本公開內(nèi)容涉及電極活性材料和電池系統(tǒng)，其特征在于電極包含有機(jī)硫氧化還原活性聚合物和基體。特別地，本公開內(nèi)容涉及s-連接的醌聚合物、硫化的碳基體和相關(guān)的復(fù)合材料、組合物、電極材料、電極、電化學(xué)單電池(electrochemical?cell)、電池(battery)、方法和系統(tǒng)，其可以用于改善電化學(xué)單電池和電池性能。

背景技術(shù)：

1、性能、經(jīng)濟(jì)性和安全已成為改善電極活性材料和電池技術(shù)的各種努力的中心。

2、然而，盡管近年來取得了進(jìn)展，但對(duì)于高可靠性、高容量、長壽命、廉價(jià)和/或安全的能量儲(chǔ)存裝置的生產(chǎn)仍具有挑戰(zhàn)性，尤其是關(guān)于大規(guī)模應(yīng)用中，例如在電動(dòng)車輛、支持可再生發(fā)電的公用電網(wǎng)儲(chǔ)存或全家庭備用電池裝置中的電池。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本文描述了s-連接的醌聚合物、硫化的碳基體和相關(guān)的復(fù)合材料、組合物、電極材料、電極、電化學(xué)單電池、電池、方法和系統(tǒng)，其在幾個(gè)實(shí)施方案中允許生產(chǎn)高性能氧化還原活性材料，所述高性能氧化還原活性材料可以用作具有非水電解質(zhì)的高容量、高能量密度、安全、良好循環(huán)穩(wěn)定性和長壽命電化學(xué)單電池和電池中的陰極活性材料。

2、根據(jù)第一方面，描述了s-連接的醌聚合物，其中s-連接的醌聚合物為由式(i)表示的s-連接的醌均聚物

3、-[m-sp]-m

4、(i)

5、其中

6、m為氧化還原活性單體醌部分，其在標(biāo)準(zhǔn)條件下相對(duì)于li/li+電極電勢(shì)的氧化還原電勢(shì)為0.5v至3.5v，其中測量所有電勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn)條件是在298k、1個(gè)大氣壓和1m溶液下。

7、p指連接氧化還原活性單體醌部分m的硫原子的數(shù)量，p的范圍為1至5，

8、當(dāng)p為1時(shí)，sp為硫化物，或者當(dāng)p為2至5時(shí)，sp為多硫化物，

9、m的范圍為5至10,000，

10、其中s-連接的醌聚合物具有至少1,000道爾頓的重均分子量，以及在21℃下在1個(gè)大氣壓下等于或小于1.0微克/ml的在四氫呋喃(thf)中的溶解度。

11、根據(jù)第二方面，描述了s-連接的醌聚合物，其中s-連接的醌共聚物由式(ii)表示

12、-[m1-sp1]m1-co-[m2-sp2]-m2

13、(ii)

14、其中

15、m1和m2各自為氧化還原活性單體醌部分，其包括在標(biāo)準(zhǔn)條件下相對(duì)于li/li+電極電勢(shì)為0.5v至3.5v的氧化還原電勢(shì)，

16、p1和p2各自獨(dú)立地指分別連接氧化還原活性單體醌部分m1和單體醌部分m2的硫原子的數(shù)量，p1和p2的范圍各自獨(dú)立地為1至5，當(dāng)p1為1時(shí)，sp1為硫化物，或者當(dāng)p1為2至5時(shí)，sp1為多硫化物，

17、當(dāng)p2為1時(shí)，sp2為硫化物，或者當(dāng)p2為2至5時(shí)，sp2為多硫化物，

18、m1和m2的范圍各自獨(dú)立地為5至5,000，任選地m1與m2的比率的范圍為1:50至1:1、1:20至1:2、1:6至1:3、或1:5至1:4，

19、其中式(ii)的s-連接的醌共聚物具有范圍為1,000道爾頓至2,000,000道爾頓的重均分子量，以及在21℃下在1個(gè)大氣壓下等于或小于1.0微克/ml的在四氫呋喃(thf)中的溶解度。

20、根據(jù)第三方面，描述了硫化的碳基體，其中硫化的碳基體由式(v)表示，其中q為鍵合的sp2碳原子(c)或氮(n)，其中表示單鍵或雙鍵，sp表示多硫化物并且p的范圍為2至8，其中硫化的碳基體具有范圍為2000道爾頓至2,000,000道爾頓的重均mw，

21、

22、其中硫化的碳基體具有基于硫化的碳基體的總重量等于或大于5重量％且小于20重量％、等于或大于20重量％且小于40重量％、等于或大于40重量％小于60重量％、等于或大于60重量％小于70重量％、等于或大于70重量％小于80重量％的硫含量。

23、根據(jù)第四方面，描述了氧化還原活性組合物，其包含一種或更多種本文所述的s-連接的醌聚合物、一種或更多種本文所述的硫化的碳基體或其任意組合、以及添加劑。

