captured with minimal electrical resistance, which may enable the selenium to have better electrochemical behavior in a rechargeable battery. The small pore size also allows for an increase in the surface area of the carbon skeleton on which the first portion of the selenium can form a first interface layer for the second portion of the selenium immobilization. In addition, the presence in a carbon skeleton having a portion of medium pore sizes and a portion of large pore sizes may also be beneficial to efficient delivery of solvent lithium ions from a solvent bulk to a low porosity region where the lithium ions can lose coordinated solvent molecules and be transported into the lithium selenide solid phase.
Le volume des pores du squelette carboné peut être aussi bas que 0,01 ml/g et peut atteindre 5 ml/g, ou peut être compris entre 0,01 ml/g et 3 ml/g, ou peut être compris entre 0,03 ml/g et 2,5 ml/g, ou peut être compris entre 0,05 ml/g et 2,0 ml/g. Le volume des pores ayant une taille inférieure à 100 angströms, ou inférieure à 50 angströms, ou inférieure à 30 angströms, ou inférieure à 20 angströms peut être supérieur à 30 %, ou supérieur à 40 %, ou supérieur à 50 %, ou supérieur à 60 %, ou supérieur à 70 %, ou supérieur à 80 % du volume total des pores mesurables qui peut être mesuré en utilisant un instrument BET avec des molécules d'azote, de CO2, d'argon et d'autres sondes moléculaires gazeuses. La surface du carbone déterminée par la méthode BET peut être supérieure à 400 m2/g, ou supérieure à 500 m2/g, ou supérieure à 600 m2g, ou supérieure à 700 m2/g, ou supérieure à 800 m2/g, ou supérieure à 900 m2/g, ou supérieure à 1000 m2/g.The pore volume of the carbon skeleton can be as low as 0.01 ml/g and as high as 5 ml/g, or can be between 0.01 ml/g and 3 ml/g, or can be between 0.03 ml/g and 2.5 ml/g, or can be between 0.05 ml/g and 2.0 ml/g. The volume of pores having a size of less than 100 angstroms, or less than 50 angstroms, or less than 30 angstroms, or less than 20 angstroms can be greater than 30%, or greater than 40%, or greater than 50%, or greater than 60%, or greater than 70%, or greater than 80% of the total measurable pore volume that can be measured using a BET instrument with nitrogen, CO2, argon, and other gaseous molecular probes. The carbon surface area determined by the BET method may be greater than 400 m2/g, or greater than 500 m2/g, or greater than 600 m2g, or greater than 700 m2/g, or greater than 800 m2/g, or greater than 900 m2/g, or greater than 1000 m2/g.
Le carbone peut également être sensiblement amorphe, ou il peut avoir la caractéristique d'un pic très large centré sur un espacement d autour de 5 angströms.Carbon can also be substantially amorphous, or it can have the characteristic of a very broad peak centered at a d spacing around 5 angstroms.
Le carbone peut comprendre des liaisons carbone-carbone Sp2, ayant des décalages de pics Raman montrant une bande D et une bande G. Dans un exemple, les liaisons Sp2 carbone-carbone du carbone présentent une bande D centrée à 1364±100 cm-1 avec une LMH d'environ 296±50 cm-1 et une bande G centrée à 1589±100 cm-1 avec une LMH d'environ 96±50 cm-1 dans le spectre Raman. Le rapport de la surface entre la bande D et la bande G peut varier de 0,01 à 100, ou de 0,1 à 50, ou de 0,2 à 20.The carbon may include Sp2 carbon-carbon bonds, having Raman peak shifts showing a D band and a G band. In one example, the carbon-carbon Sp2 bonds of the carbon exhibit a D band centered at 1364±100 cm-1 with an LMH of about 296±50 cm-1 and a G band centered at 1589±100 cm-1 with an LMH of about 96±50 cm-1 in the Raman spectrum. The area ratio of the D band to the G band may vary from 0.01 to 100, or from 0.1 to 50, or from 0.2 to 20.
Le carbone peut être d’une quelconque morphologie, à savoir, par exemple, une plaquette, une sphère, une fibre, une aiguille, un tube, une morphologie irrégulière, interconnectée, agglomérée, discrète ou une quelconque particule solide. Les plaquettes, les fibres, les aiguilles, les tubes ou une certaine morphologie ayant un certain niveau de rapport d'aspect peuvent être bénéfiques pour obtenir un meilleur contact entre les particules, ce qui se traduit par une meilleure conductivité électrique, ce qui peut améliorer les performances des batteries rechargeables.The carbon may be of any morphology, such as, for example, a platelet, a sphere, a fiber, a needle, a tube, an irregular, interconnected, agglomerated, discrete morphology or any solid particle. Platelets, fibers, needles, tubes or a certain morphology having a certain level of aspect ratio may be beneficial in achieving better contact between particles, which results in better electrical conductivity, which may improve the performance of rechargeable batteries.
Le carbone peut être de n'importe quelle taille de particule, avec une taille médiane de particule d'un nanomètre à quelques millimètres, ou de quelques nanomètres à moins de 1000 microns, ou de 20 nm à 100 microns.Carbon can be any particle size, with a median particle size of one nanometer to a few millimeters, or a few nanometers to less than 1000 microns, or 20 nm to 100 microns.
La propriété d'un squelette de carbone peut affecter l'immobilisation du sélénium et les interactions entre la surface du squelette de carbone et les particules de sélénium peuvent affecter la performance d'une batterie rechargeable. La localisation du carbone Sp2 dans un squelette carboné peut aider à l'immobilisation du Se. Le carbone Sp2 des petits pores du squelette carboné peut être préféré, lequel peut être quantifié par le procédé de la surface NLDFT, comme le montre l'exemple 9. La surface des pores du squelette de carbone inférieurs à 20 angströms peut être ≥500 m2/g, ≥600 m2/g, ≥700 m2/g, ≥800 m2/g, ≥900 m2/g, ou ≥1000 m2/g. Les surfaces des pores du squelette carboné entre 20 angströms et 1000 angströms peuvent représenter 20 % ou moins, 15 % ou moins, 10 % ou moins, 5 % ou moins, 3 % ou moins, 2 % ou moins, ou 1 % ou moins de la surface totale du squelette carboné.The property of a carbon skeleton can affect the immobilization of selenium and the interactions between the surface of the carbon skeleton and the selenium particles can affect the performance of a rechargeable battery. The localization of Sp2 carbon in a carbon skeleton can aid in the immobilization of Se. The Sp2 carbon of the small pores of the carbon skeleton may be preferred, which can be quantified by the NLDFT surface area method, as shown in Example 9. The surface area of the pores of the carbon skeleton smaller than 20 angstroms may be ≥500 m2/g, ≥600 m2/g, ≥700 m2/g, ≥800 m2/g, ≥900 m2/g, or ≥1000 m2/g. The pore areas of the carbon skeleton between 20 angstroms and 1000 angstroms may represent 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less, 3% or less, 2% or less, or 1% or less of the total surface area of the carbon skeleton.
Le sélénium immobilisé peut comprendre le sélénium qui se vaporise à une température supérieure à celle du sélénium élémentaire, en se référant à la définition suivante de la vaporisation du sélénium : le sélénium élémentaire dans un composite Se-noir de carbone Super P perd 50 % de son poids à une température de 480° C ; le sélénium élémentaire dans un composite Se-Graphite perd 50 % de son poids en sélénium contenu à une température de 471° C. Le sélénium immobilisé perd 50 % de son poids à une température supérieure à 480° C, par exemple à une température ≥490° C, ≥500° C, ≥510° C, ≥520° C, ≥530° C, ≥540° C, ≥550° C, ≥560° C, ≥570° C, ou ≥580° C ou plus. Le sélénium dans le sélénium immobilisé peut nécessiter une énergie cinétique ≥9,5 kJ/mole, ≥9,7 kJ/mole, ≥9,9 kJ/mole, ≥10,1 kJ/mole, ≥10,3 kJ/mole, ou ≥10,5 kJ/mole ou plus pour surmonter les forces de liaison et/ou les forces intermoléculaires dans le système de sélénium immobilisé et pour s'échapper vers la phase gazeuse. Dans un exemple, la dernière partie du sélénium immobilisé qui se vaporise peut nécessiter une énergie cinétique ≥11 635 joules/mole (≥660° C) pour s'échapper du squelette carboné et peut être critique pour l'immobilisation du sélénium et peut fonctionner comme matériau d'interface entre le squelette carboné et la majorité des molécules de sélénium immobilisées. Par conséquent, cette partie du sélénium qui nécessite une énergie cinétique ≥11 635 joules/mole est appelée sélénium interfacial. La quantité de sélénium interfacial dans le sélénium immobilisé peut être ≥1,5 %, ≥2,0 %, ≥2,5 %, ou 3,0 % du sélénium total immobilisé.Immobilized selenium may include selenium that vaporizes at a temperature higher than that of elemental selenium, by referring to the following definition of selenium vaporization: Elemental selenium in a Se-Super P carbon black composite loses 50% of its weight at a temperature of 480°C; elemental selenium in a Se-Graphite composite loses 50% of its weight in contained selenium at a temperature of 471°C. Immobilized selenium loses 50% of its weight at a temperature above 480°C, for example at a temperature of ≥490°C, ≥500°C, ≥510°C, ≥520°C, ≥530°C, ≥540°C, ≥550°C, ≥560°C, ≥570°C, or ≥580°C or higher. Selenium in immobilized selenium may require kinetic energy ≥9.5 kJ/mole, ≥9.7 kJ/mole, ≥9.9 kJ/mole, ≥10.1 kJ/mole, ≥10.3 kJ/mole, or ≥10.5 kJ/mole or more to overcome the binding forces and/or intermolecular forces in the immobilized selenium system and escape to the gas phase. In one example, the last portion of the immobilized selenium that vaporizes may require kinetic energy ≥11,635 joules/mole (≥660°C) to escape from the carbon skeleton and may be critical for the immobilization of selenium and may function as an interface material between the carbon skeleton and the majority of the immobilized selenium molecules. Therefore, that part of selenium that requires kinetic energy ≥11,635 joules/mole is called interfacial selenium. The amount of interfacial selenium in immobilized selenium can be ≥1.5%, ≥2.0%, ≥2.5%, or 3.0% of the total immobilized selenium.
Le sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium qui a une énergie d'activation supérieure à celle du sélénium conventionnel (non immobilisé) à surmonter pour que le sélénium s'échappe du système composite Se-C immobilisé. L'énergie d'activation pour le sélénium non immobilisé (système composite Se-noir de carbone Super P) a été déterminée à environ 92 kJ/mole selon la norme de test de laboratoire ASTM E1641-16. L'énergie d'activation du sélénium dans le sélénium immobilisé comprenant du sélénium et du carbone est ≥95 kJ/mole, ≥98 kJ/mole, ≥101 kJ/mole, ≥104 kJ/mole, ≥107 kJ/mole, ou ≥110 kJ/mole. L'énergie d'activation du sélénium dans le sélénium immobilisé comprenant du sélénium et du carbone est ≥3 %, ≥6 %, ≥9 %, ≥12 %, ≥15 % ou ≥18 % supérieure à celle du sélénium dans le composite Se-noir de carbone Super P. Le sélénium immobilisé peut être plus stable que le sélénium non immobilisé, ce qui explique que la batterie comprenant du sélénium immobilisé puisse avoir un meilleur cycle électrochimique, probablement en raison de la minimisation (ou de l'élimination) du sélénium faisant la navette entre la cathode et l'anode, résultant de l'immobilisation du sélénium dans le composite Se-C.The immobilized selenium may include selenium that has a higher activation energy than conventional (non-immobilized) selenium that must be overcome for the selenium to escape from the immobilized Se-C composite system. The activation energy for the non-immobilized selenium (Se-Super P carbon black composite system) was determined to be approximately 92 kJ/mole according to ASTM E1641-16 laboratory test standard. The activation energy of selenium in immobilized selenium comprising selenium and carbon is ≥95 kJ/mole, ≥98 kJ/mole, ≥101 kJ/mole, ≥104 kJ/mole, ≥107 kJ/mole, or ≥110 kJ/mole. The activation energy of selenium in the immobilized selenium comprising selenium and carbon is ≥3%, ≥6%, ≥9%, ≥12%, ≥15% or ≥18% higher than that of selenium in the Se-carbon black Super P composite. The immobilized selenium may be more stable than the non-immobilized selenium, which explains why the battery comprising immobilized selenium may have a better electrochemical cycle, probably due to the minimization (or elimination) of selenium shuttling between the cathode and the anode, resulting from the immobilization of selenium in the Se-C composite.
Le sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium qui peut être inactif ou actif en Raman, ayant généralement un pic Raman à 255±25 cm-1, à 255±15 cm-1, ou à 255±10 cm-1. L'intensité relative du pic Raman est définie comme la surface du pic Raman à 255 cm-1 par rapport à la surface du pic de la bande D du spectre Raman du carbone. Le carbone immobilisé peut comprendre du sélénium ayant une intensité relative du pic Raman ≥0,1 %, ≥0,5 %, ≥1 %, ≥3 %, ≥5 %. Le sélénium immobilisé peut contenir ≥5 % de sélénium, ≥10 % de sélénium, ≥20 % de sélénium, ≥30 % de sélénium, ≥40 % de sélénium, ≥50 % de sélénium, ≥60 % de sélénium ou ≥70 % de sélénium.The immobilized selenium may include selenium that may be Raman inactive or active, typically having a Raman peak at 255±25 cm-1, 255±15 cm-1, or 255±10 cm-1. The relative Raman peak intensity is defined as the area of the Raman peak at 255 cm-1 relative to the area of the D-band peak of the Raman spectrum of the carbon. The immobilized carbon may include selenium having a relative Raman peak intensity of ≥0.1%, ≥0.5%, ≥1%, ≥3%, ≥5%. Immobilized selenium may contain ≥5% selenium, ≥10% selenium, ≥20% selenium, ≥30% selenium, ≥40% selenium, ≥50% selenium, ≥60% selenium or ≥70% selenium.
Le sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium ayant un décalage vers le rouge par rapport au pic Raman du sélénium pur. Un décalage vers le rouge est défini par une différence positive entre l'emplacement du pic Raman pour le sélénium immobilisé et celui du sélénium pur. Le sélénium pur a généralement un pic Raman à environ 235 cm-1. Le sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium qui présente un décalage vers le rouge du pic Raman de ≥4 cm-1, ≥6 cm-1, ≥8 cm-1, ≥10 cm-1, ≥12 cm-1, ≥14 cm-1 ou ≥16 cm-1. Un décalage vers le rouge du pic Raman suggère qu'il existe une compression sur les particules de sélénium.Immobilized selenium may include selenium having a red shift relative to the Raman peak of pure selenium. A red shift is defined as a positive difference between the location of the Raman peak for immobilized selenium and that of pure selenium. Pure selenium typically has a Raman peak at about 235 cm-1. Immobilized selenium may include selenium that has a red shift of the Raman peak of ≥4 cm-1, ≥6 cm-1, ≥8 cm-1, ≥10 cm-1, ≥12 cm-1, ≥14 cm-1, or ≥16 cm-1. A red shift of the Raman peak suggests that there is compression on the selenium particles.
Le sélénium immobilisé peut comprendre du carbone qui peut fait l'objet d'une compression. Sous compression, les électrons peuvent circuler avec une résistance minimale, ce qui facilite l'apport rapide d'électrons au sélénium et à partir des anions de sélénium pour les processus électrochimiques en jeu pendant les processus de décharge-charge d'une batterie rechargeable. La bande D et/ou la bande G du spectre Raman pour les liaisons carbone-carbone Sp2 du squelette carboné comprenant le sélénium immobilisé peuvent présenter un décalage vers le rouge ≥1 cm-1, ≥2 cm-1, ≥3 cm-1, ≥4 cm-1 ou ≥5 cm-1.The immobilized selenium may comprise carbon which may be subjected to compression. Under compression, electrons can flow with minimal resistance, which facilitates the rapid supply of electrons to the selenium and from the selenium anions for the electrochemical processes involved during the discharge-charge processes of a rechargeable battery. The D-band and/or G-band of the Raman spectrum for the carbon-carbon Sp2 bonds of the carbon skeleton comprising the immobilized selenium may exhibit a red shift of ≥1 cm-1, ≥2 cm-1, ≥3 cm-1, ≥4 cm-1 or ≥5 cm-1.
Le sélénium immobilisé comprend du sélénium pouvant avoir une fréquence de collision plus élevée que le sélénium non immobilisé. Une fréquence de collision aussi élevée peut être due au sélénium du système Se-C immobilisé qui fait l'objet d'une compression. La fréquence de collision du sélénium dans le sélénium non immobilisé a été déterminée comme étant d'environ 2,27 x 105, selon la norme de test de laboratoire ATSM E1641-16. La fréquence de collision du sélénium dans le sélénium immobilisé comprenant du sélénium et du carbone est ≥2,5x105, ≥3,0x105, ≥3,5x105, ≥4,0x105, ≥4,5x105, ≥5,0x105, ≥5,5x105, ≥6.0x105 ou ≥8,0x105. Le sélénium immobilisé peut avoir une fréquence de collision plus élevée de ≥10 %, ≥30 %, ≥50 %, ≥80 %, ≥100 %, ≥130 %, ≥150 %, ≥180 %, ou ≥200 % que celle du sélénium non immobilisé dans le composite Se-C. Cela peut conduire à une meilleure conductivité des électrons dans le système de sélénium immobilisé en raison d'un plus grand nombre de collisions entre les espèces de sélénium. Le sélénium immobilisé dans le composite Se-C aurait également une fréquence de collision plus élevée contre la paroi de l'hôte carboné (par exemple, un squelette carboné), ce qui pourrait entraîner un meilleur apport ou une meilleure capture des électrons du squelette carboné pendant le cycle électrochimique, ce qui peut conduire à une batterie (comprenant du sélénium immobilisé) qui a des performances de cyclage améliorées, comme l'atteinte d'un plus grand nombre de cycles et/ou un cyclage à un taux C beaucoup plus élevé, ce qui est hautement souhaitable.Immobilized selenium includes selenium that may have a higher collision frequency than non-immobilized selenium. Such a high collision frequency may be due to the selenium in the immobilized Se-C system being compressed. The collision frequency of selenium in non-immobilized selenium was determined to be approximately 2.27 x 105, according to the ATSM E1641-16 laboratory test standard. The collision frequency of selenium in the immobilized selenium comprising selenium and carbon is ≥2.5x105, ≥3.0x105, ≥3.5x105, ≥4.0x105, ≥4.5x105, ≥5.0x105, ≥5.5x105, ≥6.0x105 or ≥8.0x105. The immobilized selenium may have a higher collision frequency of ≥10%, ≥30%, ≥50%, ≥80%, ≥100%, ≥130%, ≥150%, ≥180%, or ≥200% than that of the non-immobilized selenium in the Se-C composite. This may lead to better electron conductivity in the immobilized selenium system due to a greater number of collisions between the selenium species. The immobilized selenium in the Se-C composite would also have a higher collision frequency against the carbon host wall (e.g., carbon skeleton), which could result in better electron delivery or capture from the carbon skeleton during electrochemical cycling, which may lead to a battery (comprising immobilized selenium) that has improved cycling performance, such as achieving a greater number of cycles and/or cycling at a much higher C rate, which is highly desirable.
Le sélénium immobilisé comprend du sélénium qui a moins tendance à quitter sa matière hôte (le carbone), ayant une constante de vitesse cinétique qui est ≤1/5, ≤1/10, ≤1/50, ≤1/100, ≤1/500 ou ≤1/1000 de la constante de vitesse cinétique pour le sélénium non immobilisé/conventionnel. Dans notre exemple, le sélénium immobilisé comprend du sélénium qui a moins tendance à quitter sa matière hôte (le carbone), ayant une constante de vitesse cinétique (à 50° C) ≤1x10-10, ≤5x10-11, ≤1x10-11, ≤5x10-12 ou ≤5x10-13.Immobilized selenium comprises selenium that is less likely to leave its host material (carbon), having a kinetic rate constant that is ≤1/5, ≤1/10, ≤1/50, ≤1/100, ≤1/500 or ≤1/1000 of the kinetic rate constant for non-immobilized/conventional selenium. In our example, immobilized selenium comprises selenium that is less likely to leave its host material (carbon), having a kinetic rate constant (at 50°C) ≤1x10-10, ≤5x10-11, ≤1x10-11, ≤5x10-12 or ≤5x10-13.
Le sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium qui peut être amorphe, tel que déterminé par des mesures de diffraction des rayons X. Un pic de diffraction ayant un espacement d d'environ 5,2 angströms est relativement plus petit ou plus faible, par exemple, 10 % plus faible, 20 % plus faible, 30 % plus faible ou 40 % plus faible, que celui du squelette de carbone.The immobilized selenium may include selenium that may be amorphous, as determined by X-ray diffraction measurements. A diffraction peak having a d spacing of about 5.2 angstroms is relatively smaller or weaker, for example, 10% weaker, 20% weaker, 30% weaker or 40% weaker, than that of the carbon skeleton.
Le sélénium immobilisé peut être préparé en mélangeant physiquement du carbone et du sélénium, puis en faisant fondre et en homogénéisant (ou en mélangeant) les molécules de sélénium pour obtenir une immobilisation du sélénium. Le mélange physique peut être obtenu par broyage à billes (sec et humide), mélange au mortier et au pilon (sec ou humide), broyage à jet, broyage horizontal, broyage par attrition, mélange à fort cisaillement dans des pâtes, mélange conventionnel des pâtes avec une lame, etc. Le mélange physique de sélénium et de carbone peut être chauffé à une température égale ou supérieure au point de fusion du sélénium et inférieure à la température de fusion du carbone. Le chauffage peut être effectué dans un environnement de gaz inerte tel que, mais sans s'y limiter, l'argon, l'hélium, l'azote, etc. L'environnement de chauffe peut comprendre de l'air ou un environnement réactif. L'immobilisation du sélénium peut être obtenue par imprégnation du sélénium dissous dans du carbone, suivie de l'évaporation du solvant. Le solvant pour dissoudre le sélénium peut comprendre un alcool, un éther, un ester, une cétone, un hydrocarbure, un hydrocarbure halogéné, un composé contenant de l'azote, un composé contenant du phosphore, un composé contenant du soufre, de l'eau, etc.Immobilized selenium can be prepared by physically mixing carbon and selenium, then melting and homogenizing (or mixing) the selenium molecules to achieve selenium immobilization. The physical mixture can be obtained by ball milling (dry and wet), mortar and pestle mixing (dry or wet), jet milling, horizontal milling, attrition milling, high shear mixing into pastes, conventional mixing of pastes with a blade, etc. The physical mixture of selenium and carbon can be heated to a temperature equal to or greater than the melting point of selenium and lower than the melting temperature of carbon. The heating can be carried out in an inert gas environment such as, but not limited to, argon, helium, nitrogen, etc. The heating environment can include air or a reactive environment. The immobilization of selenium can be achieved by impregnating the dissolved selenium in carbon, followed by evaporation of the solvent. The solvent for dissolving selenium may include an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing compound, a phosphorus-containing compound, a sulfur-containing compound, water, etc.
Le sélénium immobilisé peut être obtenu en faisant fondre une grande quantité de sélénium en présence de carbone, puis en éliminant l’excédent de sélénium non immobilisé.Immobilized selenium can be obtained by melting a large amount of selenium in the presence of carbon and then removing the excess non-immobilized selenium.
Un système ou un corps de sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium immobilisé à ≥30 %, ≥40 %, ≥50 %, ≥60 %, ≥70 %, ≥80 %, ou ≥90 % de la quantité totale de sélénium dans le système ou le corps. Le sélénium non immobilisé peut se vaporiser à une température inférieure à celle du sélénium immobilisé.An immobilized selenium system or body may comprise immobilized selenium at ≥30%, ≥40%, ≥50%, ≥60%, ≥70%, ≥80%, or ≥90% of the total amount of selenium in the system or body. Non-immobilized selenium may vaporize at a lower temperature than immobilized selenium.
Un système ou corps de sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium immobilisé qui est dopé avec un ou plusieurs éléments autres/supplémentaires du groupe 6 du tableau périodique, comme par exemple du soufre et/ou du tellure. Le niveau de dopant peut aller de 100 ppm en poids à 85 % du poids du système ou du corps de sélénium immobilisé.An immobilized selenium system or body may comprise immobilized selenium that is doped with one or more other/additional elements from group 6 of the periodic table, such as sulfur and/or tellurium. The dopant level may range from 100 ppm by weight to 85% of the weight of the immobilized selenium system or body.
Un exemple de processus de production de sélénium immobilisé est illustré à la
Le sélénium immobilisé peut être utilisé comme matériau de cathode pour une batterie rechargeable. Pour fabriquer une cathode, le sélénium immobilisé peut être dispersé dans un milieu liquide tel que, mais sans s'y limiter, de l'eau ou un solvant organique. La cathode comprenant le sélénium immobilisé peut comprendre un liant, facultativement un autre liant, facultativement un promoteur de conductivité électrique et un collecteur de charges électriques. Le liant peut être un solvant inorganique ou organique. Un liant organique peut être un produit naturel, comme par exemple la carboxyméthylcellulose (CMC), ou un produit synthétique, comme par exemple un latex de caoutchouc de type styrène-butadiène (SBR). Un promoteur de conductivité électrique peut être un type de carbone, tel que de petites particules dérivées du graphite, le graphène, les nanotubes de carbone, les nano-films de carbone, les noirs de carbone, etc. Un collecteur de charges électriques peut être, par exemple, un film d'aluminium, un film de cuivre, un film de carbone, un tissu de carbone ou d'autres films métalliques. La cathode peut être préparée par dépôt d’une ou de plusieurs pâtes contenant du sélénium immobilisé sur le collecteur de charges, suivi d’un processus de séchage classique (séchage à l'air, séchage au four, séchage au four sous vide, etc.). La ou les pâtes de sélénium immobilisé peuvent être préparées par un mélangeur à fort cisaillement, un mélangeur ordinaire, un mélangeur planétaire, un mélangeur double planétaire, un broyeur à billes, un attritionneur vertical, un broyeur horizontal, etc. La cathode comprenant du sélénium immobilisé peut être pressée ou broyée au rouleau (ou calandrée) avant son utilisation dans un ensemble de batterie.The immobilized selenium can be used as a cathode material for a rechargeable battery. To make a 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 the immobilized selenium can comprise a binder, optionally another binder, optionally an electrical conductivity promoter and an electrical charge collector. The binder can be an inorganic or organic solvent. An organic binder can be a natural product, such as, for example, carboxymethylcellulose (CMC), or a synthetic product, such as, for example, a styrene-butadiene rubber (SBR) latex. An electrical conductivity promoter can be a type of carbon, such as small particles derived from graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon nanofilms, carbon blacks, etc. An electrical charge collector may be, for example, an aluminum film, a copper film, a carbon film, a carbon cloth, or other metallic films. The cathode may be prepared by depositing one or more pastes containing immobilized selenium on the charge collector, followed by a conventional drying process (air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). The immobilized selenium paste(s) may be prepared by a high shear mixer, a conventional mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical attritioner, a horizontal mill, etc. The cathode comprising immobilized selenium may be pressed or roll milled (or calendered) before use in a battery pack.
