КАТОДЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНОГО АЭРОГЕЛЯ ДЛЯ ЛИТИЙ-СЕРНЫХ БАТАРЕЙ

1. Легированный серой нанопористый углеродный материал, содержащий пористую структуру, причем пористая структура содержит волокнистую морфологию и множество пор, которые окружают элементарную серу.
2. Легированный серой нанопористый углеродный материал, содержащий:
пористую структуру, содержащую волокнистую морфологию;
модуль упругости по меньшей мере приблизительно 0,2 ГПа и
3
3
плотность от приблизительно 0,10 г/см до приблизительно 1,5 г/см.
3. Нанопористый углеродный материал, легированный серой, содержащий:
пористую структуру, содержащую волокнистую морфологию;
электропроводность по меньшей мере приблизительно 1 См/см и
3
3
плотность от приблизительно 0,10 г/см до приблизительно 1,5 г/см.
4. Нанопористый углеродный материал по п.1 и/или 2, причем углеродный материал имеет электропроводность по меньшей мере приблизительно 1 См/см.
5. Нанопористый углеродный материал по п.1 и/или 3, причем углеродный материал имеет модуль упругости по меньшей мере приблизительно 0,2 ГПа.
6. Нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-5, причем нанопористый углеродный материал содержит углеродный аэрогель.
7. Нанопористый углеродный материал по п.6, причем углеродный материал содержит полученный из полиимида углеродный аэрогель.
8. Нанопористый углеродный материал по п.6 и/или 7, причем углеродный аэрогель находится в виде монолита или порошка.
9. Нанопористый углеродный материал по п.8, в котором монолитный углеродный аэрогель по существу или полностью не содержит связующее.
10. Нанопористый углеродный материал по п.6 и/или 7, в котором монолитный углеродный аэрогель имеет толщину от приблизительно 10 мкм до приблизительно 1000 мкм.
11. Нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-10, в котором пористая структура характеризуется порами, окружающими серу.
12. Нанопористый углеродный материал по п.11, в котором поры образуют взаимосвязанные структуры вокруг серы, характеризующиеся множеством точек соединения между серой и стенками пор каждой поры, которой окружена сера.
13. Нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-12, причем углеродный материал легирован приблизительно 5-90% серы по массе углеродного материала.
3
14. Нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-13, причем углеродный материал имеет объем пор по меньшей мере 0,3 см/г.
15. Нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-14, причем углеродный материал имеет пористость от приблизительно 10% до приблизительно 90%.
16. Нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-15, причем углеродный материал имеет емкость от приблизительно 800 мАч/г до приблизительно 1700 мАч/г.
17. Нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-16, в котором пористая структура содержит полную ширину при половине максимума приблизительно 50 нм или менее.
18. Нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-17, в котором пористая структура содержит размер пор при максимальном пике из распределения приблизительно 100 нм или менее.
19. Нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-18, в котором волокнистая морфология нанопористого углеродного материала содержит среднюю ширину поперечины приблизительно 2-10 нм.
20. Серосодержащий, композит монолитного полученного из полиимида углеродного аэрогеля, образованный из нанопористого углеродного материала, причем композит не содержит связующие, и причем элементарная сера окружена порами композита монолитного полученного из полиимида углеродного аэрогеля.
21. Взаимосвязанный материал катода без снимателя и без связующего для литий-серной батареи, содержащий монолитный, полученный из полиимида нанопористый углеродный аэрогель с открытыми порами, имеющий волокнистую сеть и множество пор; и элементарную серу, окруженную множеством пор.
22. Электрод, содержащий нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-20.
23. Электрод по п.22, причем электрод представляет собой катод.
24. Электрод по п.23, в котором катод не содержит отдельный токосниматель.
25. Электрохимический элемент, содержащий нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-20.
26. Электрохимический элемент, содержащий электрод по любому из пп.22-24.
27. Аккумулятор, содержащий нанопористый углеродный материал по любому из пп.1-20.
28. Аккумулятор, содержащий электрохимический элемент по п.25 и/или 26.
29. Аккумулятор по п.27 или 28, причем аккумулятор представляет собой батарею.
30. Аккумулятор по п.29, в котором батарея представляет собой литий-серную батарею.
31. Способ образования непрерывного пористого углерод-серного композита, причем способ предусматривает:
обеспечение предшественника полиимида;
имидизацию предшественника полиимида химически или термически;
сушку имидизированной смеси с получением непрерывного пористого полиимида;
пиролиз пористого полиимида с получением непрерывного пористого углерода и
включение серы на непрерывный пористый углерод или в него с получением непрерывного пористого серосодержащего композита, который содержит более 0% и менее чем приблизительно 95% по массе серы и имеет пористость от приблизительно 10% до приблизительно 90%.
32. Способ по п.31, в котором пористый углерод-серный композит представляет собой монолит.
33. Способ по п.31, в котором пористый углерод-серный композит представляет собой отдельную структуру.
34. Способ по п.31, в котором пористый углерод-серный композит получают на подложке.
35. Способ по любому из пп.31-34, в котором пористый углерод-серный композит армируют нетканым материалом.
36. Способ по любому из пп.31-34, в котором пористый углерод-серный композит армируют тканым материалом.
37. Способ по любому из пп.31 или 34-36, в котором пористый углерод-серный композит микронизируют с получением порошка.
38. Способ по любому из пп.31-37, в котором композит полиимидного влажного геля сушат при помощи докритического и/или сверхкритического диоксида углерода с получением пористого полиимида.
39. Способ по любому из пп.31-38, в котором композит содержит аэрогель.
40. Способ по любому из пп.31-39, в котором максимальная температура пиролиза составляет от приблизительно 750°C до приблизительно 1600°C.
41. Способ по п.40, в котором пористый углерод-серный композит графитизируют до приблизительно 3000°C.
42. Способ по любому из пп.31-39, в котором пористый полиимид сдавливают, предпочтительно однонаправленно, для повышения плотности.
43. Способ по п.42, в котором пористый полиимид сдавливают до приблизительно 95% деформации.
3
44. Способ по п.42, в котором пористый углерод-серный композит имеет плотность, доводимую до приблизительно 1,5 г/см, на основе величины сдавливания.
45. Способ по любому из пп.31-44, в котором серу включают на непрерывный пористый углерод или в него инфузией расплава.
46. Способ по любому из пп.31-45, в котором серу включают на непрерывный пористый углерод или в него путем поверхностной обработки непрерывного пористого углерода химическими функциональными группами с аффинностью к сере и полисульфидам.
47. Способ по любому из пп.31-46, в котором предшественник полиимида содержит диамин и диангидрид в подходящем растворителе.
48. Способ по п.47, в котором по меньшей мере один из диамина и диангидрида содержит ароматическую группу.
49. Способ по п.47 и/или 48, в котором подходящий растворитель содержит полярный, апротонный растворитель.