用于锂硫电池的碳气凝胶基阴极.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113660999A(43)申请公布日2021.11.16(21)申请号202080026962.8(74)专利代理机构北京康信知识产权代理有限(22)申请日2020.03.22责任公司11240代理人殷爽(30)优先权数据62/822,6982019.03.22US(51)Int.Cl.B01D61/00(2006.01)(85)PCT国际申请进入国家阶段日B01D67/00(2006.01)2021.09.30(86)PCT国际申请的申请数据PCT/US2020/0241132020.03.22(87)PCT国际申请的公布数据WO2020/198095EN2020.10.01(71)申请人思攀气凝胶公司地址美国马萨诸塞州(72)发明人尼古拉斯·扎菲罗普洛斯乔治·古尔德权利要求书3页说明书19页附图12页(54)发明名称用于锂硫电池的碳气凝胶基阴极(57)摘要本发明涉及纳米多孔碳基支架或结构，并且具体地涉及碳气凝胶及它们的制造和其用途。实施方式包括在锂‑硫电池内的硫掺杂的阴极材料，其中阴极无集流体并且由不含粘合剂的整体聚酰亚胺衍生的碳气凝胶形成。碳气凝胶包括围绕元素硫并在转化为硫化锂期间适应硫的膨胀的孔。阴极和下面的碳气凝胶为在锂‑硫电池内使用提供了最佳性能。CN113660999ACN113660999A权利要求书1/3页1.一种硫掺杂的纳米多孔碳材料，包括孔结构，所述孔结构包括纤维状形态并且围绕元素硫的孔阵列。2.一种硫掺杂的纳米多孔碳材料，包括：包含纤维状形态的孔结构；至少约0.2GPa的杨氏模量；以及约0.10g/cc与约1.5g/cc之间的密度。3.一种掺杂有硫的纳米多孔碳材料，包括：包含纤维状形态的孔结构；至少约1S/cm的电导率；以及约0.10g/cc与约1.5g/cc之间的密度。4.根据权利要求1和/或权利要求2所述的纳米多孔碳材料，其中所述碳材料具有至少约1S/cm的电导率。5.根据权利要求1和/或权利要求3所述的纳米多孔碳材料，其中所述碳材料具有至少约0.2GPa的杨氏模量。6.根据权利要求1至5中任一项或多项所述的纳米多孔碳材料，其中所述纳米多孔碳材料包含碳气凝胶。7.根据权利要求6所述的纳米多孔碳材料，其中所述碳材料包含聚酰亚胺衍生的碳气凝胶。8.根据权利要求6和/或权利要求7所述的纳米多孔碳材料，其中所述碳气凝胶为整体式或粉末形式。9.根据权利要求8所述的纳米多孔碳材料，其中整体式碳气凝胶基本上或完全不含粘合剂。10.根据权利要求6和/或权利要求7所述的纳米多孔碳材料，其中整体式碳气凝胶具有约10μm与约1000μm之间的厚度。11.根据权利要求1至10中任一项或多项所述的纳米多孔碳材料，其中所述孔结构的特征在于孔围绕硫。12.根据权利要求11所述的纳米多孔碳材料，其中所述孔形成围绕硫的互连结构，其特征在于硫与其中包围所述硫的每个孔的孔壁之间存在多个连接点。13.根据权利要求1至12中任一项或多项所述的纳米多孔碳材料，其中所述碳材料掺杂有按所述碳材料的重量计约5％至90％的硫。14.根据权利要求1至13中任一项或多项所述的纳米多孔碳材料，其中所述碳材料具有至少0.3cc/g的孔体积。15.根据权利要求1至14中任一项或多项所述的纳米多孔碳材料，其中所述碳材料具有约10％与约90％之间的孔隙率。16.根据权利要求1至15中任一项或多项所述的纳米多孔碳材料，其中所述碳材料具有约800mAh/g与约1700mAh/g之间的容量。17.根据权利要求1至16中任一项或多项所述的纳米多孔碳材料，其中所述孔结构包括约50nm或以下的半峰全宽。18.根据权利要求1至17中任一项或多项所述的纳米多孔碳材料，其中所述孔结构包括2CN113660999A权利要求书2/3页约100nm或以下的分布最大峰值处的孔径。19.根据权利要求1至18中任一项或多项所述的纳米多孔碳材料，其中所述纳米多孔碳材料的纤维状形态包括约2至10nm的平均支柱宽度。20.一种由纳米多孔碳材料形成的含硫的、整体式聚酰亚胺衍生的碳气凝胶复合材料，其中所述复合材料不含粘合剂并且其中元素硫被包围在整体式聚酰亚胺衍生的碳气凝胶复合材料的孔内。21.一种用于锂硫电池的无集流体、无粘合剂、互连的阴极材料，包含具有纤维状网络和孔阵列的开孔、整体式、聚酰亚胺衍生的纳米多孔碳气凝胶；和被所述孔阵列包围的元素硫。22.一种包含前述权利要求1至20中任一项或多项所述的纳米多孔碳材料的电极。23.根据权利要求22所述的电极，其中所述电极是阴极。24.根据权利要求23所述的电极，其中所述阴极没有明显的集流体。25.一种电化学电池，包含前述权利要求1至20中任一项或多项所述的纳米多孔碳材料。26.一