Une batterie rechargeable comprenant du sélénium immobilisé peut comprendre une cathode comprenant du sélénium immobilisé, une anode, un séparateur et un électrolyte. L'anode peut comprendre du lithium, du sodium, du silicium, du graphite, du magnésium, de l'étain et/ou un élément ou une combinaison d'éléments appropriés et/ou souhaitables du groupe I A, du groupe II A, du groupe III A, etc. du tableau périodique des éléments (tableau périodique). Le séparateur peut comprendre un séparateur organique, un séparateur inorganique ou un séparateur à électrolyte solide. Un séparateur organique peut comprendre un polymère tel que, par exemple, le polyéthylène, le polypropylène, le polyester, un polymère halogéné, un polyéther, une polycétone, etc. Un séparateur inorganique peut comprendre une fibre de verre ou de quartz, un séparateur à électrolyte solide. Un électrolyte peut comprendre un sel de lithium, un sel de sodium ou un autre sel, un sel du groupe I A du tableau périodique, un sel du groupe II A du tableau périodique et un solvant organique. Le solvant organique peut comprendre un composé carbonate organique, un éther, un alcool, un ester, un hydrocarbure, un hydrocarbure halogéné, un solvant contenant du lithium, etc.A rechargeable battery comprising immobilized selenium may comprise a cathode comprising immobilized selenium, an anode, a separator and an electrolyte. The anode may comprise lithium, sodium, silicon, graphite, magnesium, tin and/or an element or combination of suitable and/or desirable elements from Group I A, Group II A, Group III A, etc. of the periodic table of elements (periodic table). The separator may comprise an organic separator, an inorganic separator or a solid electrolyte separator. An organic separator may comprise a polymer such as, for example, polyethylene, polypropylene, polyester, a halogenated polymer, a polyether, a polyketone, etc. An inorganic separator may comprise a glass or quartz fiber, a solid electrolyte separator. An electrolyte may comprise a lithium salt, a sodium salt or other salt, a salt from Group I A of the periodic table, a salt from Group II A of the periodic table and an organic solvent. The organic solvent may include an organic carbonate compound, an ether, an alcohol, an ester, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a lithium-containing solvent, etc.
Une batterie rechargeable comprenant du sélénium immobilisé peut être utilisée pour l'électronique, un véhicule électrique ou hybride, une application industrielle, une application militaire telle qu'un drone, une application aérospatiale, une application maritime, etc.A rechargeable battery comprising immobilized selenium can be used for electronics, electric or hybrid vehicle, industrial application, military application such as drone, aerospace application, maritime application, etc.
Une batterie rechargeable comprenant du sélénium immobilisé peut avoir une capacité spécifique de 400 mAh/g de quantité active de sélénium ou plus, 450 mAh/g ou plus, 500 mAh/g ou plus, 550 mAh/g ou plus, ou 600 mAh/g ou plus. Une batterie rechargeable comprenant du sélénium immobilisé peut être capable de subir un cyclage électrochimique de 50 cycles ou plus, 75 cycles ou plus, 100 cycles ou plus, 200 cycles ou plus, etc.A rechargeable battery comprising immobilized selenium may have a specific capacity of 400 mAh/g active amount of selenium or more, 450 mAh/g or more, 500 mAh/g or more, 550 mAh/g or more, or 600 mAh/g or more. A rechargeable battery comprising immobilized selenium may be capable of undergoing electrochemical cycling of 50 cycles or more, 75 cycles or more, 100 cycles or more, 200 cycles or more, etc.
Une batterie rechargeable comprenant du sélénium immobilisé peut être chargée à 0,1 C, 0,2 C, 0,5 C, 1 C, 1,5 C, 2 C, 3 C, 4 C, 5 C, 6 C, 7 C, 8 C, 9 C, 10 C ou plus rapidement. Après avoir effectué un cyclage de charge-décharge à un taux C élevé pendant 30 cycles ou plus (par exemple, 5 cycles à 0,1 C, 5 cycles à 0,2 C, 5 cycles à 0,5 C, 5 cycles à 1 C, 5 cycles à 2 C, 5 cycles à 5 C et 5 cycles à 10 C), une batterie rechargeable comprenant du sélénium immobilisé peut conserver une capacité spécifique > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 %, > 80 % de la capacité spécifique de la 2e décharge à une vitesse de cyclage de 0,1 C.A rechargeable battery containing immobilized selenium can be charged at 0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1 C, 1.5 C, 2 C, 3 C, 4 C, 5 C, 6 C, 7 C, 8 C, 9 C, 10 C or faster. After performing a charge-discharge cycle at a high C rate for 30 cycles or more (e.g., 5 cycles at 0.1 C, 5 cycles at 0.2 C, 5 cycles at 0.5 C, 5 cycles at 1 C, 5 cycles at 2 C, 5 cycles at 5 C, and 5 cycles at 10 C), a rechargeable battery including immobilized selenium can retain a specific capacity >30%, >40%, >50%, >60%, >70%, >80% of the specific capacity of the 2nd discharge at a cycling rate of 0.1 C.
Quelques exemples sont donnés ci-dessous pour illustrer l'esprit des inventions. Toutefois, ces exemples ne doivent pas être interprétés de manière restrictive.Some examples are given below to illustrate the spirit of the inventions. However, these examples should not be interpreted restrictively.
Les images de la microscopie électronique à balayage (MEB) ont été recueillies sur un microscope électronique à balayage Tescan Vega équipé d'un détecteur de rayons X à dispersion d’énergie (EDX).Scanning electron microscopy (SEM) images were collected on a Tescan Vega scanning electron microscope equipped with an energy dispersive X-ray (EDX) detector.
Les spectres Raman ont été recueillis par un microscope inVia Raman de Renishaw (confocal). La spectroscopie laser Raman est la technique standard largement utilisée pour la caractérisation du carbone et du diamant, et fournit des signatures facilement distinguables de chacune des différentes formes (allotropes) de carbone (par exemple, diamant, graphite, fullerènes, etc.). Combinée à une technologie de photoluminescence (PL), elle offre un moyen non destructif d'étudier diverses propriétés du diamant, notamment la pureté de la phase, la taille et l'orientation des cristaux, le niveau et la structure des défauts, le type et la concentration des impuretés, ainsi que la contrainte et la déformation. En particulier, la largeur (largeur à mi-hauteur ou LMH) du pic Raman d'un diamant de premier ordre à 1332 cm-1, ainsi que le rapport d'intensité Raman entre le pic du diamant et les pics graphitiques (bande D à 1350 cm-1 et bande G à 1600 cm-1), est un indicateur direct de la qualité du diamant et des autres matériaux carbonés. En outre, les niveaux de stress et de contrainte dans les grains et films de diamant ou d'autres carbones peuvent être estimés à partir du déplacement du pic Raman du diamant. Il a été rapporté que le taux de décalage du pic Raman du diamant sous contrainte hydrostatique est d'environ 3,2 cm-1/GPa, le pic se décalant vers un nombre d'ondes plus faible sous contrainte de traction et un nombre d'ondes plus élevé sous contrainte de compression. Les spectres Raman dont il est question ici ont été recueillis à l'aide d'un spectroscope inVia Raman de Renishaw avec un laser d'excitation de 514 nm. De plus amples informations sur l'utilisation de la spectroscopie Raman pour caractériser le diamant sont également disponibles dans les références (1) A. M. Zaitsev, Optical Properties of Diamond, 2001, Springer et (2) S. Prawer, R. J. Nemanich, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2537-2565.Raman spectra were collected using a Renishaw inVia Raman microscope (confocal). Laser Raman spectroscopy is the standard technique widely used for the characterization of carbon and diamond, and provides easily distinguishable signatures of each of the different forms (allotropes) of carbon (e.g. diamond, graphite, fullerenes, etc.). When combined with photoluminescence (PL) technology, it provides a non-destructive means of studying various diamond properties, including phase purity, crystal size and orientation, defect level and structure, impurity type and concentration, and stress and strain. In particular, the width (full width at half maximum or FHM) of the Raman peak of a first-order diamond at 1332 cm-1, as well as the Raman intensity ratio between the diamond peak and the graphitic peaks (D band at 1350 cm-1 and G band at 1600 cm-1), 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 the shift of the diamond Raman peak. It has been reported that the shift rate of the diamond Raman peak under hydrostatic stress is about 3.2 cm-1/GPa, with the peak shifting to a lower wavenumber under tensile stress and a higher wavenumber under compressive stress. The Raman spectra reported here were collected using a Renishaw inVia Raman spectroscope with a 514 nm excitation laser. Further information on the use of Raman spectroscopy to characterize diamond can also be found in (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.
Les données relatives à la surface BET et à la distribution de la taille des pores des échantillons de carbone ont été mesurées par absorption d'azote et absorption de CO2 avec un 3Flex (Micromeritics) équipé d'un système intelligent dit « Smart VacPrep » de préparation du dégazage des échantillons. L'échantillon est généralement dégazé dans Smart Vac-Prep à 250° C pendant 2 heures sous vide avant de mesurer l'absorption du CO2 et du N2. L'absorption d'azote est utilisée pour déterminer la surface BET. Les données d'absorption d'azote et les données d'absorption du CO2 ont été combinées pour calculer la distribution de la taille des pores d'un échantillon de carbone. Pour plus de détails sur la combinaison des données d'absorption du N2 et du CO2 pour déterminer les distributions de taille des pores des matériaux carbonés, il convient de se reporter à « Dual gas analysis of microporous carbon using 2D-NLDFT heterogeneous surface model and combined adsorption data of N and CO2 », Jacek Jagiello, Conchi Ania, Jose B. Parra et Cameron Cook, Carbon 91,, 2015, page 330-337.BET surface area and pore size distribution data of carbon samples were measured by nitrogen absorption and CO2 absorption with a 3Flex (Micromeritics) equipped with a Smart VacPrep sample degassing preparation system. The sample is typically degassed in Smart Vac-Prep at 250°C for 2 hours under vacuum before measuring CO2 and N2 absorption. Nitrogen absorption is used to determine the BET surface area. Nitrogen absorption data and CO2 absorption data were combined to calculate the pore size distribution of a carbon sample. For more details on combining N2 and CO2 adsorption data to determine pore size distributions of carbonaceous materials, see “Dual gas analysis of microporous carbon using 2D-NLDFT heterogeneous surface model and combined adsorption data of N and CO2,” Jacek Jagiello, Conchi Ania, Jose B. Parra, and Cameron Cook, Carbon 91, 2015, page 330-337.
Les données pour l'analyse thermogravimétrique (ATG) et l’ATG-calorimétrie différentielle à balayage (CDB) pour les échantillons de sélénium immobilisé et les échantillons de contrôle ont été mesurées par un analyseur thermique Netzsch. L'analyse ATG a été effectuée sous un flux d'argon de ~200 ml/min à une vitesse de chauffe de 16° C/min, 10° C/min, 5° C/min, 2° C/min, 1° C /min, et d'autres vitesses de chauffe. Pour des raisons de cohérence, la quantité typique d'échantillon de sélénium immobilisé utilisée pour l'analyse ATG était d'environ 20 mg.Thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) data for immobilized selenium samples and control samples were measured by a Netzsch thermal analyzer. TGA analysis was performed under an argon flow of ~200 mL/min at a heating rate of 16°C/min, 10°C/min, 5°C/min, 2°C/min, 1°C/min, and other heating rates. For consistency, the typical amount of immobilized selenium sample used for TGA analysis was approximately 20 mg.
L'énergie d'activation et la fréquence de collision du sélénium immobilisé et du sélénium non immobilisé ont été déterminées par l'ATG selon les procédures décrites dans la norme de test ASTM E1641-16.The activation energy and collision frequency of immobilized and non-immobilized selenium were determined by TGA according to the procedures described in the ASTM E1641-16 test standard.
Les résultats de la diffraction des rayons X pour différents échantillons de carbone, de SE-carbone et le sélénium immobilisé ont été recueillis sur un diffractomètre Philip.X-ray diffraction results for different samples of carbon, SE-carbon and immobilized selenium were collected on a Philip diffractometer.
Les performances de cyclage des batteries rechargeables comprenant du sélénium immobilisé ont été testées sur le testeur de cyclage de batteries Lanhe CT2001A. Les courants de charge et de décharge des batteries rechargeables comprenant du sélénium immobilisé ont été déterminés par la quantité de sélénium contenue dans le sélénium immobilisé et la vitesse de cyclage (0,1 C, 0,5 C, 1 C, 2 C, 3 C, 4 C, 5 C, 10 C, etc.).The cycling performance of rechargeable batteries containing immobilized selenium was tested on Lanhe CT2001A battery cycling tester. The charge and discharge currents of rechargeable batteries containing immobilized selenium were determined by the amount of selenium contained in the immobilized selenium and the cycling speed (0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 3C, 4C, 5C, 10C, etc.).
Exemple 9 : Synthèse et caractérisation du squelette carboné.Example 9: Synthesis and characterization of the carbon skeleton.
Pour former un premier résidu, une charge de 260 g de citrate de potassium a été incluse dans un creuset et le creuset a été placé dans un tube de quartz à l'intérieur d'un four tubulaire. Un courant de gaz argon a été introduit dans le four et le four a été chauffé à 5° C/min à partir de la température ambiante (~20-22° C) jusqu’à 600° C. Le four a été maintenu à cette température pendant 60 minutes, puis le four a été arrêté et la charge a été retirée du creuset après refroidissement du four, ce qui a permis de récupérer 174,10 grammes de résidu traité. Pour former les deuxième et troisième résidus traités, le même processus décrit pour le premier résidu a été répété pour des charges de 420 et 974 grammes de citrate de potassium, séparément. Les deuxième et troisième résidus transformés pesaient respectivement 282,83 grammes et 651,93 grammes.To form a first residue, a 260 g charge of potassium citrate was included in a crucible and the crucible was placed in a quartz tube inside a tube furnace. A stream of argon gas was introduced into the furnace and the furnace was heated at 5°C/min from room temperature (~20-22°C) to 600°C. The furnace was held at this temperature for 60 minutes, then the furnace was stopped and the charge was removed from the crucible after the furnace had cooled, recovering 174.10 grams of treated residue. To form the second and third treated residues, the same process described for the first residue was repeated for 420 and 974 grams of potassium citrate charges, separately. The second and third processed residues weighed 282.83 grams and 651.93 grams, respectively.
1108,9 grammes de ces trois résidus traités ont été combinés ensemble dans un creuset, qui a été placé dans le tube de quartz à l'intérieur du four tubulaire et un flux de gaz argon a été injecté dans le four. Le four était chauffé à une vitesse de 5° C/min jusqu’à 800° C. Le four a été maintenu à 800° C pendant 1 heure. Le four a été laissé refroidir, puis le creuset a été retiré du tube de quartz et il a été possible de récupérer 1085,74 grammes d'un premier résidu final.1108.9 grams of these three treated residues were combined together in a crucible, which was placed in the quartz tube inside the tube furnace and a flow of argon gas was injected into the furnace. The furnace was heated at a rate of 5°C/min to 800°C. The furnace was maintained at 800°C for 1 hour. The furnace was allowed to cool, then the crucible was removed from the quartz tube and it was possible to recover 1085.74 grams of a first final residue.
En suivant la même procédure décrite dans cet exemple (800° C), une charge de 120 grammes de résidus de potassium introduite dans le four a produit environ 77 grammes d'un deuxième résidu final (800° C).Following the same procedure described in this example (800°C), a charge of 120 grams of potassium residue introduced into the furnace produced approximately 77 grams of a second final residue (800°C).
La combinaison du premier et du deuxième résidu final a produit environ 1163 grammes d'un troisième résidu final.The combination of the first and second final residues produced approximately 1163 grams of a third final residue.
Les 1163 grammes du troisième résidu final ont ensuite été mélangés à 400 ml d'eau pour former une pâte qui a été séparée de manière approximativement égale dans quatre béchers de deux litres. Le pH de chaque pâte a été mesuré à une valeur supérieure à 13. Ensuite, une solution d'acide chlorhydrique concentré a été ajoutée à chaque bécher avec une violente évolution du dioxyde de carbone, qui s'est atténuée à un pH inférieur à environ 5. Une solution d'acide chlorhydrique supplémentaire a été ajoutée pour obtenir un pH d'environ 1,9. Ensuite, les pâtes ont été filtrées et lavées pour obtenir des gâteaux de filtration qui ont été séchés dans un four à 120° C pendant environ 12 heures, puis séchés sous vide à 120° C pendant 24 heures, donnant quatre échantillons de squelette carboné, soit un total d'environ 61,07 grammes.The 1163 grams of the third final residue were then mixed with 400 ml of water to form a paste which was separated approximately equally into four two-liter beakers. The pH of each paste was measured to be greater than 13. Next, a concentrated hydrochloric acid solution was added to each beaker with a violent evolution of carbon dioxide, which subsided to a pH of less than about 5. Additional hydrochloric acid solution was added to obtain a pH of about 1.9. Next, the pastes were filtered and washed to obtain filter cakes which were dried in an oven at 120°C for about 12 hours and then vacuum dried at 120°C for 24 hours, yielding four carbon skeleton samples, totaling about 61.07 grams.
Ces échantillons de squelette de carbone ont été caractérisés par MEB, XRD, Raman et BET/distribution de la taille des pores. Le résultat du MEB pour un squelette de carbone est montré en
Les diagrammes de diffraction des rayons X d'un squelette de carbone, présentés à la
Les résultats de la spectroscopie de diffusion Raman pour un squelette de carbone sont présentés sur la
La surface BET d'un squelette de carbone a été mesurée à 1 205 m2/g par absorption d'azote. La surface de pore incrémentielle en fonction de la largeur de pore est tracée sur la
La distribution de la taille des pores de l'échantillon du squelette carboné a été déterminée par l'absorption d'azote et l'absorption de CO2. Les résultats de l'absorption de l'azote et de l’absorption du CO2 ont été combinés pour produire la distribution de la taille des pores illustrée à la
Exemple 10 : Préparation et caractérisation du sélénium immobilisé.Example 10: Preparation and characterization of immobilized selenium.
Il convient d'inclure 0,1206 gramme de sélénium (montrant les propriétés en masse du sélénium) dans un ensemble de mortier et pilon en agate et inclure 0,1206 gramme du squelette carboné qui a été préparé conformément à l'Exemple 9 dans ce même mortier et pilon en agate. Broyer manuellement le mélange de sélénium et de squelette de carbone pendant environ 30 minutes et transférer le mélange broyé de sélénium et de squelette de carbone dans une matrice en acier inoxydable (10 mm de diamètre). Presser le mélange dans la matrice à une pression d'environ 10 MPa pour former un granulé du mélange. Ensuite, charger le granulé dans un récipient scellé en présence d'un environnement inerte (argon) et placer le récipient scellé contenant le granulé dans un four. Chauffer le four, y compris le récipient scellé contenant le granulé, à 240° C (au-dessus de la température de fusion du sélénium) pendant, par exemple, 12 heures. Il est toutefois envisagé d’utiliser une quelconque combinaison de temps et de température, au-dessus de la température de fusion du sélénium, suffisante pour faire réagir le sélénium et le carbone, partiellement ou totalement, et former du sélénium immobilisé présentant tout ou partie des caractéristiques décrites dans la présente demande. Ensuite, décharger le granulé du récipient après avoir laissé le granulé revenir à température ambiante. Le granulé déchargé est le sélénium immobilisé du présent Exemple 10.Include 0.1206 grams of selenium (showing the bulk properties of selenium) in an agate mortar and pestle assembly and include 0.1206 grams of the carbon skeleton that was prepared in accordance with Example 9 in the same agate mortar and pestle. Hand grind the mixture of selenium and carbon skeleton for about 30 minutes and transfer the ground mixture of selenium and carbon skeleton into a stainless steel die (10 mm in diameter). Press the mixture into the die at a pressure of about 10 MPa to form a pellet of the mixture. Then, charge the pellet into a sealed container in the presence of an inert environment (argon) and place the sealed container containing the pellet in a furnace. Heating the furnace, including the sealed container containing the pellet, to 240°C (above the melting temperature of selenium) for, for example, 12 hours. However, it is contemplated that any combination of time and temperature, above the melting temperature of selenium, sufficient to cause the selenium and carbon to react, partially or completely, to form immobilized selenium having some or all of the characteristics described in this application may be used. Thereafter, discharging the pellet from the container after allowing the pellet to return to room temperature. The discharged pellet is the immobilized selenium of this Example 10.
Le sélénium immobilisé du présent Exemple 10 a ensuite été caractérisé par ATG-CDB et ATG. Les résultats de l'analyse ATG-CDB ont été recueillis pour le sélénium immobilisé sous un flux de 200 ml/min de gaz argon à une vitesse de chauffe de 10° C/min. Il n'y a pas de pic CDB endothermique observable à des températures proches du point de fusion du sélénium (environ 230° C), ce qui indique que le sélénium immobilisé du présent Exemple 10 est différent de la forme globale des molécules/atomes de sélénium qui devraient avoir un point de fusion à environ 230° C où il devrait y avoir un pic endothermique.The immobilized selenium of this Example 10 was then characterized by TGA-CDB and TGA. The results of the TGA-CDB analysis were collected for the immobilized selenium under a flow of 200 ml/min of argon gas at a heating rate of 10°C/min. There is no endothermic CDB peak observable at temperatures near the melting point of selenium (about 230°C), indicating that the immobilized selenium of this Example 10 is different from the bulk form of selenium molecules/atoms which are expected to have a melting point at about 230°C where there should be an endothermic peak.
Un examen a révélé que les données de l'analyse ATG-CDB pouvaient ne pas être fiables lorsque la température de chauffe atteignait un point où les molécules de sélénium commencent à s'échapper du creuset d'échantillonnage utilisé pour l'ATG-CDB (graphite ou céramique). À cette fin, les molécules de sélénium en phase gazeuse (provenant du creuset d'échantillonnage) entrent dans le flux de gaz porteur d'argon et semblent réagir avec le porte-échantillon en platine d'ATG-CDB, faussant les comportements thermochimiques réels en jeu dans l'ATG-CDB. Les molécules de sélénium libérées du creuset d'échantillonnage réagissant avec le porte-échantillon en platine, conduisent à une perte de poids plus faible dans cette région de température. Le composite sélénium-platine dans le porte-échantillon en platine est ensuite libéré dans la phase gazeuse lorsque la température de chauffe atteint un point supérieur à 800° C. Une libération complète de sélénium peut se produire à 1000° C. Cet examen a épuisé la majeure partie de l'échantillon de sélénium immobilisé dans le présent Exemple 10. Par conséquent, un nouvel échantillon de sélénium immobilisé (~16 grammes) a été préparé en utilisant le même procédé que celui décrit dans la partie précédente du présent Exemple 10.An examination revealed that the data from the ATG-CDB analysis could be unreliable when the heating temperature reached a point where selenium molecules began to escape from the sample crucible used for the ATG-CDB (graphite or ceramic). To this end, the gas phase selenium molecules (from the sample crucible) entered the argon carrier gas stream and appeared to react with the platinum sample holder of the ATG-CDB, distorting the actual thermochemical behaviors involved in the ATG-CDB. The selenium molecules released from the sample crucible reacting with the platinum sample holder, led to a lower weight loss in this temperature region. The selenium-platinum composite in the platinum sample holder is then released into the gas phase when the heating temperature reaches a point above 800°C. Complete release of selenium can occur at 1000°C. This examination exhausted most of the immobilized selenium sample in this Example 10. Therefore, a new immobilized selenium sample (~16 grams) was prepared using the same procedure as described in the previous part of this Example 10.
Les comportements thermochimiques de ce nouvel échantillon de sélénium immobilisé ont été étudiés par l'analyse ATG, qui utilise un porte-échantillon en céramique qui recouvre un très petit thermocouple utilisé pour l'analyse ATG. Les résultats de l'analyse AGT pour ce nouvel échantillon de sélénium immobilisé sont présentés à la
Joule/MoleKinetic energy,
Joule/Mole
Le sélénium immobilisé peut avoir une température de perte de poids initiale d'environ 400° C contre 340° C pour le composite de carbone Se-Super P et le composite de carbone Se-Graphite ; une température de perte de poids médiane pour le sélénium immobilisé peut être d'environ 595° C contre 480° C pour le composite de carbone Se-Super P et 471° C pour le composite Se-Graphite ; la perte de poids la plus élevée s'achève à environ 544° C pour le composite Se-Super P et le composite Se-Graphite, et à 660° C pour le sélénium immobilisé. Le composite de carbone Se-Super P et le composite de carbone Se-Graphite montrent une perte de poids inférieure à 0,6 % entre 560° C et 780° C, tandis que le sélénium immobilisé montre une perte de poids d'environ 2,5 % à partir du minimum de la perte de poids la plus élevée (~660° C à 1000° C). Ces résultats suggèrent que le sélénium non immobilisé (composite de carbone Se-Super P et composite de Se- graphite G) comporte ≤1,2 % du sélénium total pouvant s'échapper du composite à une température ≥560° C, tandis que le sélénium immobilisé comporte environ 5,0 % du sélénium total pouvant s'échapper du squelette de carbone à une température ≥660° C. Les détails suivants sont fournis pour donner des exemples qui permettent de comprendre les comportements thermochimiques. Toutefois, ces détails ne doivent pas être interprétés de manière restrictive.The immobilized selenium may have an initial weight loss temperature of about 400°C compared to 340°C for the Se-Super P carbon composite and the Se-Graphite carbon composite; a median weight loss temperature for the immobilized selenium may be about 595°C compared to 480°C for the Se-Super P carbon composite and 471°C for the Se-Graphite composite; the highest weight loss is completed at about 544°C for the Se-Super P composite and the Se-Graphite composite, and at 660°C for the immobilized selenium. The Se-Super P carbon composite and Se-Graphite carbon composite show a weight loss of less than 0.6% between 560°C and 780°C, while the immobilized selenium shows a weight loss of about 2.5% from the minimum to the highest weight loss (~660°C to 1000°C). These results suggest that the non-immobilized selenium (Se-Super P carbon composite and Se-Graphite G composite) has ≤1.2% of the total selenium that can escape from the composite at a temperature ≥560°C, while the immobilized selenium has about 5.0% of the total selenium that can escape from the carbon skeleton at a temperature ≥660°C. The following details are provided to provide examples to help understand the thermochemical behaviors. However, these details should not be interpreted restrictively.
