[发明专利]含硫纳米多孔材料、纳米粒子、方法和应用

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年11月9日提交的、名称为《用于锂电池的纳米复合材料——装置、方法和应用》、申请号为61/411,645的美国临时专利申请的优先权，其全部内容在此参考并入。

背景技术

发明领域

实施方式一般地涉及含硫的纳米多孔材料和纳米粒子。更具体地，实施方式涉及含硫的纳米多孔材料、纳米粒子、方法和应用。

背景技术的描述

在二次锂电池的阴极材料中，元素硫具有非常高的理论容量，针对锂为1672mAhg^-1，其大大超越了多种在商业上使用的过渡金属磷酸盐和过渡金属氧化物。此外，元素硫作为二次锂电池的阴极材料还具有若干其他优势，特别包括低成本和广泛易得。随后将硫作为二次锂电池的阴极材料对其进行了广泛的研究，人们认为硫是有希望用于电动和混合动力汽车中的二次锂电池阴极材料的候选物。

尽管是有希望的，但是实现将Li-S二次电池系统用于高功率应用由于种种原因一直是个问题。因此，人们需要开发方法和材料以使得硫在Li-S二次电池系统中作为阴极材料的优势得到更加充分的体现。

发明概述

实施方式提供了含硫的纳米多孔材料和纳米粒子，以及制备含硫的纳米多孔材料和纳米粒子的方法。根据实施方式的含硫纳米多孔材料和纳米粒子可以用作锂离子电池阴极内的活性材料(或活性材料的来源)以提供具有增强的性能和性质的锂硫二次电池系统。除了依据实施方式的含硫纳米多孔材料和纳米粒子以及制备含硫纳米多孔材料和纳米粒子的方法以外，所得到的掺入了含硫纳米粒子的阴极和锂离子电池也包括在实施方式内。

根据一个特定的实施方式，纳米粒子提供了一种灌注硫材料的碳材料形状的纳米粒子(即，通常是中空的球体)，其可以依据模板纳米粒子通过碳前驱体的热解，随后将模板纳米粒子溶解并用硫材料灌注剩余的中空碳材料形状材料来制备。当作为活性材料掺入到锂硫电化学电池中使用的阴极时，在重复电池充电循环和放电循环达至少约100次后，这些特定的纳米粒子提供的循环伏安图显示了稳定的两步氧化过程和稳定的两步还原过程(即，稳定的两步氧化过程和稳定的两步还原过程旨在显示无明显的电压偏移(即，小于约0.2伏)或峰高变化(即，小于约20％的变化))。

根据与前述特定纳米粒子相关的实施方式，纳米多孔材料还可以包括更大的“块体”(即，至少为毫米尺寸，通常甚至至少为厘米尺寸和大于厘米尺寸)纳米多孔碳材料形状材料，其同样灌注了硫。可以将这种更大的“块体”灌注硫材料的纳米多孔碳材料形状材料研磨成纳米粒子，如上所述，当所述纳米粒子作为活性材料掺入到锂硫电化学电池中使用的阴极时，其提供的循环伏安图显示了稳定的两步氧化过程和稳定的两步还原过程。因此，该特定的第一个实施方式计划首先形成适宜尺寸的碳材料形状纳米粒子，然后再灌注所需的硫材料。该特定的第一个实施方式还计划首先用所需的硫材料灌注更大的“块体”纳米多孔碳材料形状材料，然后再将其研磨成所需的最终产物灌注硫的碳材料形状纳米粒子。

另一个特定实施方式提供了一种金属氧化物核纳米粒子，其与硫化的聚多烯聚合物材料和离子导电聚合物材料壳结合。当作为活性材料掺入到锂硫电化学电池中使用的阴极时，这些特定的纳米粒子在锂硫电化学电池充电和放电循环的环境中也显示出增强的电化学性能。

根据实施方式的特定纳米粒子包括碳材料支撑物。特定纳米粒子还包括支撑在碳材料支撑物上的硫材料。锂硫电池的循环伏安图在约2.4伏处显示出稳定的还原峰，所述锂硫电池阴极内包含所述纳米粒子作为活性材料。

根据实施方式的特定纳米多孔材料包括块体碳材料支撑物。依据实施方式的这种特定纳米多孔材料还包括支撑在块体碳材料支撑物上的硫材料。锂硫电池的循环伏安图在约2.4伏处显示出稳定的还原峰，所述锂硫电池阴极内包含来自所述纳米多孔材料的纳米粒子。

根据实施方式的制备特定前述纳米粒子的特定方法包括在温度至少约450摄氏度和压力至少约2个大气压的条件下将硫材料源灌注到多孔碳材料支撑物中以提供一种灌注硫的多孔碳材料支撑物。

根据实施方式的制备纳米粒子的另一个特定方法包括在温度至少约450摄氏度和压力至少约2个大气压的条件下用硫材料源灌注块体多孔碳材料支撑物中以提供一种灌注硫的块体多孔碳材料支撑物。这种其他特定方法还包括将所述灌注硫的块体多孔碳材料支撑物研磨以形成所述纳米粒子。