En utilisant les données de la température de perte de poids moyenne de l'AGT comme exemples de comportements thermochimiques, lorsque la température de chauffage augmente, l'énergie cinétique des molécules de sélénium dans le composite de Se-Super P et le composite de Se-Graphite augmente à un niveau auquel ces molécules de sélénium ont suffisamment d'énergie pour surmonter les interactions intermoléculaires entre les molécules de sélénium et s'échapper de la phase liquide du sélénium. L'énergie cinétique est ici égale à 3RT/2, où : R est la constante du gaz et T est la température en Kelvin.Using the average weight loss temperature data of AGT as examples of thermochemical behaviors, as the heating temperature increases, the kinetic energy of selenium molecules in the Se-Super P composite and the Se-Graphite composite increases to a level at which these selenium molecules have enough energy to overcome the intermolecular interactions between selenium molecules and escape from the liquid phase of selenium. The kinetic energy here is equal to 3RT/2, where: R is the gas constant and T is the temperature in Kelvin.
Il a été observé que l'énergie cinétique moyenne des molécules de sélénium pour le composite de Se-Super P a été mesurée à 9 391 joules/mole lorsque les molécules de sélénium s'échappent du mélange de composite de Se-Super P. Cependant, le sélénium immobilisé doit gagner plus d'énergie pour atteindre une énergie cinétique moyenne d'environ 10 825 joules/mole permettant que le sélénium quitte le squelette carboné et que les molécules de sélénium entrent en phase gazeuse. Il est considéré que le sélénium dans le sélénium immobilisé, sous forme atomique, sous forme moléculaire, ou sous une forme quelconque, peut interagir chimiquement avec le sélénium et le squelette de carbone au-delà des interactions intermoléculaires du sélénium. En outre, la dernière partie du sélénium qui s'échappe du squelette carboné entre 660° C et 1000° C a une énergie cinétique moyenne dans la plage de 11 635 joules/mole à 15 876 joules/moles ou plus. Cela suggère que le sélénium dans le sélénium immobilisé est plus stable que le sélénium des composites sélénium-carbone classiques. Le sélénium stabilisé dans le sélénium immobilisé du présent Exemple 10 renforce la capacité du sélénium, sous forme atomique, moléculaire ou sous une forme quelconque, à rester à l'intérieur du squelette carboné pendant les processus électrochimiques, comme par exemple pendant le cycle de charge et de décharge d'une batterie rechargeable constituée avec le sélénium immobilisé. Dans un exemple, cette dernière partie de sélénium peut nécessiter une énergie cinétique ≥11 635 joules/mole (≥660° C) pour s'échapper du squelette carboné ; elle peut être critique pour l'immobilisation du sélénium et peut fonctionner comme matériau interfacial entre le squelette carboné et la majorité des molécules de sélénium immobilisées. La part de sélénium interfacial dans le sélénium immobilisé peut être ≥1,5 %, ≥2,0 %, ≥2,5 %, ou 3,0 % du sélénium total immobilisé.It was observed that the average kinetic energy of selenium molecules for Se-Super P composite was measured to be 9,391 joules/mole when selenium molecules escape from the Se-Super P composite mixture. However, the immobilized selenium needs to gain more energy to reach an average kinetic energy of about 10,825 joules/mole for the selenium to leave the carbon skeleton and the selenium molecules to enter the gas phase. It is considered that the selenium in the immobilized selenium, in atomic form, molecular form, or any form, can chemically interact with the selenium and the carbon skeleton beyond the intermolecular interactions of selenium. Furthermore, the latter portion of the selenium that escapes from the carbon skeleton between 660°C and 1000°C has an average kinetic energy in the range of 11,635 joules/mole to 15,876 joules/mole or more. This suggests that the selenium in the immobilized selenium is more stable than the selenium in conventional selenium-carbon composites. The stabilized selenium in the immobilized selenium of this Example 10 enhances the ability of selenium, in atomic, molecular or other form, to remain within the carbon skeleton during electrochemical processes, such as during the charge and discharge cycle of a rechargeable battery made with the immobilized selenium. In one example, this latter portion of selenium may require kinetic energy ≥11,635 joules/mole (≥660°C) to escape from the carbon skeleton; it may be critical for the immobilization of selenium and may function as an interfacial material between the carbon skeleton and the majority of the immobilized selenium molecules. The share of interfacial selenium in the immobilized selenium may be ≥1.5%, ≥2.0%, ≥2.5%, or 3.0% of the total immobilized selenium.
La
PSe-Super Composite
P
L'énergie d'activation du sélénium (non immobilisé ou conventionnel) dans le composite Se-Super P a été déterminée à 92,3 kJ/mole avec une fréquence de collisions de 2,27x105. L'énergie d'activation du sélénium immobilisé (228-110 ci-dessus) a également été déterminée comme étant de 120,7 kJ/mole avec une fréquence de collisions de 12,4x105. Un autre échantillon de sélénium immobilisé (155-82-2 ci-dessus) qui a été préparé selon les mêmes procédures que celles de l'Exemple 10, a également été mesuré et a montré une énergie d'activation de 120,0 kJ/mole et une fréquence de collisions de 18,3x105.The activation energy of selenium (non-immobilized or conventional) in the Se-Super P composite was determined to be 92.3 kJ/mol with a collision frequency of 2.27x105. The activation energy of immobilized selenium (228-110 above) was also determined to be 120.7 kJ/mol with a collision frequency of 12.4x105. Another sample of immobilized selenium (155-82-2 above) which was prepared according to the same procedures as those of Example 10, was also measured and showed an activation energy of 120.0 kJ/mol and a collision frequency of 18.3x105.
La constante de vitesse cinétique du sélénium est calculée à l'aide de l'équation d'ArrheniusThe kinetic rate constant of selenium is calculated using the Arrhenius equation
k = Aek = Ae
où k est la constante de vitesse, Ea est l'énergie d'activation, A est la fréquence des collisions, R est la constante de gaz et T est la température en Kelvin.where k is the rate constant, Ea is the activation energy, A is the collision frequency, R is the gas constant and T is the temperature in Kelvin.
Concernant la
La
La compression résultant de l'immobilisation du sélénium renforce à la fois les liaisons Sp2 carbone-carbone pour le squelette du carbone et les liaisons Se-Se pour le sélénium, créant ainsi des interactions sélénium-sélénium et carbone-sélénium plus fortes. Il faudrait donc plus d'énergie cinétique au sélénium pour surmonter la plus grande force de la liaison Se-Se et les plus fortes interactions carbone-sélénium, ce qui explique les observations de l'analyse AGT du sélénium immobilisé par rapport au composite Se-Super P et au composite Se-Graphite.The compression resulting from the immobilization of selenium strengthens both the carbon–carbon Sp2 bonds for the carbon skeleton and the Se–Se bonds for selenium, creating stronger selenium–selenium and carbon–selenium interactions. Therefore, more kinetic energy would be required for selenium to overcome the greater strength of the Se–Se bond and the stronger carbon–selenium interactions, which explains the AGT analysis observations of immobilized selenium compared to the Se–Super P composite and the Se–Graphite composite.
De plus, sous compression, le squelette de carbone aurait alors une meilleure capacité à conduire les électrons au niveau des liaisons ; et sous compression, les atomes ou molécules de sélénium auraient également une meilleure capacité de conduction des électrons.Furthermore, under compression, the carbon skeleton would then have a better capacity to conduct electrons at the bonds; and under compression, the selenium atoms or molecules would also have a better capacity to conduct electrons.
Un sélénium stabilisé pour le sélénium immobilisé, ainsi qu'une conductivité électronique accrue à travers le squelette carboné et le sélénium peuvent être souhaitables dans les processus électrochimiques, comme par exemple, une capacité spécifique améliorée pour la substance active avec un niveau minimal de navette, une capacité de cyclage améliorée en raison de l'immobilisation, une capacité de charge et décharge à une vitesse plus élevée, etc. Toutefois, cela ne doit pas être interprété dans un sens restrictif.A stabilized selenium for immobilized selenium, as well as an increased electronic conductivity through the carbon skeleton and selenium may be desirable in electrochemical processes, such as, for example, an improved specific capacity for the active substance with a minimal level of shuttling, an improved cycling capacity due to immobilization, a capacity to charge and discharge at a higher rate, etc. However, this should not be interpreted in a restrictive sense.
Les diagrammes de diffraction des rayons X pour le sélénium immobilisé préparé conformément à l'Exemple 10 et présentés à la
La
Dans un mortier et un pilon, inclure 56 mg du sélénium immobilisé qui a été préparé conformément à l'Exemple 10 ; 7,04 mg de Super P ; 182 μL de solution de carboxyméthylcellulose (CMC) (qui contient 1 mg de CMC sèche pour chaque 52 μL de solution CMC) ; 21,126 μL de dispersion de latex SBR (qui contient 1 mg de latex SBR sec pour chaque 6,036 μL de dispersion de latex SBR) ; et 200 μL d'eau déionisée. Broyer les particules, les liants et l'eau manuellement pendant 30 minutes pour produire une pâte de cathode. La pâte de cathode a ensuite été appliquée sur une face d'un morceau de substrat électriquement conducteur, par exemple un film, et séchée à l'air. À titre d'exemple, le substrat ou le film conducteur peut être un film d'aluminium (Al). Toutefois, cela ne doit pas être interprété dans un sens restrictif puisque l'utilisation d’un quelconque matériau électriquement conducteur approprié et/ou souhaitable, d’une quelconque forme, est envisagée. Pour les besoins exclusifs de la description, l'utilisation de film d'Al pour former une cathode de sélénium sera décrite ici. Toutefois, cela ne doit pas être interprété dans un sens restrictif.In a mortar and pestle, include 56 mg of the immobilized selenium that was prepared in accordance with Example 10; 7.04 mg of Super P; 182 μL of carboxymethylcellulose (CMC) solution (which contains 1 mg of dry CMC for each 52 μL of CMC solution); 21.126 μL of SBR latex dispersion (which contains 1 mg of dry SBR latex for each 6.036 μL of SBR latex dispersion); and 200 μL of deionized water. Grind the particles, binders, and water by hand for 30 minutes to produce a cathode paste. The cathode paste was then applied to one side of a piece of electrically conductive substrate, such as a film, and air dried. For example, the conductive substrate or film may be an aluminum (Al) film. However, this is not to be construed in a restrictive sense since the use of any suitable and/or desirable electrically conductive material, of any form, is contemplated. For the exclusive purposes of the disclosure, the use of Al film to form a selenium cathode will be described herein. However, this is not to be construed in a restrictive sense.
La feuille d'Al revêtue de pâte a ensuite été placée dans un four de séchage et chauffée à une température de 55º C pendant 12 heures, ce qui a donné une cathode de sélénium composée d'une feuille de sélénium immobilisé séchée sur une face du film d'Al, l'autre face du film d'Al n'ayant pas de revêtement (aluminium nu).The paste-coated Al foil was then placed in a drying oven and heated at a temperature of 55ºC for 12 hours, resulting in a selenium cathode composed of an immobilized selenium foil dried on one side of the Al film, with the other side of the Al film having no coating (bare aluminum).
La cathode de sélénium a ensuite été coupée en disques cathodiques, chacun ayant un diamètre de 10 mm. Certains de ces disques cathodiques étaient utilisés comme cathodes pour les batteries rechargeables.The selenium cathode was then cut into cathode discs, each with a diameter of 10 mm. Some of these cathode discs were used as cathodes for rechargeable batteries.
Exemple 12 : Assemblage et test des batteries rechargeables Li-SeExample 12: Assembly and testing of Li-Se rechargeable batteries
Les disques cathodiques de l'Exemple 11 ont été utilisés pour assembler des piles boutons rechargeables Li-Se de la manière décrite dans l'exemple suivant et illustré à la
Ensuite, 240 µl d'électrolyte 7 comprenant du LiPF6 (1M) dans du solvant de carbonate d'éthylène (CE) et de carbonate de diméthyle (DMC) (50-50 en poids) ont été introduits dans le boîtier positif 2, puis un disque en film de lithium 8 (15,6 mm de diamètre et 250 microns d'épaisseur) a été placé sur un côté du séparateur 6 opposé au disque de cathode 4. Ensuite, une douille en acier inoxydable (SS) 10 a été placée sur un côté du disque en film de lithium 8 opposé au séparateur 6, puis un ou plusieurs disques en mousse 12 fabriqués, par exemple, en nickel ont été placés sur un côté de la douille SS 10 opposé au disque en film de lithium 8. Le film de lithium 8, la douille SS 10 et/ou le disque en mousse 12 peuvent servir d'anode. Enfin, un boîtier 14 en acier inoxydable 2032, destiné à servir de pôle négatif de la pile bouton (le « boîtier négatif » de la
Certaines des piles boutons assemblées ont été testées à des taux de charge-décharge de 0,1 C et 1 C en utilisant un testeur de batteries Lanhe CT2001A. Chaque pile bouton a été testée dans les conditions suivantes : (1) repos pendant 1 heure ; (2) décharge à 1V ; (3) repos pendant 10 minutes ; (4) charge à 3V ; (5) repos pendant 10 minutes ; répétition des étapes (2) à (5) pour répéter le test de cyclage.Some of the assembled button cells were tested at charge-discharge rates of 0.1C and 1C using a Lanhe CT2001A battery tester. Each button cell was tested under the following conditions: (1) rest for 1 hour; (2) discharge to 1V; (3) rest for 10 minutes; (4) charge to 3V; (5) rest for 10 minutes; repeat steps (2) to (5) to repeat the cycling test.
La
La
La batterie Li-Se comprenant du sélénium immobilisé peut récupérer sa capacité spécifique à 670 mAh/g, soit 98 % de sa pleine capacité lorsqu'elle est utilisée à une vitesse de 0,1 C au début du test. Il est considéré que (1) la stabilisation du sélénium dans la cathode de sélénium immobilisé empêche que le sélénium ne quitte le squelette de carbone, évitant ainsi que le sélénium ne fasse la navette entre la cathode et l'anode pendant le cyclage, ce qui permet à la batterie d'avoir une meilleure performance de cyclage ; (2) les liaisons carbone-carbone Sp2 et les interactions squelette carboné, liaisons sélénium-sélénium et carbone-sélénium peuvent être soumis à une compression de nature à entraîner une conductivité électrique supérieure dans le squelette carboné, dans les particules de sélénium et entre les interfaces carbone et sélénium, ce qui peut aider à obtenir les performances de cyclage observées à des taux C élevés.The Li-Se battery comprising immobilized selenium can recover its specific capacity to 670 mAh/g, which is 98% of its full capacity when used at a rate of 0.1 C at the beginning of the test. It is considered that (1) the stabilization of selenium in the immobilized selenium cathode prevents selenium from leaving the carbon skeleton, thereby avoiding selenium shuttling between the cathode and the anode during cycling, which enables the battery to have a better cycling performance; (2) the Sp2 carbon-carbon bonds and the carbon skeleton, selenium-selenium bond, and carbon-selenium interactions can be subjected to compression so as to result in higher electrical conductivity in the carbon skeleton, in the selenium particles, and between the carbon and selenium interfaces, which may help to achieve the cycling performance observed at high C rates.
Le corps de sélénium immobilisé comprenant du sélénium et du carbone préparé conformément aux principes décrits ici peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :The immobilized selenium body comprising selenium and carbon prepared in accordance with the principles described herein may exhibit one or more of the following characteristics:
(a) une énergie cinétique nécessaire à une particule de sélénium pour s'échapper du sélénium immobilisé peut être ≥ 9,5 kJ/mole, ≥ 9,7 kJ/mole, ≥ 9,9 kJ/mole, ≥ 10,1 kJ/mole, ≥ 10,3 kJ/mole, ou ≥ 10,5 kJ/mole ;(a) a kinetic energy required for a selenium particle to escape from the immobilized selenium may be ≥ 9.5 kJ/mole, ≥ 9.7 kJ/mole, ≥ 9.9 kJ/mole, ≥ 10.1 kJ/mole, ≥ 10.3 kJ/mole, or ≥ 10.5 kJ/mole;
(b) la température requise pour qu'une particule de sélénium puisse s'échapper du sélénium immobilisé peut être ≥ 490° C, ≥ 500° C, ≥ 510° C, ≥ 520° C, ≥ 530° C, ≥ 540° C, ≥ 550° C, ou ≥ 560° C ;(b) the temperature required for a selenium particle to escape from the immobilized selenium may be ≥ 490°C, ≥ 500°C, ≥ 510°C, ≥ 520°C, ≥ 530°C, ≥ 540°C, ≥ 550°C, or ≥ 560°C;
(c) le carbone peut avoir une surface (pour les pores de moins de 20 angströms) ≥ 500 m2/g, ≥600 m2/g, ≥ 700 m2/g, ≥ 800 m2/g, ≥ 900 m2/g, ou ≥ 1 000 m2/g ;(c) the carbon may have a surface area (for pores less than 20 angstroms) ≥ 500 m2/g, ≥600 m2/g, ≥ 700 m2/g, ≥ 800 m2/g, ≥ 900 m2/g, or ≥ 1,000 m2/g;
(d) le carbone peut avoir une surface (pour des pores entre 20 angströms et 1000 angströms) ≤ 20 %, ≤ 15 %, ≤ 10 %, ≤ 5 %, ≤ 3 %, ≤ 2 %, ≤ 1 % de la surface totale ;(d) the carbon may have a surface area (for pores between 20 angstroms and 1000 angstroms) ≤ 20%, ≤ 15%, ≤ 10%, ≤ 5%, ≤ 3%, ≤ 2%, ≤ 1% of the total surface area;
(e) le carbone et/ou le sélénium peuvent être soumis à compression. Les avantages du sélénium immobilisé lorsque le carbone et/ou le sélénium sont soumis à compression par rapport à un système carbone-sélénium où le carbone et/ou le sélénium ne font pas l'objet d'une compression peuvent inclure : un flux d'électrons amélioré, une résistance réduite au flux d'électrons, ou les deux, ce qui peut faciliter l'apport d'électrons au sélénium et à partir des anions de sélénium pendant la charge et la décharge d'une batterie rechargeable dont la cathode est constituée de sélénium immobilisé ;(e) the carbon and/or selenium may be subjected to compression. The advantages of immobilized selenium where the carbon and/or selenium are subjected to compression compared to a carbon-selenium system where the carbon and/or selenium are not subjected to compression may include: improved electron flow, reduced resistance to electron flow, or both, which may facilitate the delivery of electrons to the selenium and from the selenium anions during the charging and discharging of a rechargeable battery having a cathode comprised of immobilized selenium;
(f) le sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium qui a une énergie d'activation supérieure à celle du sélénium conventionnel (non immobilisé) afin que le sélénium s'échappe du système composite Se-C immobilisé. À titre d'exemple, l'énergie d'activation du sélénium non immobilisé (système composite Se-Super P) a été déterminée à 92 kJ/mole, selon la méthode ASTM E1641-16. En revanche, à titre d'exemple, l'énergie d'activation du sélénium dans le sélénium immobilisé comprenant du sélénium et du carbone peut être ≥ 95 kJ/mole, ≥ 98 kJ/mole, ≥ 101 kJ/mole, ≥ 104 kJ/mole, ≥ 107 kJ/mole, ou ≥ 110 kJ/mole. Dans un autre exemple, l'énergie d'activation du sélénium dans le sélénium immobilisé comprenant du sélénium et du carbone peut être ≥ 3 %, ≥ 6 %, ≥ 9 %, ≥ 12 %, ≥ 15 %, ou ≥ 18 % supérieure à celle du sélénium présent dans le composite Se-Super P ;(f) the immobilized selenium may include selenium that has a higher activation energy than conventional (non-immobilized) selenium so that the selenium escapes from the immobilized Se-C composite system. For example, the activation energy of non-immobilized selenium (Se-Super P composite system) was determined to be 92 kJ/mole, according to ASTM E1641-16. In contrast, for example, the activation energy of selenium in immobilized selenium including selenium and carbon may be ≥ 95 kJ/mole, ≥ 98 kJ/mole, ≥ 101 kJ/mole, ≥ 104 kJ/mole, ≥ 107 kJ/mole, or ≥ 110 kJ/mole. In another example, the activation energy of selenium in the immobilized selenium comprising selenium and carbon may be ≥ 3%, ≥ 6%, ≥ 9%, ≥ 12%, ≥ 15%, or ≥ 18% greater than that of selenium present in the Se-Super P composite;
(g) le sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium qui a une fréquence de collision plus élevée que le sélénium non immobilisé. À titre d'exemple, la fréquence de collision pour le sélénium non immobilisé a été déterminée comme étant de 2,27 x 105, selon la norme de test ATSM E1641- 16. En revanche, dans un exemple, la fréquence de collision pour le sélénium dans le sélénium immobilisé, comprenant du sélénium et du carbone, peut être ≥ 2,5x105, ≥ 3,0x105, ≥ 3,5x105, ≥ 4,0x105, ≥ 4,5x105, ≥ 5.0x105, ≥ 5,5x105, ≥ 6,0x105, ou ≥ 8,0x105. Le sélénium immobilisé peut avoir une fréquence de collision ≥10 %, ≥ 30 %, ≥ 50 %, ≥ 80 %, ≥ 100 %, ≥ 130 %, ≥ 150 %, ≥ 180 % ou ≥ 200 % comparé au sélénium non immobilisé dans un composite Se-C ; et(g) immobilized selenium may include selenium that has a higher collision frequency than non-immobilized selenium. For example, the collision frequency for non-immobilized selenium has been determined to be 2.27 x 105, according to the ATSM E1641-16 test standard. In contrast, in one example, the collision frequency for selenium in immobilized selenium, comprising selenium and carbon, may be ≥ 2.5x105, ≥ 3.0x105, ≥ 3.5x105, ≥ 4.0x105, ≥ 4.5x105, ≥ 5.0x105, ≥ 5.5x105, ≥ 6.0x105, or ≥ 8.0x105. Immobilized selenium may have a collision frequency of ≥10%, ≥30%, ≥50%, ≥80%, ≥100%, ≥130%, ≥150%, ≥180% or ≥200% compared to non-immobilized selenium in a Se-C composite; and
(h) le sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium dont la constante de vitesse cinétique est ≤ 1/5, ≤ 1/10, ≤ 1/50, ≤ 1/100, ≤ 1/500, ou ≤ 1/1000 de la constante de vitesse cinétique pour le sélénium non immobilisé/conventionnel. À titre d'exemple, le sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium ayant une constante de vitesse cinétique (à 50° C) ≤ 1 x 10-10, ≤ 5x 10-10, ≤ 1 x 10-11, ≤ 5 x 10-12, ou ≤ 5 x 10-13.(h) the immobilized selenium may comprise selenium having a kinetic rate constant of ≤ 1/5, ≤ 1/10, ≤ 1/50, ≤ 1/100, ≤ 1/500, or ≤ 1/1000 of the kinetic rate constant for non-immobilized/conventional selenium. For example, the immobilized selenium may comprise selenium having a kinetic rate constant (at 50°C) of ≤ 1 x 10-10, ≤ 5x 10-10, ≤ 1 x 10-11, ≤ 5 x 10-12, or ≤ 5 x 10-13.
Avec le carbone et/ou le sélénium du sélénium immobilisé sous compression, la bande D et/ou la bande G du spectre Raman pour les liaisons C-C Sp2 du carbone (ou du squelette de carbone défini par ledit carbone) présent dans le sélénium immobilisé peuvent montrer un décalage vers le rouge (positif), par exemple, ≥ 1 cm-1, ≥ 2 cm-1, ≥ 3 cm-1, ≥ 4 cm-1 ou ≥ 5 cm-1 par rapport à une base carbone.With the carbon and/or selenium of the immobilized selenium under compression, the D band and/or G band of the Raman spectrum for the C-C Sp2 bonds of the carbon (or carbon skeleton defined by said carbon) present in the immobilized selenium may show a red shift (positive), for example, ≥ 1 cm-1, ≥ 2 cm-1, ≥ 3 cm-1, ≥ 4 cm-1 or ≥ 5 cm-1 relative to a carbon base.
Le carbone et/ou le sélénium du sélénium immobilisé étant sous compression, le sélénium peut présenter un décalage vers le rouge (positif) par rapport au pic Raman du sélénium pur (235 cm-1), par exemple ≥ 4 cm-1, ≥ 6 cm-1, ≥ 8 cm-1, ≥ 10 cm-1, ≥ 12 cm-1, ≥ 14 cm-1 ou ≥ 16 cm-1, ce décalage vers le rouge pouvant suggérer une compression sur les particules de sélénium.Since the carbon and/or selenium in immobilized selenium are under compression, the selenium may exhibit a red shift (positive) relative to the Raman peak of pure selenium (235 cm-1), for example ≥ 4 cm-1, ≥ 6 cm-1, ≥ 8 cm-1, ≥ 10 cm-1, ≥ 12 cm-1, ≥ 14 cm-1 or ≥ 16 cm-1, this red shift may suggest compression on the selenium particles.
Le sélénium immobilisé peut être une forme élémentaire de sélénium et/ou une forme composée de sélénium.Immobilized selenium may be an elemental form of selenium and/or a compound form of selenium.
Le sélénium immobilisé comprenant du sélénium et du carbone peut également être dopé avec un ou plusieurs éléments supplémentaires du groupe 6 du tableau périodique (ci-après, « élément(s) G6 supplémentaire(s) »), y compris, par exemple, sans limitation, le soufre et/ou le tellure. Le niveau de dopant peut aller de 100 ppm en poids à 85 % du poids total du sélénium immobilisé. À titre d'exemple, le sélénium immobilisé peut comprendre 15 % à 70 % de carbone et 30 % à 85 % de sélénium et, facultativement, un ou plusieurs éléments G6 supplémentaires. À titre d'exemple, le sélénium immobilisé peut comprendre (1) 15 % - 70 % de carbone et (2) 30 % - 85 % de sélénium + un ou plusieurs éléments G6 supplémentaires. Dans le mélange comprenant du sélénium plus un ou plusieurs éléments G6 supplémentaires, le ou les éléments G6 supplémentaires peuvent constituer entre 0,1 % et 99 % du mélange et le sélénium peut constituer entre 1 % et 99,9 % du mélange. Toutefois, ces plages de sélénium et d'élément(s) G6 supplémentaire(s) ne doivent pas être interprétées de manière restrictive.The immobilized selenium comprising selenium and carbon may also be doped with one or more additional elements from Group 6 of the periodic table (hereinafter, “additional G6 element(s)”), including, for example, without limitation, sulfur and/or tellurium. The dopant level may range from 100 ppm by weight to 85% of the total weight of the immobilized selenium. For example, the immobilized selenium may comprise 15% to 70% carbon and 30% to 85% selenium and, optionally, one or more additional G6 elements. For example, the immobilized selenium may comprise (1) 15% - 70% carbon and (2) 30% - 85% selenium + one or more additional G6 elements. In the mixture comprising selenium plus one or more additional G6 elements, the additional G6 element(s) may constitute between 0.1% and 99% of the mixture and selenium may constitute between 1% and 99.9% of the mixture. However, these ranges of selenium and additional G6 element(s) should not be interpreted restrictively.
Le sélénium immobilisé peut comprendre ≥ 5 % de sélénium, ≥ 10 % de sélénium, ≥ 20 % de sélénium, ≥ 30 %, ≥ 40 % de sélénium, ≥ 50 % de sélénium, ≥ 60 % de sélénium, ou ≥ 70 % de sélénium ou plus.The immobilized selenium may comprise ≥ 5% selenium, ≥ 10% selenium, ≥ 20% selenium, ≥ 30%, ≥ 40% selenium, ≥ 50% selenium, ≥ 60% selenium, or ≥ 70% selenium or more.
Le sélénium immobilisé peut éventuellement inclure un autre élément, comme par exemple du soufre, du tellure, etc.Immobilized selenium may optionally include another element, such as sulfur, tellurium, etc.
Le sélénium immobilisé peut être inactif ou actif en Raman. S'il est actif en Raman, le sélénium immobilisé peut avoir une intensité Raman relative de pointe à 255±25 cm-1, à 255±15 cm-1, ou à 255±10 cm-1.Immobilized selenium can be Raman inactive or Raman active. If Raman active, immobilized selenium can have a peak relative Raman intensity at 255±25 cm-1, at 255±15 cm-1, or at 255±10 cm-1.
Le sélénium immobilisé peut comprendre du sélénium ayant une intensité Raman relative de pointe ≥ 0,1 %, ≥ 0,5 %, ≥ 1 %, ≥ 3 %, ou ≥ 5 % ; ici, l'intensité Raman relative de pointe est définie comme la surface du pic Raman à 255 cm-1 par rapport à la surface du pic en bande D du spectre Raman du carbone.The immobilized selenium may comprise selenium having a peak relative Raman intensity of ≥0.1%, ≥0.5%, ≥1%, ≥3%, or ≥5%; herein, the peak relative Raman intensity is defined as the area of the Raman peak at 255 cm-1 relative to the area of the D-band peak of the Raman spectrum of carbon.
Le carbone composant le sélénium immobilisé peut servir de squelette carboné pour l'immobilisation du sélénium. Le squelette carboné peut avoir des liaisons Sp2 carbone-carbone avec une bande D Raman située à 1365 ± 100 cm-1 et une bande G située à 1589 ± 100 cm-1 ; une bande D située à 1365 ± 70 cm-1 et une bande G située à 1589 ± 70 cm-1 ; une bande D située à 1365 ± 50 cm-1 et une bande G située à 1589 + 50 cm-1 ; une bande D située à 1365 + 30 cm-1 et une bande G située à 1589 + 30 cm-1, ou une bande D située à 1365 ± 20 cm-1 et une bande G située à 1589 + 20 cm-1.The carbon composing the immobilized selenium can serve as a carbon skeleton for the immobilization of selenium. The carbon skeleton can have carbon-carbon Sp2 bonds with a Raman D band located at 1365 ± 100 cm-1 and a G band located at 1589 ± 100 cm-1; a D band located at 1365 ± 70 cm-1 and a G band located at 1589 ± 70 cm-1; a D band located at 1365 ± 50 cm-1 and a G band located at 1589 + 50 cm-1; a D band located at 1365 + 30 cm-1 and a G band located at 1589 + 30 cm-1, or a D band located at 1365 ± 20 cm-1 and a G band located at 1589 + 20 cm-1.
Le carbone du sélénium immobilisé peut comprendre des liaisons Sp2 carbone-carbone, ayant des pics Raman avec une bande D et une bande G. Le rapport de la surface entre la bande D et la bande G peut varier de 0,01 à 100, de 0,1 à 50, ou de 0,2 à 20.The immobilized selenium carbon may comprise carbon-carbon Sp2 bonds, having Raman peaks with a D band and a G band. The area ratio between the D band and the G band may vary from 0.01 to 100, from 0.1 to 50, or from 0.2 to 20.
Le carbone du sélénium immobilisé peut comprendre des liaisons Sp2 carbone-carbone, ayant des pics Raman avec une bande D et une bande G. Chacune des bandes D et G peut avoir un décalage vers un nombre d'ondes plus élevé -1, ≥ 2 cm-1, ou plus.The immobilized selenium carbon may comprise carbon-carbon Sp2 bonds, having Raman peaks with a D band and a G band. Each of the D and G bands may have a shift to a higher wavenumber -1, ≥ 2 cm-1, or more.
Le carbone du sélénium immobilisé peut être dopé avec un ou plusieurs autres éléments du tableau périodique.The immobilized selenium carbon can be doped with one or more other elements of the periodic table.
Le carbone du sélénium immobilisé peut être poreux. La distribution de la taille des pores du squelette de carbone peut varier entre un angström et quelques microns. La distribution de la taille des pores peut avoir au moins un pic situé entre un angström et 1000 angströms, entre un angström et 100 angströms, entre un angström et 50 angströms, entre un angström et 30 angströms, ou entre un angström et 20 angströms. La porosité du squelette de carbone peut avoir des distributions de taille de pore avec plus d'un pic dans les gammes précédentes.Immobilized selenium carbon can be porous. The pore size distribution of the carbon skeleton can vary from one angstrom to a few microns. The pore size distribution can have at least one peak between one angstrom and 1000 angstroms, between one angstrom and 100 angstroms, between one angstrom and 50 angstroms, between one angstrom and 30 angstroms, or between one angstrom and 20 angstroms. The porosity of the carbon skeleton can have pore size distributions with more than one peak in the preceding ranges.
Le carbone du sélénium immobilisé peut avoir un volume de pores compris entre 0,01 ml/g et 5 ml/g ; entre 0,01 ml/g et 3 ml/g ; entre 0,03 ml/g et 2,5 ml/g ; ou entre 0,05 ml/g et 2,0 ml/g.The immobilized selenium carbon may have a pore volume 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.
Le carbone du sélénium immobilisé peut comprendre un volume de pores (dont la taille est < 100 angströms, < 50 angströms, < 30 angströms, ou < 20 angströms) qui peut être > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 % ou > 80 % du volume total mesurable des pores.The immobilized selenium carbon may comprise a pore volume (whose size is < 100 angstroms, < 50 angstroms, < 30 angstroms, or < 20 angstroms) that may be > 30%, > 40%, > 50%, > 60%, > 70%, or > 80% of the total measurable pore volume.
Le carbone du sélénium immobilisé peut comprendre une surface > 400 m2/g, > 500 m2/g, > 600 m2/g, > 700 m2/g, > 800 m2/g, > 900 m2/g, ou > 1000 m2/g.Immobilized selenium carbon may comprise a surface area > 400 m2/g, > 500 m2/g, > 600 m2/g, > 700 m2/g, > 800 m2/g, > 900 m2/g, or > 1000 m2/g.
Le carbone du sélénium immobilisé peut être amorphe et peut avoir un large pic centré à un espacement d d'environ 5,2 angströms.Immobilized selenium carbon may be amorphous and may have a broad peak centered at a d spacing of about 5.2 angstroms.
Le carbone du sélénium immobilisé peut être de n'importe quelle morphologie, plaquette, sphère, fibre, aiguille, tubulaire, irrégulier, interconnecté, aggloméré, discret ou toute particule solide. Une plaquette, une fibre, une aiguille, un tube ou une certaine morphologie ayant un certain rapport d'aspect peut être bénéfique pour obtenir un meilleur contact entre les particules se traduisant par une conductivité électrique accrue (par comparaison au sélénium immobilisé ayant un rapport d'aspect différent), ce qui peut être bénéfique pour une cellule électrochimique, telle qu'une batterie rechargeable.The immobilized selenium carbon can be of any morphology, platelet, sphere, fiber, needle, tubular, irregular, interconnected, agglomerated, discrete or any solid particle. A platelet, fiber, needle, tube or certain morphology having a certain aspect ratio can be beneficial to achieve better contact between particles resulting in increased electrical conductivity (as compared to immobilized selenium having a different aspect ratio), which can be beneficial for an electrochemical cell, such as a rechargeable battery.
Le carbone du sélénium immobilisé peut être de n'importe quelle taille de particule, ayant une taille médiane de particule entre 1-9 nanomètres et 2 millimètres, entre 1-9 nanomètres à < 1000 microns, ou entre 20 nanomètres à 100 microns.The immobilized selenium carbon can be of any particle size, having a median particle size between 1-9 nanometers and 2 millimeters, between 1-9 nanometers to <1000 microns, or between 20 nanometers to 100 microns.
Le sélénium immobilisé peut être amorphe, par exemple, comme déterminé par diffraction des rayons X. Le pic de diffraction du sélénium immobilisé, qui peut avoir un espacement d d'environ 5,2 angströms, peut être plus faible que celui du squelette carboné, par exemple 10 % plus faible, 20 % plus faible, 30 % plus faible ou 40 % plus faible.The immobilized selenium may be amorphous, for example, as determined by X-ray diffraction. The diffraction peak of the immobilized selenium, which may have a d-spacing of about 5.2 angstroms, may be weaker than that of the carbon skeleton, for example 10% weaker, 20% weaker, 30% weaker, or 40% weaker.
À titre d'exemple, une méthode de préparation du sélénium immobilisé peut inclure :As an example, a method of preparing immobilized selenium may include:
(a) un mélange physique de carbone et de sélénium. Le mélange physique peut être obtenu par broyage à billes (sec et humide), mélange au mortier et au pilon (sec ou humide), broyage à jet, broyage horizontal, broyage par attrition, mélange à fort cisaillement des pâtes, mélange conventionnel des pâtes avec une lame, etc. ;(a) a physical mixture of carbon and selenium. The physical mixture can be obtained by ball milling (dry and wet), mortar and pestle mixing (dry or wet), jet milling, horizontal milling, attrition milling, high shear mixing of pastes, conventional mixing of pastes with a blade, etc.;
(b) le mélange physique de carbone et de sélénium de l'étape (a) peut être chauffé à la température de fusion du sélénium ou à une température supérieure. Le chauffage du mélange de carbone et de sélénium peut se produire en présence d'un environnement de gaz inerte tel que, mais sans s'y limiter, l'argon, l'hélium, l'azote, etc. ;(b) the physical mixture of carbon and selenium of step (a) may be heated to the melting temperature of selenium or higher. Heating of the mixture of carbon and selenium may occur in the presence of an inert gas environment such as, but not limited to, argon, helium, nitrogen, etc.;
(c) optionnellement, l'homogénéisation ou le mélange du carbone chauffé et du sélénium pour obtenir l'immobilisation du sélénium ; et(c) optionally, homogenizing or mixing the heated carbon and selenium to achieve immobilization of the selenium; and
(d) le refroidissement du sélénium immobilisé de l'étape (c) à la température ambiante ou à la température de la pièce.(d) cooling the immobilized selenium from step (c) to ambient temperature or room temperature.
Dans un autre exemple, le sélénium immobilisé peut être préparé par dissolution du sélénium sur du carbone suivie d'une évaporation. Le solvant pour dissoudre le sélénium peut être un alcool, un éther, un ester, une cétone, un hydrocarbure, un hydrocarbure halogéné, un composé contenant de l'azote, un composé contenant du phosphore, un composé contenant du soufre, de l'eau, etc.In another example, immobilized selenium can be prepared by dissolving selenium on carbon followed by evaporation. The solvent for dissolving the selenium can be an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing compound, a phosphorus-containing compound, a sulfur-containing compound, water, etc.
Dans un autre exemple, le sélénium immobilisé peut être préparé en faisant fondre du sélénium sur du carbone, puis en enlevant le sélénium non immobilisé supplémentaire ou excédentaire.In another example, immobilized selenium can be prepared by melting selenium on carbon and then removing additional or excess non-immobilized selenium.
À titre d'exemple, une méthode de fabrication du sélénium immobilisé peut inclure :As an example, a method of making immobilized selenium may include:
(a) le mélange du sélénium et du carbone dans des conditions sèches ou humides ;(a) the mixing of selenium and carbon under dry or wet conditions;
(b) le séchage facultatif du mélange de l'étape (a) à une température élevée ;(b) optionally drying the mixture of step (a) at an elevated temperature;
(c) la granulation facultative du mélange séché de l'étape (b) ;(c) optionally granulating the dried mixture of step (b);
(d) la fusion du sélénium dans le carbone pour produire le sélénium immobilisé.(d) fusion of selenium into carbon to produce immobilized selenium.
Le sélénium immobilisé peut être utilisé comme matériau de cathode pour une batterie rechargeable. La cathode peut comprendre un liant organique ou inorganique. Le liant inorganique peut être un produit naturel, comme par exemple le CMC, ou un produit synthétique, comme par exemple le latex de type styrène-butadiène (SBR). La cathode peut inclure un promoteur de conductivité électrique optionnel, comme par exemple des petites particules dérivées du graphite, du graphène, des nanotubes de carbone, des nanoparticules de carbone, des carbones noirs, etc. Enfin, la cathode peut inclure un collecteur de charge comme, par exemple, un film d'aluminium, un film de cuivre, un film de carbone, un tissu de carbone ou d'autres films métalliques.The immobilized selenium can be used as a cathode material for a rechargeable battery. The cathode can include an organic or inorganic binder. The inorganic binder can be a natural product, such as CMC, or a synthetic product, such as styrene-butadiene (SBR) latex. The cathode can include an optional electrical conductivity promoter, such as small particles derived from graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon nanoparticles, carbon blacks, etc. Finally, the cathode can include a charge collector, such as aluminum film, copper film, carbon film, carbon cloth, or other metal films.
La méthode de fabrication de la cathode peut comprendre l'application d'une pâte immobilisée contenant du sélénium sur le collecteur de charges, suivie du séchage du collecteur de charges recouvert de pâte (par exemple, séchage à l'air, séchage au four, séchage au four sous vide, etc. Le sélénium immobilisé peut être dispersé dans la pâte, qui peut être préparée par un mélangeur à haut cisaillement, un mélangeur ordinaire, un mélangeur planétaire, un mélangeur double planétaire, un broyeur à billes, un attritionneur vertical, un broyeur horizontal, etc. La pâte peut ensuite être revêtue sur le collecteur de charge, puis séchée à l'air ou sous vide. La cathode revêtue peut ensuite être pressée ou broyée au rouleau (ou calandrée) avant d'être utilisée dans une batterie rechargeable.The method of manufacturing the cathode may include applying an immobilized paste containing selenium to the charge collector, followed by drying the paste-coated charge collector (e.g., air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). The immobilized selenium may be dispersed in the paste, which may be prepared by a high shear mixer, a regular mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical attritioner, a horizontal mill, etc. The paste may then be coated onto the charge collector and then air or vacuum dried. The coated cathode may then be pressed or roll milled (or calendered) before being used in a rechargeable battery.
Une batterie rechargeable peut être fabriquée en utilisant le sélénium immobilisé décrit ici. La batterie rechargeable peut comprendre une cathode comprenant le sélénium immobilisé, une anode et un séparateur séparant l'anode et la cathode. L'anode, la cathode et le séparateur peuvent être immergés dans un électrolyte comme, par exemple, le LiPF6. L'anode peut être composée de lithium, de sodium, de silicium, de graphite, de magnésium, d'étain, etc.A rechargeable battery may be made using the immobilized selenium described herein. The rechargeable battery may include a cathode comprising the 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, LiPF6. The anode may be composed of lithium, sodium, silicon, graphite, magnesium, tin, etc.
Le séparateur peut être composé d'un séparateur organique, d'un séparateur inorganique ou d'un séparateur à électrolyte solide. Un séparateur organique peut comprendre un polymère tel que, par exemple, le polyéthylène, le polypropylène, le polyester, un polymère halogéné, un polyéther, une polycétone, etc. Le séparateur inorganique peut comprendre une fibre de verre ou de quartz, ou un séparateur à électrolyte solide.The separator may be comprised of an organic separator, an inorganic separator, or a solid electrolyte separator. An organic separator may comprise a polymer such as, for example, polyethylene, polypropylene, polyester, a halogenated polymer, a polyether, a polyketone, etc. The inorganic separator may comprise a glass or quartz fiber, or a solid electrolyte separator.
L'électrolyte peut comprendre un sel de lithium, un sel de sodium ou un autre sel des groupes IA, IIA et IIIA, dans un solvant organique. Le solvant organique peut comprendre un composé carbonate organique, un éther, un alcool, un ester, un hydrocarbure, un hydrocarbure halogéné, un solvant contenant du lithium, etc.The electrolyte may comprise a lithium salt, a sodium salt or another salt of groups IA, IIA and IIIA, in an organic solvent. The organic solvent may comprise an organic carbonate compound, an ether, an alcohol, an ester, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a lithium-containing solvent, etc.
La batterie rechargeable peut être utilisée pour l'électronique, un véhicule électrique ou hybride, une application industrielle, une application militaire telle qu'un drone, une application aérospatiale, une application maritime, etc.The rechargeable battery can be used for electronics, electric or hybrid vehicle, industrial application, military application such as drone, aerospace application, marine application, etc.
La batterie rechargeable peut avoir une capacité électrochimique ≥ 400 mAh/g de quantité active de sélénium, ≥ 450 mAh/g de quantité active de sélénium, ≥ 500 mAh/g de quantité active de sélénium, ≥ 550 mAh/g de quantité active de sélénium, ou ≥ 600 mAh/g de quantité active de sélénium.The rechargeable battery may have an electrochemical capacity of ≥ 400 mAh/g active selenium quantity, ≥ 450 mAh/g active selenium quantity, ≥ 500 mAh/g active selenium quantity, ≥ 550 mAh/g active selenium quantity, or ≥ 600 mAh/g active selenium quantity.
La batterie rechargeable peut subir un cycle électrochimique de ≥ 50 cycles, ≥ 75 cycles, ≥ 100 cycles, ≥ 200 cycles, etc.The rechargeable battery can undergo an electrochemical cycle of ≥ 50 cycles, ≥ 75 cycles, ≥ 100 cycles, ≥ 200 cycles, etc.
La batterie rechargeable peut être chargée à 0,1 C, 0,2 C, 0,5 C, 1 C, 1,5 C, 2 C, 3 C, 4 C, 5 C, 6 C, 7 C, 8 C, 9 C, 10 C ou plus rapidement.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.
La batterie rechargeable peut conserver une capacité thermique de > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 %, ou > 80 % de la capacité thermique de 2e décharge à une vitesse de cyclage de 0,1 C, après avoir effectué un cycle de charge-décharge à taux C élevé (5 cycles à 0,1 C, 5 cycles à 0,2 C, 5 cycles à 0,5 C, 5 cycles à 1 C, 5 cycles à 2 C, 5 cycles à 5 C et 5 cycles à 10 C).The rechargeable battery can maintain a thermal capacity of >30%, >40%, >50%, >60%, >70%, or >80% of the 2nd discharge thermal capacity at a cycling rate of 0.1C, after performing a high C rate charge-discharge cycle (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).
La batterie rechargeable peut avoir une efficacité coulombienne ≥ 50 %, ≥ 60 %, ≥ 70 %, ≥ 80 %, ≥ 90%, ou jusqu'à environ 100 %.The rechargeable battery may have a Coulomb efficiency of ≥50%, ≥60%, ≥70%, ≥80%, ≥90%, or up to about 100%.
L'efficacité colorimétrique d'une batterie est définie par le rapport suivant :The colorimetric efficiency of a battery is defined by the following ratio:
Où
La batterie rechargeable peut être chargée à 0,1 C, 0,2 C, 0,5 C, 1 C, 1,5 C, 2 C, 3 C, 4 C, 5 C, 6 C, 7 C, 8 C, 9 C, 10 C ou plus rapidement. Un taux C est une mesure de la vitesse à laquelle une batterie est déchargée par rapport à sa capacité maximale. Par exemple, un taux de 1 C signifie que le courant de décharge déchargera toute la batterie en 1 heure. Par exemple, pour une batterie d'une capacité de 100 ampères-heures, cela équivaut à un courant de décharge de 100 ampères. Un taux de 5 C pour cette même batterie serait de 500 A, et un taux de 0,5 C serait de 50 A.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. A C rate is a measure of how quickly a battery is discharged relative to its maximum capacity. For example, a 1C rate means that the discharge current will discharge the entire battery in 1 hour. For example, for a battery with a capacity of 100 amp-hours, this is equivalent to a discharge current of 100 amps. A 5C rate for this same battery would be 500A, and a 0.5C rate would be 50A.
La cathode de la batterie rechargeable peut comprendre un ou plusieurs éléments d'un groupe de chalcogènes tels que le sélénium, le soufre, le tellure et l'oxygène.The cathode of the rechargeable battery may comprise one or more elements from a group of chalcogens such as selenium, sulfur, tellurium and oxygen.
L'anode de la batterie rechargeable peut comprendre au moins un élément de métal alcalin, de métaux alcalino-terreux et de métaux du groupe IIIA.The anode of the rechargeable battery may comprise at least one element of alkali metal, alkaline earth metals and group IIIA metals.
Le séparateur de la batterie rechargeable peut être un séparateur organique ou un séparateur inorganique.The separator of the rechargeable battery can be an organic separator or an inorganic separator.
L'électrolyte de la batterie rechargeable peut comprendre au moins un élément de métaux alcalins, de métaux alcalino-terreux et de métaux du groupe IIIA, le solvant de l'électrolyte pouvant comprendre un solvant organique, à base de carbonate, d'éther ou d'ester.The electrolyte of the rechargeable battery may comprise at least one element of alkali metals, alkaline earth metals and group IIIA metals, the solvent of the electrolyte may comprise an organic solvent, based on carbonate, ether or ester.
La batterie rechargeable peut avoir une capacité spécifique ≥ 400 mAh/g, ≥ 450 mAh/g, ≥ 500 mAh/g, ≥ 550 mAh/g, ou ≥ 600 mAh/g.The rechargeable battery may have a specific capacity of ≥ 400 mAh/g, ≥ 450 mAh/g, ≥ 500 mAh/g, ≥ 550 mAh/g, or ≥ 600 mAh/g.
La batterie rechargeable peut subir un cyclage électrochimique de ≥ 50 cycles, ≥ 75 cycles, ≥ 100 cycles, ≥ 200 cycles, etc.The rechargeable battery can undergo electrochemical cycling of ≥ 50 cycles, ≥ 75 cycles, ≥ 100 cycles, ≥ 200 cycles, etc.
La batterie rechargeable peut avoir une capacité spécifique de > 30 %, > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 %, ou > 80 % de la capacité spécifique de 2e décharge à un taux de vitesse de cyclage de 0,1 C, après avoir effectué un cycle de charge-décharge à taux C élevé (5 cycles à 0,1 C, 5 cycles à 2 C, 5 cycles à 5 C, 5 cycles à 1 C, 5 cycles à 2 C, 5 cycles à 5 C et 5 cycles à 10 C).The rechargeable battery may have a specific capacity of >30%, >40%, >50%, >60%, >70%, or >80% of the 2nd discharge specific capacity at a 0.1C cycle rate, after performing a high C rate charge-discharge cycle (5 cycles at 0.1C, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C, 5 cycles at 1C, 5 cycles at 2C, 5 cycles at 5C, and 5 cycles at 10C).
La batterie rechargeable peut avoir un efficacité coulombienne ≥ 50 %, ≥ 60 %, ≥ 70 %, ≥ 80 %, ou ≥ 90%.The rechargeable battery may have a Coulomb efficiency of ≥ 50%, ≥ 60%, ≥ 70%, ≥ 80%, or ≥ 90%.
Le présent document décrit également un composite comprenant du sélénium et du carbone, ledit composite pouvant avoir une morphologie de plaquettes avec un rapport d'aspect de ≥ 1, ≥ 2, ≥ 5, ≥ 10, ou ≥ 20.This document also describes a composite comprising selenium and carbon, said composite being able to have a platelet morphology with an aspect ratio of ≥ 1, ≥ 2, ≥ 5, ≥ 10, or ≥ 20.
Le sélénium du composite peut être amorphe, par exemple, comme déterminé par diffraction des rayons X. Le pic de diffraction du sélénium peut avoir un espacement d d'environ 5,2 angströms qui peut être plus faible que celui d'un squelette carboné, par exemple 10 % plus faible, 20 % plus faible, 30 % plus faible ou 40 % plus faible.The selenium in the composite may be amorphous, for example, as determined by X-ray diffraction. The selenium diffraction peak may have a d spacing of about 5.2 angstroms which may be weaker than that of a carbon skeleton, for example 10% weaker, 20% weaker, 30% weaker or 40% weaker.
À titre d'exemple, la méthode de préparation du composite peut inclure :For example, the method of preparing the composite may include:
(a) le mélange physique du carbone et du sélénium. Le mélange physique peut être obtenu par broyage à billes (sec et humide), mélange au mortier et au pilon (sec ou humide), broyage à jet, broyage horizontal, broyage par attrition, mélange à fort cisaillement des pâtes, mélange conventionnel des pâtes avec une lame, etc. ;(a) physical mixing of carbon and selenium. Physical mixing can be achieved by ball milling (dry and wet), mortar and pestle mixing (dry or wet), jet milling, horizontal milling, attrition milling, high shear mixing of pastes, conventional mixing of pastes with a blade, etc.;
(b) le carbone et le sélénium physiquement mélangés de l'étape (a) peuvent être chauffés à la température de fusion du sélénium ou à une température supérieure et ledit chauffage peut se produire en présence d'un environnement de gaz inerte tel que, par exemple, l'argon, l'hélium, l'azote, etc.(b) the physically mixed carbon and selenium of step (a) may be heated to the melting temperature of selenium or above and said heating may occur in the presence of an inert gas environment such as, for example, argon, helium, nitrogen, etc.
(c) le carbone et le sélénium chauffés de l'étape (b) peuvent être homogénéisés ou mélangés pour aider à l'immobilisation du sélénium.(c) the heated carbon and selenium from step (b) may be homogenized or mixed to aid in immobilization of the selenium.
Dans un autre exemple, le composite peut être préparé par dissolution du sélénium sur du carbone suivie d'une évaporation. Le solvant pour dissoudre le sélénium peut être un alcool, un éther, un ester, une cétone, un hydrocarbure, un hydrocarbure halogéné, un composé contenant de l'azote, un composé contenant du phosphore, un composé contenant du soufre, de l'eau, etc.In another example, the composite may be prepared by dissolving selenium on carbon followed by evaporation. The solvent for dissolving the selenium may be an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing compound, a phosphorus-containing compound, a sulfur-containing compound, water, etc.
Le composite peut être préparé en faisant fondre du sélénium sur (ou dans) du carbone, puis en enlevant le sélénium non immobilisé supplémentaire ou excédentaire.The composite can be prepared by melting selenium onto (or into) carbon and then removing additional or excess non-immobilized selenium.
À titre d'exemple, un procédé de fabrication du composite peut inclure :For example, a composite manufacturing process may include:
(a) le mélange du sélénium et du carbone dans des conditions sèches ou humides ;(a) the mixing of selenium and carbon under dry or wet conditions;
(b) le séchage facultatif du mélange de l'étape (a) à une température élevée ;(b) optionally drying the mixture of step (a) at an elevated temperature;
(c) la granulation facultative du mélange séché de l'étape (b) ;(c) optionally granulating the dried mixture of step (b);
(d) la fusion du sélénium dans le carbone pour produire le sélénium immobilisé.(d) fusion of selenium into carbon to produce immobilized selenium.
Le composite peut être utilisé comme matériau de cathode pour la cathode d'une batterie rechargeable. La cathode peut comprendre un liant organique ou inorganique. Le liant inorganique peut être un produit naturel, comme par exemple le CMC, ou un produit synthétique, comme par exemple le latex de type styrène-butadiène (SBR). La cathode peut inclure un promoteur de conductivité électrique optionnel, comme par exemple des petites particules dérivées du graphite, du graphène, des nanotubes de carbone, des nanoparticules de carbone, des carbones noirs, etc. Enfin, la cathode peut inclure un collecteur de charge électrique comme, par exemple, un film d'aluminium, un film de cuivre, un film de carbone, un tissu de carbone ou d'autres films métalliques.The composite may be used as a cathode material for the cathode of a rechargeable battery. The cathode may include an organic or inorganic binder. The inorganic binder may be a natural product, such as CMC, or a synthetic product, such as styrene-butadiene (SBR) latex. The cathode may include an optional electrical conductivity promoter, such as small particles derived from graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon nanoparticles, carbon blacks, etc. Finally, the cathode may include an electrical charge collector, such as aluminum film, copper film, carbon film, carbon cloth, or other metal films.
La méthode de fabrication de la cathode peut comprendre l'application d'une pâte immobilisée contenant du sélénium sur le collecteur de charges, suivie du séchage du collecteur de charges recouvert de pâte (par exemple, séchage à l'air, séchage au four, séchage au four sous vide, etc. Le sélénium immobilisé peut être dispersé dans la pâte, qui peut être préparée par un mélangeur à haut cisaillement, un mélangeur ordinaire, un mélangeur planétaire, un mélangeur double planétaire, un broyeur à billes, un attritionneur vertical, un broyeur horizontal, etc. La pâte peut ensuite être revêtue sur le collecteur de charge, puis séchée à l'air ambiant ou sous vide. La cathode revêtue peut ensuite être pressée ou broyée au rouleau (ou calandrée) avant d'être utilisée dans une batterie rechargeable.The method of manufacturing the cathode may include applying an immobilized paste containing selenium to the charge collector, followed by drying the paste-coated charge collector (e.g., air drying, oven drying, vacuum oven drying, etc.). The immobilized selenium may be dispersed in the paste, which may be prepared by a high shear mixer, a regular mixer, a planetary mixer, a double planetary mixer, a ball mill, a vertical attritioner, a horizontal mill, etc. The paste may then be coated onto the charge collector and then dried in ambient air or under vacuum. The coated cathode may then be pressed or roll milled (or calendered) before being used in a rechargeable battery.
Une batterie rechargeable peut être fabriquée en utilisant le composite décrit ci-dessus. La batterie rechargeable peut être chargée à 0,1 C, 0,2 C, 0,5 C, 1 C, 1,5 C, 2 C, 3 C, 4 C, 5 C, 6 C, 7 C, 8 C, 9 C, 10 C ou plus rapidement.A rechargeable battery can be manufactured using the composite described above. The rechargeable battery can be charged at 0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1 C, 1.5 C, 2 C, 3 C, 4 C, 5 C, 6 C, 7 C, 8 C, 9 C, 10 C or faster.
Exemple 13 : Préparation de sélénium immobilisé dopé au soufre, d'une électrode et de ses batteries.Example 13: Preparation of immobilized sulfur-doped selenium, an electrode and its batteries.
En suivant les principes et les procédures décrits dans l'exemple 10, 5 pour cent atomique (% at) de sélénium, 20 %at de sélénium, 35 %at de sélénium, et 50 %at de sélénium ont été remplacés séparément par du soufre dans la synthèse du sélénium dopé au soufre immobilisé, détaillée dans le tableau 4 suivant. Des échantillons de sélénium immobilisé dopé au soufre ont été synthétisés avec le squelette carboné préparé conformément aux principes et procédures décrits dans l'exemple 9.Following the principles and procedures described in Example 10, 5 atomic percent (at%) selenium, 20 at% selenium, 35 at% selenium, and 50 at% selenium were separately replaced by sulfur in the synthesis of immobilized sulfur-doped selenium, detailed in the following Table 4. Samples of immobilized sulfur-doped selenium were synthesized with the carbon skeleton prepared in accordance with the principles and procedures described in Example 9.
Les échantillons de sélénium immobilisé dopé au soufre ainsi préparés ont ensuite été utilisés pour préparer un certain nombre de cathodes 4 comprenant du sélénium immobilisé dopé au soufre conformément aux principes et procédures décrits dans l'exemple 11 pour le sélénium immobilisé.The thus prepared sulfur-doped immobilized selenium samples were then used to prepare a number of cathodes 4 comprising sulfur-doped immobilized selenium in accordance with the principles and procedures described in Example 11 for immobilized selenium.
Les cathodes ainsi préparées comprenant du sélénium immobilisé dopé au soufre dans cet exemple ont ensuite été utilisées pour préparer des piles boutons conformément aux principes et procédures décrits dans l'exemple 12.The cathodes thus prepared comprising immobilized selenium doped with sulfur in this example were then used to prepare button cells in accordance with the principles and procedures described in Example 12.
Les piles boutons assemblées dans cet exemple ont ensuite été testées dans le testeur de piles décrit dans l'exemple 12, en suivant les protocoles de test également décrits dans l'exemple 12, à des taux de vitesse de cyclage en charge et en décharge de 0,1 C et 1 C.The button cells assembled in this example were then tested in the battery tester described in Example 12, following the test protocols also described in Example 12, at charge and discharge cycle rate rates of 0.1 C and 1 C.
Les résultats du cyclage électrochimique au taux de vitesse de cyclage de 1 C pour les batteries à piles boutons comprenant une cathode composée de sélénium immobilisé dopé au soufre, fabriquée avec un échantillon de sélénium immobilisé dopé au soufre (Se50S50 dans le tableau 4) sont présentés à la
Si l'on suppose que le sélénium a une capacité spécifique stœchiométrique de 675 mAh/g à la de vitesse de cyclage de 0,1 C, alors la capacité spécifique du soufre serait estimée à environ 1 178 mAh/g (ce qui est considéré comme bon pour le soufre). Une efficacité coulombienne de ≥ 95 %, de ≥ 98 % ou allant jusqu'à 100 % indique qu'il n'y a pas de quantité significative de soufre qui fait la navette entre la cathode et l'anode. Les espèces de soufre dans la batterie au sélénium immobilisé dopé au soufre fonctionnent bien dans un électrolyte comprenant du carbonate. En règle générale, le soufre ne devrait pas fonctionner correctement dans une batterie Li-S dont l'électrolyte est un carbonate ; une batterie Li-S classique utilise généralement un électrolyte à base d'éther. L'électrolyte à base de carbonate est généralement utilisé dans les batteries lithium-ion actuelles. L'électrolyte à base de carbonate est plus économique et beaucoup plus largement disponible sur le marché, par rapport à l'électrolyte à base d'éther.Assuming that selenium has a stoichiometric specific capacity of 675 mAh/g at a cycling rate of 0.1 C, then the specific capacity of sulfur would be estimated to be about 1178 mAh/g (which is considered good for sulfur). A Coulomb efficiency of ≥95%, ≥98%, or up to 100% indicates that there is no significant amount of sulfur shuttling between the cathode and anode. The sulfur species in the sulfur-doped immobilized selenium battery perform well in an electrolyte that includes carbonate. As a general rule, sulfur would not perform well in a Li-S battery with a carbonate electrolyte; a typical Li-S battery typically uses an ether-based electrolyte. The carbonate-based electrolyte is typically used in today's lithium-ion batteries. Carbonate based electrolyte is more economical and much more widely available in the market, compared to ether based electrolyte.
Les résultats du cyclage électrochimique au taux de vitesse de cyclage de 1 C pour les batteries à piles boutons comprenant une cathode composée de sélénium immobilisé dopé au soufre, fabriquée avec un échantillon de sélénium immobilisé dopé au soufre (Se50S50 dans le tableau 4) sont présentés à la
Si l'on suppose que le sélénium a une capacité spécifique de 625 mAh/g au taux de cycle de 1 C, alors la capacité spécifique du soufre serait estimée à environ 966 mAh/g (ce qui est également inattendu). Le soufre est un isolant et a une très faible conductivité électrique. En règle générale, une batterie Li-S ne peut pas bien fonctionner à une vitesse de cyclage rapide, comme à une vitesse de 1 C.If we assume that selenium has a specific capacity of 625 mAh/g at a 1 C cycle rate, then the specific capacity of sulfur would be estimated to be about 966 mAh/g (which is also unexpected). Sulfur is an insulator and has very low electrical conductivity. Typically, a Li-S battery cannot perform well at a fast cycling rate, such as at 1 C.
Comme on peut le voir, lorsqu'il est utilisé comme matériau de cathode dans une batterie rechargeable, le sélénium immobilisé dopé au soufre permet de surmonter deux problèmes fondamentaux associés aux batteries Li-S, à savoir l'effet de navette et la faible fréquence de cyclage. Une fois ces deux problèmes résolus, une batterie comprenant une cathode composée de sélénium immobilisé dopé au soufre peut avoir une densité d'énergie et une densité de puissance élevées dans des applications réelles.As can be seen, when used as a cathode material in a rechargeable battery, sulfur-doped immobilized selenium overcomes two fundamental problems associated with Li-S batteries, namely the shuttle effect and the low cycling frequency. Once these two problems are solved, a battery comprising a cathode composed of sulfur-doped immobilized selenium can have high energy density and power density in real applications.
Comme on peut le voir, dans un exemple, un système ou un corps immobilisé de sélénium dopé au soufre peut être formé par la méthode comprenant les étapes suivantes : (a) mélanger le sélénium, le carbone et le soufre pour former un mélange sélénium - carbone - soufre ; (b) chauffer le mélange de l'étape (a) à une température supérieure à la température de fusion du sélénium ; et (c) faire refroidir le mélange chauffé de l'étape (b) à la température ambiante ou à la température de la pièce, formant ainsi le corps immobilisé en sélénium dopé au soufre.As can be seen, in one example, a sulfur-doped selenium immobilized body or system may be formed by the method comprising the steps of: (a) mixing selenium, carbon, and sulfur to form a selenium-carbon-sulfur mixture; (b) heating the mixture of step (a) to a temperature above the melting temperature of selenium; and (c) cooling the heated mixture of step (b) to ambient temperature or room temperature, thereby forming the sulfur-doped selenium immobilized body.
Le corps de sélénium immobilisé dopé au soufre de l'étape (c) peut comprendre du sélénium et du soufre dans un corps de squelette en carbone.The sulfur-doped immobilized selenium body of step (c) may comprise selenium and sulfur in a carbon skeleton body.
L'étape (a) peut se dérouler dans des conditions sèches ou humides.Step (a) can be carried out in dry or wet conditions.
L'étape (b) peut comprendre l'homogénéisation ou le mixage du mélange.Step (b) may include homogenizing or mixing the mixture.
L'étape (a) peut comprendre la formation du mélange sélénium - carbone - soufre dans un corps. L'étape (b) peut comprendre le chauffage du corps à une température supérieure à la température de fusion du sélénium. L'étape (c) peut comprendre l’étape consistant à provoquer ou à attendre un refroidissement du corps à la température ambiante ou à la température de la pièce.Step (a) may comprise forming the selenium-carbon-sulfur mixture in a body. Step (b) may comprise heating the body to a temperature above the melting temperature of selenium. Step (c) may comprise causing or waiting for the body to cool to ambient temperature or room temperature.
L'étape (b) peut comprendre le chauffage du mélange pendant une durée suffisante pour que le sélénium, le carbone et le soufre réagissent totalement ou partiellement.Step (b) may comprise heating the mixture for a time sufficient for the selenium, carbon and sulfur to react completely or partially.
Dans un autre exemple, une méthode de préparation d'un système ou d'un corps de sélénium immobilisé dopé au soufre peut comprendre : (a) former un squelette carboné ; et (b) faire fondre le sélénium et le soufre dans le squelette carboné.In another example, a method of preparing a sulfur-doped immobilized selenium system or body may comprise: (a) forming a carbon skeleton; and (b) fusing the selenium and sulfur into the carbon skeleton.
Dans un autre exemple, une méthode de formation d'un système ou d'un corps de sélénium immobilisé dopé au soufre peut comprendre : (a) mélanger le sélénium, le carbone et le soufre ; et (b) après l'étape (a), dissoudre le sélénium et le soufre sur le carbone, formant ainsi le système ou le corps de sélénium immobilisé dopé au soufre.In another example, a method of forming a sulfur-doped immobilized selenium system or body may comprise: (a) mixing selenium, carbon, and sulfur; and (b) after step (a), dissolving the selenium and sulfur on the carbon, thereby forming the sulfur-doped immobilized selenium system or body.
Le solvant pour dissoudre le sélénium et le soufre peut être un alcool, un éther, un ester, une cétone, un hydrocarbure, un hydrocarbure halogéné, un composé contenant de l'azote, un composé contenant du phosphore, un composé contenant du soufre, ou de l'eau. Le solvant peut être ajouté à un ou plusieurs éléments parmi le sélénium, le soufre ou le carbone avant l'étape (a), pendant l'étape (a) ou pendant l'étape (b).The solvent for dissolving selenium and sulfur may be an alcohol, an ether, an ester, a ketone, a hydrocarbon, a halogenated hydrocarbon, a nitrogen-containing compound, a phosphorus-containing compound, a sulfur-containing compound, 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).
La méthode peut en outre inclure en (c) l'élimination de l'excès de sélénium non immobilisé, de soufre non immobilisé, ou des deux, du système ou du corps de sélénium immobilisé dopé au soufre.The method may further include in (c) removing excess non-immobilized selenium, non-immobilized sulfur, or both, from the system or the sulfur-doped immobilized selenium body.
Le présent document décrit également une batterie rechargeable comprenant : une cathode composée de sélénium dopé au soufre immobilisé, disposée sur un substrat électriquement conducteur ; un séparateur disposé en contact direct avec le substrat électriquement conducteur, et en contact avec le sélénium dopé au soufre immobilisé ; et une anode espacée de la cathode par le séparateur.This document also describes 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 the immobilized sulfur-doped selenium; and an anode spaced from the cathode by the separator.
La batterie rechargeable peut en outre comprendre l'anode espacée du séparateur par du lithium. À titre d'exemple, le lithium peut se présenter sous la forme d'un film de lithium.The rechargeable battery may further include the anode spaced from the separator by lithium. For example, the lithium may be in the form of a lithium film.
La batterie rechargeable peut en outre comprendre la cathode, le séparateur, l'anode et le lithium immergé dans un électrolyte.The rechargeable battery may further include the cathode, the separator, the anode and the lithium immersed in an electrolyte.
Dans la batterie rechargeable, le sélénium immobilisé dopé au soufre peut comprendre un mélange sélénium-carbone-soufre, dans lequel le sélénium et le soufre ont été fondus dans le carbone.In the rechargeable battery, the sulfur-doped immobilized selenium may comprise a selenium-carbon-sulfur mixture, in which the selenium and sulfur have been fused into the carbon.
Dans la batterie rechargeable, le séparateur peut être constitué d'une matière organique, d'une matière inorganique ou d'un électrolyte solide.In the rechargeable battery, the separator may be made of organic material, inorganic material or solid electrolyte.
La batterie rechargeable peut avoir un efficacité coulombienne de ≥ 95 %.The rechargeable battery can have a Coulomb efficiency of ≥95%.
Ayant ainsi décrit une méthode de préparation d'un matériau composite sélénium-carbone, une méthode de fabrication de sélénium immobilisé et l'utilisation du sélénium immobilisé, par exemple, dans une batterie rechargeable, une méthode de fabrication de sélénium immobilisé dans un carbone poreux avec la présence d'un niveau souhaitable d'espèces d'oxygène et l'utilisation du sélénium immobilisé dans une batterie rechargeable seront décrites ci-dessous.Having thus described a method of preparing a selenium-carbon composite material, a method of manufacturing immobilized selenium and the use of the immobilized selenium, for example, in a rechargeable battery, a method of manufacturing immobilized selenium in a porous carbon with the presence of a desirable level of oxygen species and the use of the immobilized selenium in a rechargeable battery will be described below.
Il convient de noter que le sélénium est un des chalcogènes comprenant le soufre, le sélénium, le tellure, etc. Les descriptions relatives au sélénium dans la présente communication sont également applicables au reste des éléments chalcogènes tels que le soufre et le tellure.It should be noted that selenium is one of the chalcogens including sulfur, selenium, tellurium, etc. The descriptions relating to selenium in this communication are also applicable to the rest of the chalcogen elements such as sulfur and tellurium.
Dans la présente invention, les atomes ou molécules de sélénium sont immobilisés, soit sous leur forme oxydée en tant qu'élément (à l'état chargé dans une batterie rechargeable), soit sous leur forme réduite en tant que séléniure (à l'état déchargé dans une batterie rechargeable). Les atomes de sélénium sont localisés à l'intérieur des pores d'un carbone poreux, ce qui permet aux réactions électrochimiques d'une batterie rechargeable de se dérouler correctement pendant le processus de décharge et pendant le processus de charge. Au cours du processus de décharge, un atome de sélénium élémentaire (neutre, Se) au niveau de la cathode est réduit et gagne deux électrons pour devenir un anion séléniure (Se2-), existant généralement sous forme de sel, le séléniure de lithium, Li2Se, et toujours localisé au niveau de la cathode. L'énergie chimique du processus de décharge est effectivement convertie en énergie électrique pour la batterie rechargeable, avec un niveau minimum de conversion en chaleur en raison de la présence de la résistance électrique interne intrinsèque de la batterie. Pendant le processus de charge d'une batterie rechargeable, l'énergie électrique est également convertie efficacement en énergie chimique grâce à laquelle un anion séléniure sous forme de Li2Se au niveau de la cathode est oxydé et perd deux électrons pour former un atome de sélénium élémentaire qui est toujours localisé au niveau de la cathode. Si le sélénium n'est pas immobilisé dans un carbone poreux, des espèces intermédiaires de sélénium (généralement sous forme de polyséléniure, Sen2-) peuvent se former en cathode pendant le processus de réduction/oxydation électrochimique (ReDox) et se dissoudre dans un électrolyte liquide du système de batterie. L'espèce de polyséléniure intermédiaire dissoute est ensuite transportée dans l'électrolyte liquide de la cathode à l'anode, en passant par un séparateur de batterie, où elle trouve du lithium métallique, réagit avec les atomes de lithium métallique et forme un sel composé de lithium et de sélénium à la surface de l'anode de lithium. L'énergie chimique générée par les réactions des espèces de lithium et de sélénium intermédiaire sur l'anode est convertie en chaleur et non en énergie électrique, ce qui est hautement indésirable. En outre, le sel de sélénium formé sur l'anode peut alors être reconverti en anion polyséléniure, même partiellement, qui est ensuite dissous dans l'électrolyte de la batterie, et transporté à nouveau vers la cathode où il consomme de l'énergie électrique supplémentaire en gagnant des électrons et se réduit à nouveau en sélénium élémentaire. La conversion de l'énergie électrochimique du sélénium en chaleur ou la consommation d'énergie électrique supplémentaire n'est pas souhaitable, même si la batterie rechargeable peut être recyclée, en raison d'un rendement de recyclage indésirablement faible. Il convient de noter qu'une batterie dont l'efficacité de cyclage est indésirablement faible ne fonctionne souvent pas correctement pendant un nombre de cycles souhaitable.In the present invention, selenium atoms or molecules are immobilized, either in their oxidized form as an element (in the charged state in a rechargeable battery), or in their reduced form as selenide (in the discharged state in a rechargeable battery). The selenium atoms are located inside the pores of a porous carbon, which allows the electrochemical reactions of a rechargeable battery to proceed properly during the discharge process and during the charging process. During the discharge process, an elemental selenium atom (neutral, Se) at the cathode is reduced and gains two electrons to become a selenide anion (Se2-), generally existing in the form of a salt, lithium selenide, Li2Se, and always located at the cathode. The chemical energy of the discharge process is effectively converted into electrical energy for the rechargeable battery, with a minimum level of conversion to heat due to the presence of the intrinsic internal electrical resistance of the battery. During the charging process of a rechargeable battery, electrical energy is also efficiently converted into chemical energy whereby a selenide anion in the form of Li2Se at the cathode is oxidized and loses two electrons to form an elemental selenium atom which is always localized at the cathode. If the selenium is not immobilized in a porous carbon, intermediate selenium species (usually in the form of polyselenide, Sen2-) can form at the cathode during the electrochemical reduction/oxidation (ReDox) process and dissolve in a liquid electrolyte of the battery system. The dissolved intermediate polyselenide species is then transported in the liquid electrolyte from the cathode to the anode, through a battery separator, where it finds metallic lithium, reacts with the metallic lithium atoms, and forms a salt composed of lithium and selenium on the surface of the lithium anode. The chemical energy generated by the reactions of the intermediate lithium and selenium species on the anode is converted into heat, not electrical energy, which is highly undesirable. Furthermore, the selenium salt formed on the anode can then be converted back to the polyselenide anion, even partially, which is then dissolved in the battery electrolyte, and transported back to the cathode where it consumes additional electrical energy by gaining electrons and is reduced back to elemental selenium. Conversion of the electrochemical energy of selenium to heat or consumption of additional electrical energy is not desirable, even if the rechargeable battery can be recycled, due to an undesirably low recycling efficiency. It should be noted that a battery with an undesirably low cycling efficiency often does not operate properly for a desirable number of cycles.
Par conséquent, la présente invention montre que l'immobilisation du sélénium dans un squelette de carbone poreux est souhaitable pour obtenir un cyclage approprié sur une batterie rechargeable comprenant une anode de lithium, une cathode de sélénium, un séparateur et un électrolyte. Le sélénium est immobilisé dans un carbone poreux et possède une énergie d'activation qui, dans un exemple, peut être ≥ 95 kJ/mole, ≥ 98 kJ/mole, ≥ 101 kJ/mole, ≥ 104 kJ/mole, ≥ 107 kJ/mole, ou ≥ 110 kJ/mole. L'interaction du sélénium et du carbone dans le sélénium immobilisé comprenant le sélénium et le carbone poreux est souvent plus fréquente, ayant une fréquence de collision, par exemple, ≥ 2,5x105, ≥ 3,0x105, ≥ 3,5x105, ≥ 4,0x105, ≥ 4,5x105, ≥ 5,0x105, ≥ 5,5x105, ≥ 6,0x105, ou ≥ 8,0x105. La constante de vitesse cinétique (à 50° C) du sélénium immobilisé comprenant du sélénium et du carbone poreux est, par exemple, ≤ 1x10-10, ≤ 5x10-11, ≤ 1x10-11, ≤ 5x10-12, ou ≤ 5x10-13. Le squelette de carbone joue un rôle important dans l'immobilisation correcte du sélénium. Le carbone ayant une certaine microporosité (taille des pores de 20 angströms ou moins) est intéressant pour confiner spatialement le sélénium à l'intérieur des micropores du squelette du carbone afin d'obtenir l'immobilisation du sélénium avec les niveaux souhaitables d'énergie d'activation, de fréquence de collision et de constante de vitesse cinétique. La présence de certaines quantités de mésoporosité (taille des pores comprise entre 20 et 500 angströms) et/ou de macroporosité (taille des pores supérieure à 500 angströms) dans le squelette carboné est également souhaitable pour la réussite du transport des ions lithium dans la cathode pendant le processus de décharge de la batterie et hors de la cathode pendant le processus de charge de la batterie, bien qu'elle ne soit pas critique pour l'immobilisation du sélénium. La quantité de microporosité, de mésoporosité ou de macroporosité est généralement caractérisée par la quantité de volume des pores (ml) par unité de poids (g) du squelette carboné. Des niveaux élevés de porosité, y compris la microporosité, la mésoporosité et la macroporosité, peuvent être nécessaires pour confiner spatialement un niveau élevé de sélénium dans le carbone poreux. Plus le sélénium est chargé dans le squelette carboné poreux (par gramme de base), plus l'énergie chimique et l'énergie électrique peuvent être interconverties pendant les processus de cyclage d'une batterie rechargeable.Accordingly, the present invention shows that immobilization of selenium in a porous carbon skeleton is desirable to achieve proper cycling on a rechargeable battery comprising a lithium anode, a selenium cathode, a separator, and an electrolyte. The selenium is immobilized in a porous carbon and has an activation energy that, in one example, may be ≥ 95 kJ/mole, ≥ 98 kJ/mole, ≥ 101 kJ/mole, ≥ 104 kJ/mole, ≥ 107 kJ/mole, or ≥ 110 kJ/mole. The interaction of selenium and carbon in immobilized selenium comprising selenium and porous carbon is often more frequent, having a collision frequency, for example, ≥ 2.5x105, ≥ 3.0x105, ≥ 3.5x105, ≥ 4.0x105, ≥ 4.5x105, ≥ 5.0x105, ≥ 5.5x105, ≥ 6.0x105, or ≥ 8.0x105. The kinetic rate constant (at 50°C) of immobilized selenium comprising selenium and porous carbon is, for example, ≤ 1x10-10, ≤ 5x10-11, ≤ 1x10-11, ≤ 5x10-12, or ≤ 5x10-13. The carbon skeleton plays an important role in the proper immobilization of selenium. Carbon having a certain microporosity (pore size of 20 angstroms or less) is of interest for spatially confining selenium within the micropores of the carbon skeleton to achieve immobilization of selenium with desirable levels of activation energy, collision frequency, and kinetic rate constant. The presence of some amounts of mesoporosity (pore size between 20 and 500 angstroms) and/or macroporosity (pore size greater than 500 angstroms) in the carbon skeleton is also desirable for successful transport of lithium ions into the cathode during the battery discharge process and out of the cathode during the battery charge process, although it is not critical for selenium immobilization. The amount of microporosity, mesoporosity, or macroporosity is generally characterized by the amount of pore volume (ml) per unit weight (g) of the carbon skeleton. High levels of porosity, including microporosity, mesoporosity, and macroporosity, may be necessary to spatially confine a high level of selenium within the porous carbon. The more selenium is loaded into the porous carbon skeleton (per gram of base), the more chemical energy and electrical energy can be interconverted during the cycling processes of a rechargeable battery.
Les quantités de microporosité du carbone poreux pour l'immobilisation du sélénium peuvent être >0,3 mL/g, ≥0,4 mL/g, ou ≥0,5 mL/g. Les quantités totales de porosité, y compris la microporosité, la mésoporosité et la macroporosité sont ≥0,4 mL/g, ≥0,5 mL/g et ≥0,6 mL/g. Le pourcentage de microporosité par rapport à la porosité totale, y compris la microporosité, la mésoporosité et la microposorité, se situe entre 50 et 99 %, 55 et 97 %, et 60 et 95 %.The microporosity amounts of the porous carbon for selenium immobilization can be >0.3 mL/g, ≥0.4 mL/g, or ≥0.5 mL/g. The total porosity amounts, including microporosity, mesoporosity, and macroporosity are ≥0.4 mL/g, ≥0.5 mL/g, and ≥0.6 mL/g. The percentage of microporosity relative to the total porosity, including microporosity, mesoporosity, and microporosity, is between 50 and 99%, 55 and 97%, and 60 and 95%.
Un chemin court est préférable pour le transport du lithium entre la masse de l'électrolyte et l'endroit où le sélénium est immobilisé dans les micropores, tandis que la présence de mésoporosité et de macroporosité peut être importante pour le transport réussi des ions lithium à l'intérieur et à l'extérieur afin d'accéder au sélénium qui est immobilisé dans les micropores, permettant aux processus électrochimiques de fonctionner correctement pendant les processus de décharge et de charge d'une batterie rechargeable. L'une des dimensions des particules de carbone poreux peut préférer être petite, éventuellement ≤5 µm, ≤2 µm, ≤1 µm, ≤0.5 µm, ou ≤0.2 µm ; la particule de carbone peut être de taille relativement importante avec des parois minces interconnectées, ou peut être petite par rapport à la particule dans son ensemble. La dimension du carbone poreux peut être caractérisée par un microscope électronique à balayage, un microscope électronique à transmission, un microscope optique, un analyseur de taille de particules à diffusion laser, etc.A short path is preferred for lithium transport between the bulk of the electrolyte and where selenium is immobilized in the micropores, while the presence of mesoporosity and macroporosity may be important for the successful transport of lithium ions in and out to access the selenium that is immobilized in the micropores, allowing the electrochemical processes to function properly during the discharge and charge processes of a rechargeable battery. One of the dimensions of the porous carbon particles may prefer to be small, possibly ≤5 µm, ≤2 µm, ≤1 µm, ≤0.5 µm, or ≤0.2 µm; the carbon particle may be relatively large in size with thin interconnected walls, or may be small relative to the particle as a whole. The dimension of porous carbon can be characterized by scanning electron microscope, transmission electron microscope, optical microscope, laser scattering particle size analyzer, etc.
Le sélénium est immobilisé dans l'espace des micropores de la particule de carbone poreuse qui a une porosité incluant la microporosité, la mésoporosité et la macroporosité. Le sélénium est immobilisé par de fortes interactions entre le squelette du sélénium et du carbone à l'intérieur des pores du carbone poreux. Le carbone poreux à grande surface peut avoir des sites plus actifs où le sélénium interagit avec le squelette du carbone. Le carbone poreux préfère avoir une surface BET ≥600 m2/g, ≥800 m2/g, ≥1000 m2/g, ≥1200 m2/g, ou ≥1400 m2/g.Selenium is immobilized in the micropore space of the porous carbon particle which has porosity including microporosity, mesoporosity, and macroporosity. Selenium is immobilized by strong interactions between the selenium and carbon skeleton inside the pores of the porous carbon. The high surface area porous carbon may have more active sites where selenium interacts with the carbon skeleton. The porous carbon prefers to have a BET surface area of ≥600 m2/g, ≥800 m2/g, ≥1000 m2/g, ≥1200 m2/g, or ≥1400 m2/g.
Le sélénium est efficacement immobilisé dans le carbone poreux par des interactions chimiques entre les espèces de sélénium et la surface du squelette carboné. Les groupes fonctionnels liés à l'oxygène dans le carbone poreux pourraient être les espèces clés qui déterminent de fortes interactions chimiques avec le sélénium. Ces fortes interactions chimiques peuvent entraîner une immobilisation efficace du sélénium, ce qui se traduit par une augmentation de l'énergie d'activation, une diminution de la constante de vitesse cinétique et/ou une augmentation de la fréquence des collisions. Pour atteindre le niveau souhaitable d'interactions chimiques entre les atomes de carbone du squelette et les atomes ou molécules de sélénium, les quantités de groupes ou espèces liés à l'oxygène en tant qu'interfaces entre le carbone et le sélénium dans le carbone poreux peuvent devoir être suffisamment élevées pour que l'immobilisation du sélénium soit efficace pour une batterie rechargeable qui peut fonctionner correctement dans les processus de décharge électrochimique et de cycle de charge. Les quantités d'espèces liées à l'oxygène ou au groupe fonctionnel de l'oxygène, peuvent être caractérisées par les quantités d'oxygène contenues dans le carbone poreux, analysées par un analyseur d'oxygène (tel que l'analyseur d'oxygène LECO). La teneur en oxygène du carbone poreux peut également être caractérisée par d'autres instruments qui fonctionnent de manière similaire aux instruments LECO, par exemple, la désorption programmée en fonction de la température (ou analyse thermogravimétrique dite « AGT ») avec un détecteur de gaz tel que, mais sans s'y limiter, un spectromètre de masse, un détecteur de conductivité thermique, etc.Selenium is efficiently immobilized in porous carbon by chemical interactions between selenium species and the carbon skeleton surface. Oxygen-bonded functional groups in porous carbon could be the key species that determine strong chemical interactions with selenium. These strong chemical interactions can result in efficient 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 desirable level of chemical interactions between the backbone carbon atoms and the selenium atoms or molecules, the amounts of oxygen-bonded groups or species as interfaces between carbon and selenium in porous carbon may need to be high enough for effective selenium immobilization for a rechargeable battery that can function properly in electrochemical discharge and charge cycle processes. The amounts of species bound to oxygen or to the oxygen functional group, can be characterized by the amounts of oxygen contained in the porous carbon, analyzed by an oxygen analyzer (such as the LECO oxygen analyzer). The oxygen content of the porous carbon can also be characterized by other instruments that operate similarly to the LECO instruments, for example, temperature-programmed desorption (or thermogravimetric analysis known as "TGA") with a gas detector such as, but not limited to, a mass spectrometer, a thermal conductivity detector, etc.
Le carbone poreux pour l'immobilisation du sélénium doit préférablement avoir les quantités de contenu en oxygène ≥2 %, ≥3 %, ≥ 5%, ou mieux encore ≥7 %.Porous carbon for selenium immobilization should preferably have the oxygen content amounts ≥2%, ≥3%, ≥5%, or better still ≥7%.
Les espèces d'oxygène dans le carbone poreux peuvent être catégorisées et caractérisées par la désorption programmée en fonction de la température (DPT), typiquement des espèces d'oxygène formant du CO2, des espèces d'oxygène formant du CO, et des espèces d'oxygène formant de l'eau. Dans un flux de gaz inerte tel que l'hélium, l'azote ou l'argon comme gaz porteur, l'échantillon de carbone poreux est chauffé à une température programmée à un taux de chauffage défini, jusqu'à une température pouvant atteindre 1 000° C. Les espèces d'oxygène présentes dans l'échantillon de carbone poreux sont détruites à différentes températures, formant du CO2, du CO et/ou de l'eau, qui sont élués par le gaz porteur. Pour le carbone poreux qui est utilisé pour l'immobilisation du sélénium, le rapport entre les quantités d'oxygène liées à la formation de CO2 et les quantités d'oxygène liées à la formation de CO peut être compris entre 0,05 et 0,95, 0,15 et 0,85, ou 0,2 et 0,8 ; la quantité d'oxygène liée à la formation de CO2 peut être supérieure à ≥2 %, ≥3 %, ≥5 %, ou de préférence ≥7 % ; la quantité d'oxygène liée à la formation de CO peut être supérieure à ≥ 2%, ≥3 %, ≥ 5%, ou de préférence ≥7 % ; la quantité d'oxygène liée à la formation d'eau peut être supérieure à ≥ 2%, ≥ 3%, ≥5%, ou préférence ≥7 %.Oxygen species in porous carbon can be categorized and characterized by temperature-programmed desorption (TPD), typically CO2-forming oxygen species, CO-forming oxygen species, and water-forming oxygen species. In a stream of inert gas such as helium, nitrogen, or argon as the carrier gas, the porous carbon sample is heated to a programmed temperature at a defined heating rate, up to a temperature of up to 1000°C. The oxygen species present in the porous carbon sample are destroyed at different temperatures, forming CO2, CO, and/or water, which are eluted by the carrier gas. For the porous carbon that is used for the immobilization of selenium, the ratio between the amounts of oxygen linked to the formation of CO2 and the amounts of oxygen linked to the formation of CO may be between 0.05 and 0.95, 0.15 and 0.85, or 0.2 and 0.8; the amount of oxygen linked to the formation of CO2 may be greater than ≥2%, ≥3%, ≥5%, or preferably ≥7%; the amount of oxygen linked to the formation of CO may be greater than ≥2%, ≥3%, ≥5%, or preferably ≥7%; the amount of oxygen linked to the formation of water may be greater than ≥2%, ≥3%, ≥5%, or preferably ≥7%.
Sur l'autre aspect, la densité des espèces d'oxygène (micro-mole par mètre carré, ou µmole/m2) du carbone du squelette peut être critique pour atteindre un niveau suffisant d'interactions chimiques entre la surface du carbone et les atomes de sélénium, ce qui entraîne une immobilisation satisfaisante du sélénium pour le bon fonctionnement d'une batterie rechargeable. Le carbone poreux pour l'immobilisation du sélénium préfère avoir les quantités de contenu en oxygène ≥0,8 µmole/m2, ≥1,0 µmole/m2, ≥1,2 µ mole/m2, ≥1,4 µmole/m2, ou de préférence ≥1,6 µmole/m2 ; ou la quantité d'oxygène liée à la formation du CO2 est ≥0,8 µmole/m2, ≥1,0 µmole/m2, ≥1,2 µmole/m2, ≥1,4 µmole/m2 ou de préférence ≥1,6 µmole/m2 ; ou la quantité d'oxygène liée à la formation de CO est ≥0,8 µ mole/m2, ≥1,0 µ mole/m2, ≥1.2 µmole/m2, ≥1,4 µmole/m2 ou de préférence ≥1,6 µmole/m2.On the other aspect, the density of oxygen species (micromole per square meter, or µmole/m2) of the backbone carbon may be critical to achieve a sufficient level of chemical interactions between the carbon surface and the selenium atoms, resulting in satisfactory immobilization of selenium for proper operation of a rechargeable battery. The porous carbon for immobilization of selenium prefers to have the amounts of oxygen content ≥0.8 µmole/m2, ≥1.0 µmole/m2, ≥1.2 µmole/m2, ≥1.4 µmole/m2, or preferably ≥1.6 µmole/m2; or the amount of oxygen related to the formation of CO2 is ≥0.8 µmole/m2, ≥1.0 µmole/m2, ≥1.2 µmole/m2, ≥1.4 µmole/m2 or preferably ≥1.6 µmole/m2; or the amount of oxygen related to the formation of CO is ≥0.8 µmole/m2, ≥1.0 µmole/m2, ≥1.2 µmole/m2, ≥1.4 µmole/m2 or preferably ≥1.6 µmole/m2.
La présence de quantités adéquates d'espèces d'oxygène dans le carbone du squelette semble jouer un rôle essentiel dans la stabilité à l'oxydation du composite Se-C. Dans les conditions ambiantes, le composite Se-C qui est constitué d'un squelette de carbone avec de faibles quantités d'espèces d'oxygène semble être facile à oxyder dans les conditions ambiantes ; le matériau frais de ce composite Se-C montre des comportements température-gravimétrie similaires à ceux du composite Se-C avec un squelette de carbone ayant des quantités adéquates d'espèces d'oxygène. Cependant, il a été surprenant de découvrir que les composites Se-C fabriqués avec de faibles quantités d'espèces d'oxygène, vieillis dans des conditions ambiantes pendant environ deux ans et trois mois, présentent une perte de poids exothermique importante à des températures d'environ 200-250° C, la perte de poids totale du composite Se-C étant supérieure à la quantité de sélénium qui a été chargée sur le carbone lorsque ceux-ci ont été fraîchement fabriqués. Dans un autre exemple, l'importance de la perte de poids à ces températures semble être en bonne corrélation avec la quantité de squelette carboné dans les composites Se-C : plus les quantités de squelette carboné sont élevées, plus la perte de poids exothermique est importante à des températures comprises entre 200° C et 250° C. Dans un autre exemple, la teneur en oxygène des composites Se-C vieillis (27 mois) fabriqués avec un squelette carboné comportant de faibles quantités d'espèces oxygénées augmente jusqu'à environ 24 %. Dans un autre exemple, il est également intéressant de noter que la densité des composites Se-C vieillis qui ont été fabriqués à partir d'un squelette carboné comportant de faibles quantités d'espèces oxygénées est considérablement réduite. Sans limiter la portée ou l'esprit de la présente invention, la perte de poids exothermique peut être liée à l'oxydation du composite carbone-sélénium par l'espèce d'oxygène ambiant (oxygène du milieu et/ou humidité dans les conditions ambiantes), et/ou à l'oxydation du carbone assistée par l'espèce d'oxygène ambiant par le sélénium élémentaire, les deux aboutissant à la formation de l'espèce de carbone oxydée ; l'oxydation du composite Se-C peut se produire près de l'embouchure des pores du composite ; l'espèce de carbone oxydé nouvellement formée près des bouches pores peut former une porosité fermée ; la porosité fermée n'est alors pas accessible aux molécules de sondage de l'hélium gazeux pendant les mesures de densité, ce qui entraînerait une diminution de la densité pour les échantillons de composite Se-C vieillis qui ont été fabriqués avec un squelette de carbone ayant une faible quantité d'espèces d'oxygène. Les produits de décomposition des espèces de carbone oxydées à des températures comprises entre 200° C et 250° C sous un gaz porteur inerte tel que l'argon ou l'azote peuvent être liés au carbone, au sélénium et/ou à l'oxygène, par exemple au dioxyde de carbone, au monoxyde de carbone, au diséléniure de carbone, à l'oxyséléniure de carbone, etc. Il convient également de noter que le squelette carboné autonome contenant de faibles quantités d'espèces d'oxygène est stable dans les conditions ambiantes. Le carbone et/ou le sélénium présent dans le composite Se-C qui est fait avec un squelette de carbone ayant de faibles quantités d'espèces d'oxygène semblent être susceptibles d'être attaqués par les espèces d'oxygène se trouvant dans l'environnement, de même que le sélénium. Une telle instabilité d'oxydation peut très bien se traduire par de mauvaises performances de cyclage électrochimique d'une batterie rechargeable au Li-Se ; il est possible que le squelette de carbone soit lentement oxydé par le sélénium élémentaire dans les environnements de cyclage électrochimique, tout comme dans les environnements ambiants. Il n'est pas souhaitable d'obtenir la formation d'espèces de carbone oxydé dans un composite Se-C. La quantité de sélénium dans l'espèce de carbone oxydée peut ne pas participer au cycle électrochimique d'une batterie rechargeable, ce qui entraîne une perte permanente de la capacité spécifique d'une batterie rechargeable. Le squelette de carbone joue également un rôle clé, outre le fait d'accueillir le sélénium pour son immobilisation, en fournissant une voie de conduction électrique pour (1) l'apport d'électrons à partir du circuit externe au sélénium élémentaire pendant le processus de décharge et (2) la capture d'électrons des anions de sélénium (Se2-) au circuit externe pendant le processus de charge. Si des quantités partielles de carbone sont oxydées par le sélénium élémentaire, formant des espèces de carbone oxydé, la résistivité électrique du squelette du carbone peut augmenter considérablement, de sorte que la voie de conduction électrique nécessaire à l'apport et à la capture des électrons au cours de chaque cycle électrochimique est partagée, atteignant finalement un niveau tel que la batterie rechargeable ne fonctionnerait pas correctement, sans parler des pertes d'énergie électrique et d'énergie chimique en chaleur, ce qui n'est en effet pas souhaitable pour une batterie rechargeable au regard des aspects (1) de faible efficacité énergétique et (2) de gestion thermique.The presence of adequate amounts of oxygen species in the carbon skeleton appears to play a critical role in the oxidation stability of the Se-C composite. Under ambient conditions, the Se-C composite that consists of a carbon skeleton with low amounts of oxygen species appears to be easy to oxidize under ambient conditions; the fresh material of this Se-C composite shows similar temperature-gravimetric behaviors as the Se-C composite with a carbon skeleton having adequate amounts of oxygen species. However, it was surprising to find that Se-C composites made with low amounts of oxygen species, aged under ambient conditions for about two years and three months, exhibit significant exothermic weight loss at temperatures of about 200-250 °C, with the total weight loss of the Se-C composite being greater than the amount of selenium that was loaded onto the carbon when they were freshly made. In another example, the magnitude of the weight loss at these temperatures appears to correlate well with the amount of carbon skeleton in the Se-C composites: the higher the amounts of carbon skeleton, the greater the exothermic weight loss at temperatures between 200°C and 250°C. In another example, the oxygen content of aged (27 months) Se-C composites made with a carbon skeleton with low amounts of oxygenated species increases to about 24%. In another example, it is also interesting to note that the density of aged Se-C composites that were made from a carbon skeleton with low amounts of oxygenated species is significantly reduced. Without limiting the scope or spirit of the present invention, the exothermic weight loss may be related to oxidation of the carbon-selenium composite by ambient oxygen species (environmental oxygen and/or humidity at ambient conditions), and/or to ambient oxygen species-assisted oxidation of carbon by elemental selenium, both of which result in the formation of the oxidized carbon species; oxidation of the Se-C composite may occur near the pore mouths of the composite; the newly formed oxidized carbon species near the pore mouths may form a closed porosity; the closed porosity is then not accessible to helium gas probing molecules during density measurements, which would result in a decrease in density for aged Se-C composite samples that were made with a carbon skeleton having a low amount of oxygen species. The decomposition products of the oxidized carbon species at temperatures between 200°C and 250°C under an inert carrier gas such as argon or nitrogen may be bound to carbon, selenium and/or oxygen, for example carbon dioxide, carbon monoxide, carbon diselenide, carbon oxyselenide, etc. It should also be noted that the free-standing carbon skeleton containing low amounts of oxygen species is stable under ambient conditions. The carbon and/or selenium present in the Se-C composite which is made with a carbon skeleton having low amounts of oxygen species appear to be susceptible to attack by oxygen species in the environment, as is the selenium. Such oxidation instability may well result in poor electrochemical cycling performance of a Li-Se rechargeable battery; It is possible that the carbon skeleton is slowly oxidized by elemental selenium in electrochemical cycling environments, as well as in ambient environments. It is undesirable to obtain the formation of oxidized carbon species in a Se-C composite. The amount of selenium in the oxidized carbon species may not participate in the electrochemical cycle of a rechargeable battery, resulting in a permanent loss of the specific capacity of a rechargeable battery. The carbon skeleton also plays a key role, in addition to accommodating selenium for immobilization, in providing an electrical conduction pathway for (1) the supply of electrons from the external circuit to the elemental selenium during the discharge process and (2) the capture of electrons from the selenium anions (Se2-) to the external circuit during the charge process. If partial amounts of carbon are oxidized by elemental selenium, forming oxidized carbon species, the electrical resistivity of the carbon skeleton can increase significantly, so that the electrical conduction pathway required for the supply and capture of electrons during each electrochemical cycle is shared, eventually reaching a level where the rechargeable battery would not function properly, not to mention the loss of electrical energy and chemical energy as heat, which is indeed undesirable for a rechargeable battery in view of the aspects of (1) low energy efficiency and (2) thermal management.
En revanche, le composite Se-C qui est fabriqué avec un squelette de carbone ayant un niveau adéquat d'espèces d'oxygène ne montre aucun changement dans les comportements de l'analyse thermogravimétrique (AGT) entre l'échantillon frais et l'échantillon vieilli dans des conditions ambiantes pendant environ deux ans et demi ; il n'y a pas de perte de poids exothermique à une température d'environ 200-250 °C ; la perte de poids totale indiquée par l'AGT est similaire au niveau de la charge en sélénium (en poids) lorsqu'il est fraîchement produit ; il n'y a pas de gain de teneur en oxygène et il n'y a pas de diminution de la densité. Par conséquent, un composite Se-C avec un squelette de carbone ayant des quantités adéquates d'espèces d'oxygène atteint d'une manière ou d'une autre un niveau d'immobilisation satisfaisant du sélénium en appliquant de fortes interactions chimiques entre le carbone et le sélénium avec les espèces d'oxygène interfaciales, améliorant la stabilité à l'oxydation du composite Se-C.In contrast, the Se-C composite which is manufactured with a carbon skeleton having an adequate level of oxygen species shows no change in the thermogravimetric analysis (TGA) behaviors between the fresh sample and the sample aged under ambient conditions for about two and a half years; there is no exothermic weight loss at a temperature of about 200-250 °C; the total weight loss indicated by TGA is similar to the level of selenium loading (by weight) when freshly produced; there is no gain in oxygen content and there is no decrease in density. Therefore, a Se-C composite with a carbon skeleton having adequate amounts of oxygen species somehow achieves a satisfactory immobilization level of selenium by applying strong chemical interactions between carbon and selenium with the interfacial oxygen species, improving the oxidation stability of the Se-C composite.
L'immobilisation efficace du sélénium dans le squelette carboné peut être obtenue par la présence de quantités adéquates d'espèces d'oxygène dans le composite Se-C, éventuellement sous forme d'espèces interfaciales qui permettent de fortes interactions chimiques entre le squelette carboné et le sélénium (sous n'importe quelle forme chimique). Les quantités d'espèces d'oxygène souhaitables dans le composite sélénium-carbone immobilisé peuvent dépendre du niveau d'espèces d'oxygène dans la source du squelette carboné et du niveau de charge en sélénium (en poids) dans le composite Se-C. Pour une charge de sélénium de 50 % ou moins, la quantité d'espèces d'oxygène dans le composite Se-C est ≥0,63 mmol/g, ≥0,94 mmol/g, ≥1,56 mmol/g, ou ≥2,19 mmol/g ; pour une charge de sélénium entre 50 % et 60 % (y compris 60 %), la quantité d'espèces d'oxygène dans le composite Se-C est ≥0,5 mmol/g, ≥0,75 mmol/g, ≥1,25 mmol/g, ou ≥1,75 mmol/g ; pour une charge de sélénium de 60 % ou plus, la quantité d'espèces d'oxygène dans le composite Se-C est ≥0,31 mmol/g, ≥0,47 mmol/g, ≥0,78 mmol/g, ou ≥1,09 mmol/g.Effective immobilization of selenium in the carbon skeleton can be achieved by the presence of adequate amounts of oxygen species in the Se-C composite, possibly in the form of interfacial species that allow strong chemical interactions between the carbon skeleton and selenium (in any chemical form). The amounts of oxygen species desirable in the immobilized selenium-carbon composite can depend on the level of oxygen species in the carbon skeleton source and the level of selenium loading (by weight) in the Se-C composite. For a selenium loading of 50% or less, the amount of oxygen species in the Se-C composite is ≥0.63 mmol/g, ≥0.94 mmol/g, ≥1.56 mmol/g, or ≥2.19 mmol/g; for a selenium loading of between 50% and 60% (including 60%), the amount of oxygen species in the Se-C composite is ≥0.5 mmol/g, ≥0.75 mmol/g, ≥1.25 mmol/g, or ≥1.75 mmol/g; for a selenium loading of 60% or more, the amount of oxygen species in the Se-C composite is ≥0.31 mmol/g, ≥0.47 mmol/g, ≥0.78 mmol/g, or ≥1.09 mmol/g.
Il convient de noter que les quantités adéquates d'espèces d'oxygène dans le composite Se-C ne sont pas liées aux espèces d'oxygène impliquées dans la perte de poids exothermique à des températures comprises entre 200° C et 250° C. L'oxygène lié à la perte de poids exothermique à des températures entre 200° C et 250° C peut très bien résulter de la post-oxydation du composite Se-C dans les conditions ambiantes par des espèces d'oxygène comme l'oxygène et/ou l'humidité de l'air.It should be noted that the adequate amounts of oxygen species in the Se-C composite are not related to the oxygen species involved in the exothermic weight loss at temperatures between 200°C and 250°C. The oxygen related to the exothermic weight loss at temperatures between 200°C and 250°C may well result from post-oxidation of the Se-C composite under ambient conditions by oxygen species such as oxygen and/or moisture in the air.
La quantité d'espèces d'oxygène dans le carbone poreux est généralement générée au cours d'un processus de fabrication de carbone poreux, comprenant généralement un processus de carbonisation dans lequel le précurseur est converti en carbone, généralement à une température inférieure à 700° C, de préférence inférieure à 650° C, de préférence inférieure à 600° C, suivi d'un processus d'activation au cours duquel le carbone est transformé en carbone poreux, généralement à une température supérieure à 700° C, de préférence supérieure à 750° C, voire à environ 800° C ou plus. La quantité de porosité du carbone poreux dépend du degré d'activation. Le degré d'activation est contrôlé par la température et le temps d'activation avec différents produits chimiques d'activation tels que la vapeur d'eau, le CO2, une base (comme NaOH, KOH, etc.), un sel (comme K2CO3, Na2CO3, ZnCl2, etc.). Plus les conditions d'activation sont sévères, plus la porosité du carbone poreux augmente. L'activation à une température plus élevée, par exemple autour de 1 000 ° C, et/ou pendant une certaine période de temps permet d'obtenir un carbone poreux ayant un niveau de porosité plus élevé, ce qui est souhaitable. Cependant, l'activation à une température plus élevée et/ou pendant une période plus longue entraîne une perte plus importante d'espèces d'oxygène pour un carbone poreux se traduisant par un niveau plus faible d'espèces d'oxygène dans le carbone poreux, ce qui n'est pas souhaitable. Un niveau plus élevé d'espèces d'oxygène peut être préservé pour le carbone poreux par son activation à une température relativement plus basse et/ou pendant une période de temps plus courte pouvant entraîner une porosité plus faible, ce qui n'est pas souhaitable. Le présent exposé examine l'esprit de l'invention concernant la culmination à la fois des quantités de porosité et de la quantité d'espèces d'oxygène pour le carbone poreux en vue de l'immobilisation du sélénium avec un niveau de charge de sélénium convenablement élevé, avec un niveau d'immobilisation adéquatement élevé caractérisé par une énergie d'activation élevée, une fréquence de collision élevée ou un niveau déprimé de la constante de vitesse cinétique.The amount of oxygen species in the porous carbon is generally generated during a porous carbon manufacturing process, generally comprising a carbonization process in which the precursor is converted to carbon, generally at a temperature below 700°C, preferably below 650°C, preferably below 600°C, followed by an activation process in which the carbon is converted to porous carbon, generally at a temperature above 700°C, preferably above 750°C, or even at about 800°C or higher. The amount of porosity of the porous carbon depends on the degree of activation. The degree of activation is controlled by the temperature and time of activation with different activation chemicals such as steam, CO2, a base (such as NaOH, KOH, etc.), a salt (such as K2CO3, Na2CO3, ZnCl2, etc.). The more severe the activation conditions, the more the porosity of the porous carbon increases. Activation at a higher temperature, for example around 1000 °C, and/or for a certain period of time results in a porous carbon having a higher level of porosity, which is desirable. However, activation at a higher temperature and/or for a longer period of time results in a greater loss of oxygen species for a porous carbon resulting in a lower level of oxygen species in the porous carbon, which is undesirable. A higher level of oxygen species can be preserved for the porous carbon by activating it at a relatively lower temperature and/or for a shorter period of time which can result in a lower porosity, which is undesirable. The present disclosure discusses the spirit of the invention regarding the culmination of both the amounts of porosity and the amount of oxygen species for the porous carbon for the immobilization of selenium with a suitably high selenium loading level, with a suitably high immobilization level characterized by a high activation energy, a high collision frequency or a depressed level of the kinetic rate constant.
Comme décrit dans le paragraphe précédent, l'activation à une température d'activation plus élevée et/ou pendant une période plus longue entraîne une perte plus importante d'espèces d'oxygène. Une des approches compromises peut être activée à une température relativement basse, par exemple, autour de 800° C et moins, et pendant une période relativement plus longue, par exemple, 10 minutes ou plus. La présente invention comprend également des post-traitements du carbone poreux avec un niveau de porosité adéquatement élevé résultant d'un processus d'activation sévère, qui conduit à une augmentation des quantités d'espèces d'oxygène dans le carbone poreux. Ce carbone poreux renforcé par des espèces d'oxygène a alors des niveaux souhaitables à la fois de porosité et de quantité d'espèces d'oxygène, comme décrit dans les paragraphes précédents.As described in the preceding paragraph, activation at a higher activation temperature and/or for a longer period of time results in a greater loss of oxygen species. One compromised approach may be activation at a relatively low temperature, for example, around 800°C and below, and for a relatively longer period of time, for example, 10 minutes or more. The present invention also includes post-treatments of the porous carbon with a suitably high level of porosity resulting from a severe activation process, which leads to an increase in the amounts of oxygen species in the porous carbon. This oxygen species-enhanced porous carbon then has desirable levels of both porosity and amount of oxygen species, as described in the preceding paragraphs.
Le carbone poreux peut être post-traité avec un agent oxydant. L'agent oxydant peut être un produit chimique contenant de l'oxygène. Le ou les post-traitements du carbone poreux peuvent être effectués en phase liquide, ou en phase gazeuse. Les post-traitements en phase liquide de carbone poreux peuvent être effectués en milieu aqueux. Les post-traitements en phase liquide du carbone poreux peuvent également être effectués dans un solvant organique qui peut être de nature hydrophobe ou hydrophile. Des post-traitements en phase liquide de carbone poreux peuvent également être effectués dans des conditions de fusion du sel.The porous carbon may be post-treated with an oxidizing agent. The oxidizing agent may be an oxygen-containing chemical. The post-treatment(s) of the porous carbon may be carried out in the liquid phase, or in the gas phase. Liquid phase post-treatments of porous carbon may be carried out in an aqueous medium. Liquid phase post-treatments of porous carbon may also be carried out in an organic solvent which may be hydrophobic or hydrophilic in nature. Liquid phase post-treatments of porous carbon may also be carried out under salt melting conditions.
Les post-traitements de carbone poreux peuvent être transportés dans le liquide à une température relativement basse, par exemple, au point d'ébullition du milieu liquide ou à une température inférieure. Sous une pression élevée supérieure à la pression atmosphérique, la température de post-traitement peut être supérieure au point d'ébullition atmosphérique du milieu liquide. Sous vide, la température de post-traitement peut devoir être inférieure au point d'ébullition atmosphérique du milieu liquide.Porous carbon aftertreatments may be transported in the liquid at a relatively low temperature, for example, at or below the boiling point of the liquid medium. Under elevated pressure above atmospheric pressure, the aftertreatment temperature may be above the atmospheric boiling point of the liquid medium. Under vacuum, the aftertreatment temperature may need to be below the atmospheric boiling point of the liquid medium.
L'agent oxydant peut être l'acide nitrique, le peroxyde d'hydrogène, un sel de persulfate (par exemple, le persulfate d'ammonium, de sodium ou de potassium), un sel de manganèse, de vanadium, de chrome ou un autre élément apparenté à un métal de transition dont l'état de valence d'oxydation élevé permet la réduction. L'agent oxydant peut être de l'oxygène, de l'ozone ou un peroxyde organique.The oxidizing agent may be nitric acid, hydrogen peroxide, a persulfate salt (e.g., ammonium, sodium, or potassium persulfate), a salt of manganese, vanadium, chromium, or another transition metal-related element whose high oxidation valence state permits reduction. The oxidizing agent may be oxygen, ozone, or an organic peroxide.
Les post-traitements du carbone poreux dans un environnement aqueux peuvent être effectués dans des conditions acides, neutres ou de base en termes de pH.Post-treatments of porous carbon in an aqueous environment can be carried out under acidic, neutral or basic pH conditions.
Le carbone poreux post-traité peut être lavé et séché. Le carbone poreux séché après traitement peut être traité ultérieurement à une température élevée (par exemple, ≥ 150 ° C, ≥ 200 ° C ou ≥ 250 ° C) dans des conditions statiques, un flux de gaz, de préférence un gaz inerte. Ce traitement thermique peut rééquilibrer la répartition des espèces d'oxygène liées à la formation de CO2, des espèces d'oxygène liées à la formation de CO et des espèces d'oxygène liées à la formation de H2O.The post-treated porous carbon may be washed and dried. The dried porous carbon after treatment may be further treated at an elevated temperature (e.g., ≥150°C, ≥200°C, or ≥250°C) under static conditions, a gas flow, preferably an inert gas. This heat treatment may rebalance the distribution of oxygen species related to CO2 formation, oxygen species related to CO formation, and oxygen species related to H2O formation.
Les post-traitements du carbone poreux peuvent augmenter la quantité d'espèces d'oxygène par ≥30 %, ≥50 %, ≥100 %, ou ≥150 %.Post-treatments of porous carbon can increase the amount of oxygen species by ≥30%, ≥50%, ≥100%, or ≥150%.
Il peut être plus souhaitable d'effectuer l'immobilisation du sélénium à une température qui préserve les espèces d'oxygène qui peuvent servir de site critique qui renforce les interactions chimiques du squelette de sélénium et de carbone. La température de fusion du sélénium dans les pores du carbone poreux peut être égale ou supérieure au point de fusion du sélénium. Le dopage avec d'autres éléments tels que le S, le Te ou d'autres impuretés permet d'abaisser le point de fusion du sélénium.It may be more desirable to perform the immobilization of selenium at a temperature that preserves oxygen species that can serve as a critical site that enhances the chemical interactions of the selenium and carbon skeleton. The melting temperature of selenium in the pores of the porous carbon may be equal to or greater than the melting point of selenium. Doping with other elements such as S, Te, or other impurities can lower the melting point of selenium.
Le sélénium (avec ou sans dopant) peut être chargé sur le squelette carboné par une méthode d'imprégnation. Le sélénium peut être dissous dans un solvant, formant ainsi une solution de sélénium. La solution de sélénium est ensuite imprégnée sur un carbone poreux, puis le solvant est éliminé par évaporation, laissant le sélénium à l'intérieur du carbone poreux. Ce processus d'imprégnation peut être répété afin d'obtenir une charge de sélénium suffisante. Cette méthode peut également abaisser considérablement la température de chargement du sélénium sur le carbone poreux à un niveau inférieur au point de fusion du sélénium.Selenium (with or without dopant) can be loaded onto the carbon skeleton by an impregnation method. The selenium can be dissolved in a solvent, forming a selenium solution. The selenium solution is then impregnated onto a porous carbon, and the solvent is evaporated off, leaving the selenium inside the porous carbon. This impregnation process can be repeated to obtain a sufficient selenium loading. This method can also significantly lower the loading temperature of selenium onto the porous carbon to below the melting point of selenium.
La source de production du carbone poreux pour l'immobilisation du sélénium peut provenir de sources de carbone renouvelables, par exemple, mais sans s'y limiter, la biomasse, comme le sucre, le glucose, l'amidon, les protéines, la mouture de soja, les noix, les coquilles (de noix, de riz, de blé, etc.), les fibres et la sciure de bois, ou toute source de carbone liée à la nature. La source de production du carbone poreux pour l'immobilisation du sélénium peut être un sel qui comprend du carbone, comme décrit dans les sections précédentes. La source de production du carbone poreux pour l'immobilisation du sélénium peut être un acide qui comprend du carbone, comme l'acide citrique, l'acide gluconique, l'acide tannique. La source de carbone peut également provenir d'un produit chimique, par exemple un polyol, ou d'un polymère comme le polyacryonitrile ou le polyphénol.The source of production of the porous carbon for immobilization of selenium may be from renewable carbon sources, for example, but not limited to, biomass, such as sugar, glucose, starch, protein, soybean meal, nuts, shells (walnut, rice, wheat, etc.), fibers and sawdust, or any carbon source related to nature. The source of production of the porous carbon for immobilization of selenium may be a salt that includes carbon, as described in the previous sections. The source of production of the porous carbon for immobilization of selenium may be an acid that includes carbon, such as citric acid, gluconic acid, tannic acid. The carbon source may also be from a chemical, for example a polyol, or a polymer such as polyacryonitrile or polyphenol.
Description du processus de fabrication du carbone.Description of the carbon manufacturing process.
Le matériau en carbone décrit ici peut être obtenu à partir d'une méthode de préparation qui comprend les étapes suivantes :The carbon material described herein can be obtained from a preparation method which comprises the following steps:
(1) Mélanger les différents ingrédients : sel inerte, agent activateur et précurseur de carbone. Le processus de mélange peut comprendre un procédé de broyage à billes ou un procédé de lyophilisation d'une solution des différents ingrédients(1) Mixing the different ingredients: inert salt, activating agent and carbon precursor. The mixing process may include a ball milling process or a freeze-drying process of a solution of the different ingredients.
(2) Carboniser le mélange dans une atmosphère inerte à haute température, puis le laver à l'eau chaude pour éliminer les sels inorganiques, et le sécher pour obtenir un matériau poreux tridimensionnel comprenant de fines couches de carbone incurvées et interconnectées.(2) Carbonize the mixture in an inert atmosphere at high temperature, then wash it with hot water to remove inorganic salts, and dry it to obtain a three-dimensional porous material comprising thin, curved and interconnected carbon layers.
Dans l'étape (1), le sel inerte peut être choisi parmi le chlorure de potassium, le chlorure de sodium ou le carbonate de sodium. L'agent activateur peut être choisi parmi le carbonate de potassium, le bicarbonate de potassium ou l'oxalate de potassium. Le précurseur de carbone peut être choisi parmi les sources de carbone renouvelables décrites ci-dessus. Dans l'étape (2), la carbonisation à haute température peut être effectuée à 800-900 ° C, de préférence à 800-850 ° C ; le temps de carbonisation est de 1-8 heures, de préférence de 1-4 heures.In step (1), the inert salt may be selected from potassium chloride, sodium chloride or sodium carbonate. The activating agent 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), the high-temperature carbonization may be carried out at 800-900 ° C, preferably at 800-850 ° C; the carbonization time is 1-8 hours, preferably 1-4 hours.
La présente invention incarne deux procédés principaux de fabrication de carbone poreux interconnecté à parois minces, à savoir le carbone auto-assemblé et le carbone exo-assemblé.The present invention embodies two main methods of manufacturing thin-walled interconnected porous carbon, namely self-assembled carbon and exo-assembled carbon.
Le processus d'auto-assemblage peut impliquer l'utilisation d'un sel qui comprend du carbone et qui peut être carbonisé, par exemple, le citrate de potassium, le gluconate de potassium, le tartrate de potassium, le citrate de calcium, le citrate de sodium, etc. Lorsque le sel est chauffé, il passe d'abord par un processus de fusion qui accompagne la décomposition, formant de l'eau, du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, des hydrocarbures légers et certaines huiles collantes et malodorantes de type goudron qui peuvent être des hydrocarbures oxygénés ; au fur et à mesure de la décomposition, le cation du sel original peut se trouver sous une forme soluble avec un anion de carbonate et/ou d'oxalate nouvellement formé et/ou une autre forme de sel ; lorsque la concentration des anions carbonate, bicarbonate, oxalate et/ou autres nouvellement formés atteint un point de saturation de la solubilité, les conditions de sursaturation des anions carbonate, bicarbonate, oxalate et/ou autres nouvellement formés commencent à se mettre en place au fur et à mesure que le processus de décomposition progresse. Il convient de noter que la sursaturation de la solubilité d'un sel est quasi-stable sur le plan thermodynamique ; lorsqu'elle atteint un point de sursaturation qui n'est plus stable sur le plan cinétique, elle entraîne la cristallisation du sel de carbonate, de bicarbonate, d'oxalate et/ou d'un autre anion nouvellement formé. Un sel de carboxylate organique comprenant un groupe hydroxyle (par exemple, citrate de potassium, gluconate de potassium, tartrate de potassium, etc.) peut être un inhibiteur de cristallisation ; un tel inhibiteur de cristallisation permet de développer un niveau plus élevé de sursaturation, ce qui conduit généralement à une grande population de cristallites de petite taille. Le sel nouvellement cristallisé de carbonate, de bicarbonate ou sous toute autre forme, peut avoir une taille de particules très uniforme. Au fur et à mesure que la décomposition se poursuit avec l'augmentation de la température et/ou du temps, la viscosité de la masse fondue peut augmenter, ce qui peut recouvrir uniformément la surface des cristallites nouvellement formés de carbonate, bicarbonate, oxalate et/ou d'autres formes de sel. Puis le carbone finit par se solidifier sur les surfaces des cristallites nouvellement formées. Ce processus d'assemblage du carbone est décrit dans la présente description comme un processus d'auto-assemblage, un processus de carbonisation. La température pour le processus d'auto-assemblage peut être inférieure à 700° C. Ce processus d'auto-assemblage thermique peut être réalisé en augmentant la température à un rythme constant ou à un rythme variable. Le processus d'auto-assemblage peut également être réalisé en maintenant une température de chauffe constante ou une stabilisation à « chaud » à une température inférieure ou égale à 700° C.The self-assembly process may involve the use of a salt that includes carbon and can be carbonized, for example, potassium citrate, potassium gluconate, potassium tartrate, calcium citrate, sodium citrate, etc. When the salt is heated, it first goes through a melting process that accompanies decomposition, forming water, carbon dioxide, carbon monoxide, light hydrocarbons, and certain sticky, malodorous tar-like oils that may be oxygenated hydrocarbons; as decomposition proceeds, the cation of the original salt may be in a soluble form with a newly formed carbonate and/or oxalate anion and/or another salt form; When the concentration of the newly formed carbonate, bicarbonate, oxalate and/or other anions reaches a solubility saturation point, the conditions for supersaturation of the newly formed carbonate, bicarbonate, oxalate and/or other anions begin to set in as the decomposition process proceeds. It should be noted that supersaturation of the solubility of a salt is thermodynamically quasi-stable; when it reaches a supersaturation point that is no longer kinetically stable, it results in crystallization of the newly formed carbonate, bicarbonate, oxalate and/or other anion salt. An organic carboxylate salt comprising a hydroxyl group (e.g., potassium citrate, potassium gluconate, potassium tartrate, etc.) may be a crystallization inhibitor; such a crystallization inhibitor allows a higher level of supersaturation to develop, which generally leads to a large population of small crystallites. The newly crystallized salt of carbonate, bicarbonate, or other form may have a very uniform particle size. As decomposition continues with increasing temperature and/or time, the viscosity of the melt may increase, which may uniformly coat the surface of the newly formed crystallites with carbonate, bicarbonate, oxalate, and/or other salt forms. The carbon then eventually solidifies on the surfaces of the newly formed crystallites. This carbon assembly process is described herein as a self-assembly process, a carbonization process. The temperature for the self-assembly process may be less than 700° C. This thermal self-assembly process may be accomplished by increasing the temperature at a constant rate or at a variable rate. The self-assembly process may also be accomplished by maintaining a constant heating temperature or "hot" stabilization at a temperature less than or equal to 700° C.
Lorsque la température augmente, le carbone auto-assemblé et nouvellement formé à parois minces tridimensionnelles interconnectées, subit un processus d'activation par les cristallites nouvellement constituées qui jouent le rôle d'agent chimique d'activation. Par exemple, le processus d'activation peut être essentiellement basé sur la réaction redox à haute température entre le carbone et les cristallites nouvellement formés tels que K2CO3 (provenant du citrate de potassium comme matériau de base), K2CO3 + C → K2O + 2CO, qui a lieu à environ 700° C ou plus. La consommation de carbone peut entraîner la génération de porosité (en particulier, de microporosité) dans le carbone, conduisant à la formation d'un carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles. La température d'activation peut atteindre 1100° C. La vitesse de montée en puissance peut être inférieure à 1° C /min jusqu'à 100° C/min. Un flux de gaz porteur inerte, par exemple, l'azote ou l'argon, peut être utilisé pour le processus de fabrication de carbone poreux. Un gaz réactif, tel que le CO2 et la vapeur, peut également être utilisé séparément ou conjointement pour et pendant l'activation.As the temperature increases, the self-assembled and newly formed carbon with three-dimensional interconnected thin walls undergoes an activation process by the newly formed crystallites acting as the chemical activating agent. For example, the activation process can be mainly based on the high-temperature redox reaction between carbon and the newly formed crystallites such as K2CO3 (from potassium citrate as the base material), K2CO3 + C → K2O + 2CO, which takes place at about 700 °C or higher. The consumption of carbon can cause the generation of porosity (especially microporosity) in the carbon, leading to the formation of a porous carbon with three-dimensional interconnected thin walls. The activation temperature can reach 1100 °C. The ramping rate can be less than 1 °C/min up to 100 °C/min. An inert carrier gas stream, for example, nitrogen or argon, can be used for the porous carbon manufacturing process. A reactive gas, such as CO2 and steam, can also be used separately or together for and during activation.
Il peut y avoir une réaction supplémentaire ou secondaire contribuant à la génération de la porosité du carbone. Certains de ces processus de réaction peuvent comprendre : i) la gazéification du carbone par le CO2 produit pendant le processus de carbonisation et/ou d'activation, ii) la réduction des oxydes métalliques par le carbone (par exemple, K2O + C → CO + 2 K), iii) l'intercalation de certaines espèces métalliques nouvellement formées (par exemple, K) dans des couches de carbone, ou iv) un effet catalytique associé aux cations, ce qui est particulièrement pertinent dans le cas du potassium. La gazéification du carbone (C+CO2 = 2 CO)est particulièrement pertinente, car leCO2 généré par la décomposition du K2CO3 n’ayant pas réagi (K2CO3 → K2O + CO2) se produit lentement à une température supérieure à 800-850° C.There may be an additional or secondary reaction contributing to the generation of carbon porosity. Some of these reaction processes may include: i) carbon gasification by CO2 produced during the carbonization and/or activation process, ii) reduction of metal oxides by carbon (e.g., K2O + C → CO + 2 K), iii) intercalation of some newly formed metal species (e.g., K) into carbon layers, or iv) a catalytic effect associated with cations, which is particularly relevant in the case of potassium. Carbon gasification (C+CO2 = 2 CO) is particularly relevant, since the CO2 generated by the decomposition of unreacted K2CO3 (K2CO3 → K2O + CO2) occurs slowly at a temperature above 800-850°C.
Le processus d'exo-assemblage peut impliquer l'utilisation de particules exogènes, par exemple, un agent d'activation (par exemple, un sel de métal alcalin et de carbonate, tel que K2CO3, un hydroxyde de métal alcalin, tel que KOH), éventuellement avec un sel inerte (par exemple, KC1, NaCl, etc.) pour générer des quantités abondantes de porosité à partir d'une source de carbone. Les particules exogènes peuvent être mélangées à la source de carbone avant la carbonatation ou après la carbonisation, plus préférablement, avant l'étape de carbonisation. Ce mélange de particules exogènes et de la source de carbone peut être obtenu par mélange physique, éventuellement suivi d'un broyage mécanique, ou par recristallisation de la source de carbone avec la substance chimique de la particule exogène à partir d'une solution aqueuse, d'une pâte aqueuse ou d'un équivalent en utilisant un milieu liquide organique. Le processus de séchage pour la recristallisation peut se faire par évaporation, séchage à l'air, séchage au four, séchage par pulvérisation ou lyophilisation.The exoassembly process may involve the use of exogenous particles, e.g., an activating agent (e.g., an alkali metal salt of carbonate, such as K2CO3, an alkali metal hydroxide, such as KOH), optionally with an inert salt (e.g., KC1, NaCl, etc.) to generate abundant amounts of porosity from a carbon source. The exogenous particles may be mixed with the carbon source prior to carbonation or after carbonization, more preferably, prior to the carbonization step. This mixture of exogenous particles and the carbon source may be obtained by physical mixing, optionally followed by mechanical grinding, or by recrystallization of the carbon source with the chemical substance of the exogenous particle from an aqueous solution, aqueous slurry, or the like using an organic liquid medium. The drying process for recrystallization can be done by evaporation, air drying, oven drying, spray drying or freeze drying.
Lorsque le mélange est chauffé dans le cadre du processus d'exo-assemblage, il se produit une carbonisation-activation de la source de carbone sur une particule de sel servant de matrice, comme cela a été décrit dans les paragraphes précédents concernant un procédé à température ambiante. Pendant le processus de carbonisation, la source de carbone peut d'une certaine manière fondre et se décomposer au fur et à mesure que la température augmente et que le temps passe, formant des produits secondaires tels que le CO2, le CO, l'eau, les hydrocarbures légers et certains hydrocarbures lourds collants et gluants. La viscosité de la masse fondue peut augmenter et la masse fondue peut, éventuellement, s'enrober et se solidifier à la surface des particules exogènes, formant un revêtement de carbone à parois minces interconnectées à la surface des particules exogènes. Lorsque la température continue à augmenter, le processus d'activation se déclenche et donne lieu à la porosité, qui peut être essentiellement basée sur la réaction d'oxydoréduction à haute température, par exemple K2CO3 + C → K2O + 2CO, qui se produit à une température d'environ 700° C ou plus.When the mixture is heated in the exoassembly process, carbonization-activation of the carbon source occurs on a salt particle as a matrix, as described in the previous paragraphs for a room temperature process. During the carbonization process, the carbon source may somehow melt and decompose as the temperature increases and time passes, forming by-products such as CO2, CO, water, light hydrocarbons, and some sticky and slimy heavy hydrocarbons. The viscosity of the melt may increase, and the melt may eventually coat and solidify on the surface of the exogenous particles, forming a thin-walled, interconnected carbon coating on the surface of the exogenous particles. As the temperature continues to increase, the activation process starts and gives rise to porosity, which can be mainly based on the high temperature redox reaction, e.g. K2CO3 + C → K2O + 2CO, which occurs at a temperature of about 700°C or more.
À titre d'exemple, lorsque les particules exogènes comprennent éventuellement un sel inerte, par exemple KC1, le point de fusion d'un agent chimique d'activation tel que K2CO3 est abaissé de 891° C à environ 630° C par exemple. En raison de la formation d'un système KCl-K2CO3 en phase liquide à une température d'environ 630° C, l'activation du carbone à parois minces interconnectées peut être considérablement accélérée, peut-être en raison de la réactivité accrue du K2CO3 avec les éléments carbonisés (carbone à parois minces interconnectées), éventuellement par des contacts plus intimes entre l'agent chimique d'activation (comme le K2CO3 en l'espèce) et la surface du carbone à parois minces interconnectées. Cela pourrait suggérer que le processus d'auto-assemblage avec des particules exogènes comprenant un agent chimique d'activation et, éventuellement, un sel inerte, pourrait en effet être une stratégie plus viable pour réaliser la synthèse d'un carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles avec des quantités suffisantes de porosité, tout en préservant des quantités adéquates d'espèces incluant de l'oxygène (activation dans des conditions moins sévères, c'est-à-dire à une température d'activation plus basse). En même temps, la surface du carbone peut être isolée par la phase liquide du système KCI-K2CO3 fondu, empêchant la réaction secondaire du CO2 formé et du carbone poreux à parois minces interconnectées formé en limitant éventuellement la diffusion des molécules gazeuses deCO2 créées à la surface du carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnel solidifié, ce qui est souhaitable pour atteindre une performance plus élevée du carbone poreux à parois minces interconnectées. En outre, la phase liquide « monolithique » du système KCI-K2CO3 fondu peut également limiter la diffusion gazeuse des gaz émis comme les volatils de carbone, ce qui peut entraîner une possibilité de leur redéposition sur le carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles et une augmentation de la performance du carbone poreux à parois minces interconnectées, ce qui est souhaitable.For example, when the exogenous particles optionally include an inert salt, e.g. KC1, the melting point of an activating chemical such as K2CO3 is lowered from 891°C to about 630°C, for example. Due to the formation of a liquid phase KCl-K2CO3 system at a temperature of about 630°C, the activation of the interconnected thin-walled carbon can be significantly accelerated, perhaps due to the increased reactivity of the K2CO3 with the carbonized elements (interconnected thin-walled carbon), possibly by more intimate contacts between the activating chemical (such as K2CO3 herein) and the surface of the interconnected thin-walled carbon. This could suggest that the self-assembly process with exogenous particles comprising an activating chemical agent and, possibly, an inert salt, could indeed be a more viable strategy to achieve the synthesis of a three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon with sufficient amounts of porosity, while preserving adequate amounts of species including oxygen (activation under less severe conditions, i.e., at a lower activation temperature). At the same time, the carbon surface can be isolated by the liquid phase of the molten KCI-K2CO3 system, preventing the side reaction of the formed CO2 and the formed interconnected thin-walled porous carbon by possibly limiting the diffusion of the CO2 gas molecules created on the surface of the solidified three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon, which is desirable to achieve higher performance of the interconnected thin-walled porous carbon. In addition, the “monolithic” liquid phase of the molten KCI-K2CO3 system can also limit the gaseous diffusion of emitted gases such as carbon volatiles, which may result in a possibility of their redeposition on the three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon and an increase in the performance of the interconnected thin-walled porous carbon, which is desirable.
Exemple 14. Nanomatériau de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles : fabrication et caractérisation du carbone --- par un processus d'exo-assemblage : lyophilisation du mélange aqueux de source du carbone comme le glucose, de l'agent chimique d'activation comme le K2CO3 et, optionnellement, du sel inerte comme le KCl.Example 14. Three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial: fabrication and characterization of carbon --- by an exo-assembly process: freeze-drying of the aqueous mixture of carbon source such as glucose, chemical activating agent such as K2CO3 and, optionally, inert salt such as KCl.
Après avoir dissous dans de l'eau distillée des quantités appropriées de KCl, de K2CO3 et de glucose, la solution a été congelée avec de l'azote liquide (-196° C), puis transférée dans un lyophilisateur et lyophilisée à une température de -50° C et à une pression de 0,06 mbar, ce qui a donné un mélange solide de KC1, de K2CO3 et de glucose. Le mélange solide est ensuite carbonisé à 850° C pendant une heure à une atmosphère inerte, puis refroidi à température ambiante, suivi d'un lavage à l'eau distillée chaude, d'une filtration et d'un séchage, ce qui produit un nanomatériau de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnels, comme le montre la
La surface du nanomatériau de carbone poreux à paroi mince tridimensionnelle interconnectée dérivé du glucose a été mesurée à 2 316 m2/g avec un volume total de pores de 1,04 cm3/g et un volume des micropores de 0,90 cm3/g, dont environ 86 % des pores sont décrits comme microporosité et environ 14 % comme méso et macroporosité. L'isotherme d'adsorption de N2 et la distribution des tailles de pores du nanomatériau de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles sont illustrés à la
Dans un autre exemple, la mouture de soja est utilisée à la place du glucose. Comme le montre la
Le tableau 5 ci-dessus présente plusieurs exemples différents de nanomatériaux de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles fabriqués par un procédé d'exo-assemablge pour différentes combinaisons de précurseurs, d'agent d'activation/assemblage, de rapport de pondération précurseur/agent d'activation/assemblage et de rapport de carbonisation - ce qui donne les différentes combinaisons de propriétés de texture et de composition chimique indiquées, où Vbet = surface apparente, Vp = volume total des pores et Vmicro = volume des micropores.Table 5 above shows several different examples of three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials fabricated by an exo-assembly process for different combinations of precursors, activating/assembling agent, precursor/activating/assembling agent weight ratio, and carbonization ratio - resulting in the different combinations of textural properties and chemical composition shown, where Vbet = apparent surface area, Vp = total pore volume, and Vmicro = micropore volume.
Exemple 15 : Nanomatériau de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles : Capacités et performances.Example 15: Three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial: Capabilities and performances.
Les nanomatériaux de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles de l'exemple 14 peuvent être utilisés comme électrodes dans des condensateurs électrochimiques. L'électrode comprend un liant organique, qui peut être, par exemple, du PTFE ou du PVDF. En option, l'électrode comprend également un promoteur de la conductivité électrique comme, par exemple, le carbone noir, le graphène, les nanotubes de carbone, etc. Dans un exemple typique, on prépare un mélange de 85 % en poids de substance active, de 10 % en poids de liant et de 5 % de promoteur de conductivité électrique.The three-dimensionally interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials of Example 14 can be used as electrodes in electrochemical capacitors. The electrode comprises an organic binder, which may be, for example, PTFE or PVDF. Optionally, the electrode also comprises an electrical conductivity promoter such as, for example, black carbon, graphene, carbon nanotubes, etc. In a typical example, a mixture of 85 wt.% active substance, 10 wt.% binder and 5 wt.% electrical conductivity promoter is prepared.
La méthode de fabrication des électrodes peut inclure la préparation d'une pâte des différents composants ou de leur mélange sec dans un mortier. La pâte peut être déposée sur un collecteur de courant ou peut être façonnée en électrodes autoportantes comme des électrodes en forme de disque. Les électrodes peuvent ensuite être pressées ou broyées au rouleau avant d'être utilisées dans un condensateur électrochimique.The method of manufacturing the electrodes may include preparing a paste of the various components or their dry mixture in a mortar. The paste may be deposited on a current collector or may be formed into self-supporting electrodes such as disk-shaped electrodes. The electrodes may then be pressed or roller-milled before being used in an electrochemical capacitor.
Un condensateur électrochimique symétrique peut être assemblé à l'aide des électrodes décrites ci-dessus. Deux électrodes de même masse et de même épaisseur peuvent être utilisées. Les collecteurs de courant peuvent être en or, en acier inoxydable, en aluminium, en nickel, etc., selon l'électrolyte utilisé.A symmetrical electrochemical capacitor can be assembled using the electrodes described above. Two electrodes of the same mass and thickness can be used. The current collectors can be made of gold, stainless steel, aluminum, nickel, etc., depending on the electrolyte used.
L'électrolyte peut être une solution aqueuse acide telle que l'acide sulfurique ou chloridrique, une solution basique telle que l'hydroxyde de sodium ou l'hydroxyde de potassium, un sel tel que le sulfate de lithium, le sulfate de sodium, le sulfate de potassium, etc, ou une solution organique comme un liquide ionique tel que le 1-éthyl-3-méthylimidazolium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide, le 1-butyl-3-méthylimidazolium, le bis(trifluorométhylsulfonyl)imide, le tétrafluoroborate d'éthyl-3-méthylimidazolium, le tétrafluoroborate du 1-butyl-3-méthylimidazolium, le bis(trifluorométhylsulfonyl)imide du 1-butyl-1-méthylpyrrolidinium, etc., ou un liquide ionique pur tel que mentionné ci-dessus.The electrolyte may be an acidic aqueous solution such as sulfuric acid or hydrochloric acid, a basic solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide, a salt such as lithium sulfate, sodium sulfate, potassium sulfate, etc., 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, ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, etc., or a pure ionic liquid as mentioned above.
Le condensateur électrochimique peut être chargé à 0,2 A/g, 0,5 A/g, 1 A/g, 5 A/g, 10 A/g, 20 A/g, 50 A/g ou plus rapidement. Les condensateurs électrochimiques assemblés ont été testés en utilisant un potentiostat contrôlé par ordinateur. Les tests consistaient en des expériences de voltampérométrie cyclique (VC), des études spectroscopique d'impédance électrochimique (EIS) et des tests de cyclage charge/décharge galvanostatique (CD). La tension de la cellule peut aller jusqu'à 1 V dans une solution acide ou basique, jusqu'à 1,5 V dans une solution saline aqueuse et jusqu'à 3 V dans une solution d'électrolyte liquide organique et ionique.The electrochemical capacitor 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 potentiostat. The tests consisted of cyclic voltammetry (CV) experiments, electrochemical impedance spectroscopic (EIS) studies, and galvanostatic charge/discharge (CD) cycling tests. The cell voltage can be up to 1 V in acidic or basic solution, up to 1.5 V in aqueous saline solution, and up to 3 V in organic and ionic liquid electrolyte solution.
À titre d'exemple, une solution de 1 M H2SO4 est utilisée comme électrolyte. Le condensateur électrochimique fabriqué à partir d'un nanomatériau de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles dérivé du glucose (appelé à base de glucose) a une capacitance électrique de 57 F/g à 0,2 A/g et le condensateur électrochimique fabriqué à partir de nanomatériau de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles à base de mouture de soja a une capacité de 60 F/g. À une densité de courant ultra-large de 110 A/g, la capacité électrique est de 24 et 31 F/g respectivement.As an example, a 1 M H2SO4 solution is used as the electrolyte. The electrochemical capacitor made from a three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial derived from glucose (referred to as glucose-based) has an electrical capacitance of 57 F/g at 0.2 A/g, and the electrochemical capacitor made from a three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial based on soybean meal has a capacitance of 60 F/g. At an ultra-large current density of 110 A/g, the electrical capacitance is 24 and 31 F/g, respectively.
Dans un autre exemple, une solution de 1 M Li2SO4 est utilisée comme électrolyte. Le condensateur électrochimique à base de glucose a une capacité de cellule de 37 F/g à 0,2 A/g et le condensateur électrochimique à base de mouture de soja de 39 F/g. À une densité de courant de 20 A/g, la capacité électrique est respectivement de 25 et 29 F/g.In another example, a 1 M Li2SO4 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 soybean-based electrochemical capacitor 39 F/g. At a current density of 20 A/g, the electric capacitance is 25 and 29 F/g, respectively.
Dans un autre exemple, une solution d'EMImTFSI dans de l'acétonitrile (1/1 % en poids) est utilisée comme électrolyte. Le condensateur électrochimique à base de glucose a une capacité électrique de 36 F/g à 0,2 A/g et le condensateur électrochimique à base de mouture de soja de 39 F/g. À une densité de courant de 30 A/g, la capacité électrique est de 28 et 30 F/g respectivement.In another example, a solution of EMImTFSI in acetonitrile (1/1 wt%) is used as the electrolyte. The glucose-based electrochemical capacitor has an electrical capacitance of 36 F/g at 0.2 A/g and the soybean-based electrochemical capacitor 39 F/g. At a current density of 30 A/g, the electrical capacitance is 28 and 30 F/g, respectively.
La figure X8 montre un diagramme de type Ragone des condensateurs électrochimiques avec les différents électrolytes. La robustesse des condensateurs électrochimiques a été testée par des cycles de longue durée à 5-10 A/g sur plus de 5 000 cycles.Figure X8 shows a Ragone type diagram of electrochemical capacitors with different electrolytes. The robustness of the electrochemical capacitors was tested by long-term cycling at 5-10 A/g for more than 5,000 cycles.
Exemple 16 Nanomatériau de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles : fabrication de carbone par un procédé de chauffage à l'air libre, mélange (éventuellement suivi d'un broyage) de la source de carbone telle que le sucre, le glucose, la mouture de soja ou la sciure, de l'agent chimique d'activation comme le K2CO3 et, optionnellement, du sel inerte comme le KCl.Example 16 Three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterial: Carbon fabrication by an open-air heating process, mixing (optionally followed by grinding) the carbon source such as sugar, glucose, soybean meal or sawdust, the activating chemical agent such as K2CO3 and, optionally, inert salt such as KCl.
Des quantités appropriées d'une source de carbone comme le sucre, le glucose, la mouture de soja, la sciure (par exemple, la sciure de pin, de cerise ou de chêne), un agent chimique d'activation comme le K2CO3 et optionnellement, un sel de type inerte ont été pesées dans un appareil à inclusion, puis ont fait l'objet d'un mélange physique qui peut impliquer un broyage mécanique et ont ensuite fait l'objet d'un transfert dans un creuset qui peut être en céramique, en acier, en acier inoxydable, etc. Sous un flux de gaz inerte (qui est également facultatif), le mélange est chauffé à une vitesse progressive inférieure à 100° C/min, éventuellement à une température de stabilisation à chaud égale ou inférieure à 700° C pendant la durée nécessaire à la carbonisation, ou directement à une température d'activation égale ou supérieure à 700° C, et il est maintenu à cette température pendant ma durée nécessaire à l'activation. Tout au long du processus de montée en puissance, la source de carbone passe par un processus de carbonisation par décomposition en CO, CO2, eau, hydrocarbures légers, et hydrocarbures lourds et huileux gluants. Au cours du processus d'activation, du CO, du CO2, de l'eau et du carbone volatils peuvent continuer à se former.Appropriate amounts of a carbon source such as sugar, glucose, soybean meal, sawdust (e.g., pine, cherry, or oak sawdust), a chemical activating agent such as K2CO3, and optionally, an inert type salt were weighed into an inclusion apparatus, then subjected to physical mixing which may involve mechanical grinding, and then transferred to a crucible which may be ceramic, steel, stainless steel, etc. Under a flow of inert gas (which is also optional), the mixture is heated at a progressive rate of less than 100°C/min, optionally to a heat stabilization temperature of 700°C or less for the time required for carbonization, or directly to an activation temperature of 700°C or more, and maintained at that temperature for the time required for activation. Throughout the ramp-up process, the carbon source goes through a carbonization process by decomposing into CO, CO2, water, light hydrocarbons, and sticky heavy and oily hydrocarbons. During the activation process, volatile CO, CO2, water and carbon can continue to form.
Après activation, le mélange est mixé avec de l'eau et, éventuellement, neutralisé avec un acide comme l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique, l'acide nitrique, l'acide phosphorique, etc. La pâte de carbone est ensuite filtrée et lavée avec de l'eau à un niveau qui a un faible niveau de conductivité électrique, par exemple, moins de 5000 μS/cm, moins de 3000 μS/cm, moins de 1000 μS/cm, et, éventuellement avec une eau déionisée ou distillée, à une conductivité inférieure à 300 μS/cm, moins de 100 μS/cm, ou même moins de 50 μS/cm. Les éléments filtrés peuvent être séchés dans un four pour éliminer l'eau.After activation, the mixture is mixed with water and, optionally, neutralized with an acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, etc. The carbon paste is then filtered and washed with water to a level that has a low level of electrical conductivity, for example, less than 5000 μS/cm, less than 3000 μS/cm, less than 1000 μS/cm, and, optionally with deionized or distilled water, to a conductivity of less than 300 μS/cm, less than 100 μS/cm, or even less than 50 μS/cm. The filtered elements can be dried in an oven to remove the water.
Les nanomatériaux de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles qui en résultent ont ensuite été caractérisés par leur teneur en oxygène, leur MEB, leur XRD, leur Raman, leur ATG-CDB, leur surface BET N2 etCO2 et la distribution de la taille des pores.The resulting three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials were then characterized by their oxygen content, SEM, XRD, Raman, TGA-CDB, BET N2 and CO2 surface area and pore size distribution.
Le tableau 5 suivant montre l'analyse élémentaire de nanomatériaux de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles, tels que le 237-8 (carbone auto-assemblé synthétisé à partir de citrate de potassium), le 237-51A (carbone auto-assemblé à partir de citrate de potassium), le SKK2 (carbone de source exogène) et des carbones commerciaux tels que le Elite C disponible chez Calgon Carbon de Pittsburgh en Pennsylvanie aux États-Unis, le YP-50 disponible chez Kruray Co. Ltd d'Osaka au Japon, le carbone noir de Ketjen est disponible auprès de Lion Specialty Chemicals Co. Ltd. de Tokyo au Japon et le Maxsorb disponible auprès de Kansai Coke and Chemicals Co. Ltd. de Hyogo au Japon.
Le tableau 6 ci-dessus montre deux groupes de carbone, dont l'un est constitué de nanomatériaux de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles, tels que le 237-8 (carbone auto-assemblé synthétisé à partir de citrate de potassium), le 237-51A (carbone exo-assemblé synthétisé à partir du glucose), le 237-101D (carbone auto-assemblé synthétisé à partir de citrate de potassium) et le SKK2 (carbone étranger synthétisé à partir de sucre) qui ont une teneur en oxygène supérieure à 1,5 % en poids, plus de 2,0 % en poids, plus de 3 % en poids ou plus de 4,0 % en poids. Les études de recherche en rayons X montrent que les matériaux en carbone du tableau ci-dessus sont tous amorphes. Les études Raman montrent que les matériaux carbonés du tableau ci-dessus sont également de nature amorphe, montrant la signature Raman du carbone amorphe diffusant à la fois au pic D et au pic G.Table 6 above shows two carbon groups, one of which is three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials, such as 237-8 (self-assembled carbon synthesized from potassium citrate), 237-51A (exo-assembled carbon synthesized from glucose), 237-101D (self-assembled carbon synthesized from potassium citrate), and SKK2 (foreign carbon synthesized from sugar), which have an oxygen content of more than 1.5 wt%, more than 2.0 wt%, more than 3 wt%, or more than 4.0 wt%. X-ray research studies show that the carbon materials in the above table are all amorphous. Raman studies show that the carbonaceous materials in the table above are also amorphous in nature, showing the Raman signature of amorphous carbon scattering at both the D and G peaks.
Le carbone poreux à parois minces interconnectées préparé est ensuite utilisé pour préparer l'immobilisation du sélénium. Des quantités appropriées de sélénium et de carbone sont mélangées ensemble comme décrit précédemment, puis le sélénium est fondu dans le carbone poreux à parois minces interconnectées en présence d'une teneur élevée en espèces d'oxygène, produisant le sélénium immobilisé de la présente invention. Il convient de se reporter à la description précédente pour le procédé de fabrication du sélénium immobilisé en présence d'une teneur élevée d'espèces d'oxygène donnant le sélénium immobilisé de la présente invention. Il convient de se reporter à la description précédente pour le procédé de fabrication du sélénium immobilisé faisant l'objet de la présente divulgation. Le sélénium immobilisé est ensuite caractérisé par les analyses de la teneur en oxygène, XRD, Raman, MEB, ATG-CDB, etc.The prepared interconnected thin-walled porous carbon is then used to prepare the selenium immobilization. Appropriate amounts of selenium and carbon are mixed together as described above, and then the selenium is melted into the interconnected thin-walled porous carbon in the presence of a high content of oxygen species, yielding the immobilized selenium of the present invention. Reference is made to the preceding description for the method of manufacturing the immobilized selenium in the presence of a high content of oxygen species to yield the immobilized selenium of the present invention. Reference is made to the preceding description for the method of manufacturing the immobilized selenium subject of the present disclosure. The immobilized selenium is then characterized by the analyses of oxygen content, XRD, Raman, SEM, TGA-CDB, etc.
Tableau d'analyse de la teneur en oxygène du sélénium immobilisé dans des nanomatériaux de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles qui a une teneur en oxygène supérieure à 1,5 % en poids, supérieure à 2,0 % en poids, supérieure à 3 % en poids ou supérieure à 4,0 % en poids par rapport au composite carbone-sélénium immobilisé qui est préparé avec des carbones commerciaux qui ont une teneur en oxygène inférieure à 1,5 %, inférieure à 2,0 % en poids, inférieure à 3 % en poids ou inférieure à 4,0 % en poids.
ID
ID
Le tableau 7 ci-dessus montre deux groupes différents de sélénium immobilisé : un groupe (appelé groupe I, à savoir Ketjen 600JD, 237-8, 237-51A, 237-67, 237-10ID et SKK-2) ayant une teneur en oxygène qui est approximativement la moitié de la teneur en oxygène des nanomatériaux de carbone poreux à paroi mince interconnectés en trois dimensions, allant de 1 % à 10 %, de 1,5 à 9 %, ou de 2 à 8 %, un autre groupe (appelé groupe II, à savoir Elite C et Maxsorb MSP20X) ayant une teneur en oxygène qui est au moins cinq fois supérieure à la teneur en oxygène du carbone, ou supérieure à 8 %, supérieure à 9 %, ou supérieure à 10 %. Il convient de noter que le carbone de Ketjun est un carbone non poreux, dont le composite carbone-sélénium est considéré comme du sélénium non immobilisé ; sa teneur en oxygène reste donc très faible, inférieure à 1 %.Table 7 above shows two different groups of immobilized selenium: one group (referred to as Group I, namely Ketjen 600JD, 237-8, 237-51A, 237-67, 237-10ID, and SKK-2) having an oxygen content that is approximately half the oxygen content of the three-dimensionally interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials, ranging from 1% to 10%, 1.5% to 9%, or 2% to 8%, and another group (referred to as Group II, namely Elite C and Maxsorb MSP20X) having 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%. It should be noted that Ketjun carbon is a non-porous carbon, whose carbon-selenium composite is considered as non-immobilized selenium; its oxygen content therefore remains very low, less than 1%.
Les espèces d'oxygène du groupe I du sélénium immobilisé peuvent jouer des rôles critiques en tant que groupes chimiques interfaciaux dans l'immobilisation du sélénium, permettant de fortes interactions entreGroup I oxygen species of immobilized selenium may play critical roles as interfacial chemical groups in selenium immobilization, enabling strong interactions between
le carbone et le sélénium, ce qui entraîne un tassement plus serré des atomes ou des espèces de sélénium à l'intérieur des pores des nanomatériaux de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles, tel que mis en évidence par une fréquence de collision accrue, comme le montrent les exemples de la présente divulgation. Ces interactions entre le squelette du carbone et les atomes de sélénium ou les espèces chimiques de sélénium, peuvent également être mises en évidence par une densité intrinsèque plus élevée.carbon and selenium, resulting in tighter packing of selenium atoms or species within the pores of the three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials, as evidenced by an increased collision frequency, as shown in the examples of the present disclosure. These interactions between the carbon skeleton and the selenium atoms or selenium chemical species, may also be evidenced by a higher intrinsic density.
Par exemple, un échantillon de sélénium immobilisé qui est fabriqué à partir de nanomatériaux de carbone poreux à parois minces interconnectées tridimensionnelles, par exemple du carbone auto-assemblé synthétisé à partir de citrate de potassium, dans un rapport de 50-50 (en poids) entre le carbone et le sélénium. Il a été surprenant de découvrir que sa densité était de 3,42 g/cm3. Il convient de noter que le sélénium a une densité de 4,819 g/cm3. En utilisant 4,819 g/cm3, la densité du carbone dans le composite du sélénium immobilisé est calculée à environ 2,8 g/cm3. Il convient également noter que le diamant a une densité de 3,5 g/cm3, le graphite a une densité d'environ 2,3 g/cm3 et le carbone amorphe a une densité typique d'environ 2,0 g/cm3.For example, a sample of immobilized selenium that is made from three-dimensional interconnected thin-walled porous carbon nanomaterials, for example self-assembled carbon synthesized from potassium citrate, in a 50-50 ratio (by weight) of carbon to selenium. It was surprising to find that its density was 3.42 g/cm3. It is worth noting that selenium has a density of 4.819 g/cm3. Using 4.819 g/cm3, the density of carbon in the immobilized selenium composite is calculated to be about 2.8 g/cm3. It is also worth noting that diamond has a density of 3.5 g/cm3, graphite has a density of about 2.3 g/cm3, and amorphous carbon has a typical density of about 2.0 g/cm3.
Le sélénium immobilisé est ensuite utilisé pour fabriquer une cathode d'une batterie rechargeable en mélangeant des quantités appropriées de sélénium immobilisé, un milieu aqueux ou organique et au moins un liant, comme décrit précédemment, suivi d'un revêtement sur un collecteur de charge, par exemple une feuille d'aluminium, ce qui donne une cathode comprenant du sélénium immobilisé. Il convient de se reporter à la description précédente pour le processus de fabrication d'une cathode comprenant du sélénium immobilisé dans la présente divulgation.The immobilized selenium is then used to make a cathode of a rechargeable battery by mixing appropriate amounts of immobilized selenium, an aqueous or organic medium and at least one binder, as described above, followed by coating on a charge collector, for example aluminum foil, resulting in a cathode comprising immobilized selenium. Reference is made to the preceding description for the process of making a cathode comprising immobilized selenium in the present disclosure.
La cathode ainsi obtenue, composée de sélénium immobilisé, est ensuite utilisée pour assembler une batterie rechargeable avec une anode, par exemple, du lithium, un séparateur, un électrolyte. Il convient de se reporter à la description précédente pour le processus d'assemblage d'une batterie rechargeable comprenant une cathode comportant du sélénium immobilisé dans la présente divulgation.The thus obtained cathode, composed of immobilized selenium, is then used to assemble a rechargeable battery with an anode, for example, lithium, a separator, an electrolyte. Reference is made to the preceding description for the process of assembling a rechargeable battery comprising a cathode comprising immobilized selenium in the present disclosure.
L'échantillon de carbone ainsi obtenu peut être utilisé dans un processus de fabrication d'électrodes pour un condensateur ou pour une batterie rechargeable.The carbon sample thus obtained can be used in a process of manufacturing electrodes for a capacitor or for a rechargeable battery.
Les exemples ont été décrits en se référant aux chiffres qui les accompagnent. Des modifications et des altérations seront apportées aux autres à la lecture et à la compréhension des exemples précédents. En conséquence, les exemples précédents ne doivent pas être interprétés comme limitant la divulgation.The examples have been described by reference to the figures accompanying them. Modifications and alterations will be made to others upon reading and understanding the preceding examples. Accordingly, the preceding examples should not be construed as limiting the disclosure.
Claims (20)
(a) former un mélange comprenant du sélénium et un carbone poreux auto-assemblé ;
(b) chauffer le mélange de l’étape a) à une température supérieure à la température de fusion du sélénium ; et
(c) refroidir le mélange chauffé à l’étape (b) jusqu’à la température ambiante, formant ainsi le corps de sélénium immobilisé,
dans lequel le carbone auto-assemblé est fabriqué par un procédé qui comprend :
la carbonisation d’un sel par fusion jusqu’à ce que la sursaturation des anions dans la matière fondue forme un sel cristallisé dans la masse fondue ;
augmenter la viscosité de la masse fondue jusqu’à ce que la masse fondue recouvre les surfaces des cristallites du sel cristallisé ; et
solidifier le carbone dans la masse fondue à la surface des cristallites.A process for preparing an immobilized selenium body comprising:
(a) forming a mixture comprising selenium and a self-assembled porous carbon;
(b) heating the mixture of step (a) to a temperature above the melting temperature of selenium; and
(c) cooling the mixture heated in step (b) to room temperature, thereby forming the immobilized selenium body,
wherein the self-assembled carbon is manufactured by a process which comprises:
the carbonization of a salt by fusion until supersaturation of the anions in the melt forms a crystallized salt in the melt;
increasing the viscosity of the melt until the melt covers the surfaces of the crystallites of the crystallized salt; and
solidify the carbon in the melt on the surface of the crystallites.
- de l’acide nitrique ;
- du peroxyde d’hydrogène ;
- un peroxyde organique ;
- de l’oxygène ; et/ou
- de l’ozone.
- nitric acid;
- hydrogen peroxide;
- an organic peroxide;
- oxygen; and/or
- ozone.
- du persulfate d’ammonium ;
- du persulfate de sodium ;
- du persulfate de potassium ;
- un sel de manganèse ;
- un sel de vanadium ; et/ou
- un sel de chrome.
- ammonium persulfate;
- sodium persulfate;
- potassium persulfate;
- a manganese salt;
- a vanadium salt; and/or
- a chromium salt.
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