24、根據(jù)第五方面，描述了氧化還原活性復(fù)合材料，該復(fù)合材料包含至少一種本文所述的s-連接的醌聚合物和至少一種本文所述的硫化的碳基體。

25、根據(jù)第六方面，描述了陰極材料，其中該陰極材料包含本文所述的任何氧化還原活性組合物和/或任何氧化還原活性復(fù)合材料。特別地，在一些實(shí)施方案中，本文所述的陰極材料包括選自s-連接的醌均聚物、s-連接的醌共聚物及其任意組合的s-連接的醌聚合物，以及本文所述的硫化的碳基體，其中s-連接的醌聚合物與硫化的碳基體的重量比的范圍為20:1至1:20、10:1至1:10、9:1至3:2或6:1至2:1，或者為1:1。

26、根據(jù)第七方面，描述了提供陰極材料的方法和系統(tǒng)。該方法包括將本文所述的至少一種s-連接的醌聚合物、至少一種硫化的碳基體或其任意組合、以及任選地添加劑組合，以提供被配置成能夠?qū)崿F(xiàn)與電化學(xué)單電池的非水電解質(zhì)的充分接觸以及導(dǎo)電性的氧化還原組合物和/或氧化還原復(fù)合材料。該系統(tǒng)包括本文所述的至少一種s-連接的醌聚合物、硫化的碳基體、以及任選地添加劑用于組合使用，以提供根據(jù)本文所述第七方面的陰極材料。

27、根據(jù)第八方面，本文描述提供陰極材料的方法和系統(tǒng)。該方法包括

28、提供至少一種s-連接的醌聚合物，其選自一種或更多種s-連接的醌均聚物、一種或更多種s-連接的醌共聚物及其任意組合；以及

29、提供至少一種硫化的碳基體。

30、本文所述的提供陰極材料的方法還包括

31、將至少一種s-連接的醌聚合物和至少一種硫化的碳基體組合以提供本文所述的陰極材料。

32、該系統(tǒng)包括

33、至少一種s-連接的醌聚合物，其選自一種或更多種s-連接的醌均聚物、一種或更多種s-連接的醌共聚物及其任意組合；和

34、至少一種硫化的碳基體；

35、用于在根據(jù)本文所述第八方面的提供陰極材料的方法中組合使用。在一些實(shí)施方案中，將至少一種s-連接的醌聚合物和至少一種硫化的碳基體混合在一起。此外，或者替代地在一些實(shí)施方案中，至少一種s-連接的醌聚合物和至少一種硫化的碳基體可以以允許至少一種s-連接的醌聚合物與至少一種硫化的碳基體之間電連接的任何配置組合，以及當(dāng)陰極材料包含在電化學(xué)單電池中時(shí)，所述配置能夠與非水電解質(zhì)接觸。

36、在優(yōu)選的實(shí)施方案中，進(jìn)行組合以提供本文所述的陰極材料，其中s-連接的醌聚合物與硫化的碳基體的重量比的范圍為20:1至1:20、10:1至1:10、9:1至3:2、或6:1至2:1，或者為1:1。

37、根據(jù)第九方面，描述了電化學(xué)單電池。電化學(xué)單電池包括陽極、陰極和非水電解質(zhì)，其中陰極電極包含本文所述的陰極材料。在優(yōu)選實(shí)施方案中，陽極包含鋰陽極材料、或鉀陽極材料、或鈉陽極材料或其組合，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的。

38、在一些實(shí)施方案中，所描述的陰極材料包含鋰和鈉，li與na的摩爾比的范圍為1:10至10:1、4:6至6:4，或者為1:1。

39、在一些實(shí)施方案中，所描述的陰極材料包含鋰和鉀，li與k的摩爾比的范圍為1:10至10:1、4:6至6:4，或者為1:1。

40、在一些實(shí)施方案中，所描述的陰極材料包含鈉和鉀，na與k的摩爾比的范圍為1:10至10:1、4:6至6:4，或者為1:1。

41、根據(jù)第十方面，本文描述了電化學(xué)單電池，該電化學(xué)單電池包括陽極、陰極和非水電解質(zhì)，其中陰極電極包含單獨(dú)或者與本文所述的硫化的碳基體和/或氧化還原活性復(fù)合材料組合的一種或更多種本文所述的s-連接的醌聚合物。

42、根據(jù)第十一方面，描述了方法和系統(tǒng)以提供本文所述的電化學(xué)單電池。該方法包括將陽極電極與陰極電極組合，所述陰極電極包含本文所述的任何陰極材料，并且特別是單獨(dú)或者與本文所述的硫化的碳基體和/或氧化還原活性復(fù)合材料組合的一種或更多種本文所述的s-連接的醌聚合物。

43、該系統(tǒng)包括本文所述的陰極材料中的任一者與陽極材料的組合，用于在提供本文所述的電化學(xué)單電池的方法中組合使用。

44、在根據(jù)第十一方面的方法和系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案中，陽極包括鋰材料。

45、根據(jù)第十二方面，描述了電池，該電池包括至少一個(gè)本文所述的電化學(xué)單電池。

46、根據(jù)第十三方面，描述了用于制備s-連接的醌均聚物的方法和系統(tǒng)。

47、該方法包括

48、提供氧化還原活性單體醌單體x1-m-x2，其中x1和x2代表離去基團(tuán)，

49、提供硫化物sp源，

50、使氧化還原活性單體醌單體x1-m-x2與硫化物sp源在合適的條件下接觸并持續(xù)足夠的一段時(shí)間，以提供由式(i)表示的s-連接的醌聚合物

51、-[m-sp]-m

52、(i)

53、其中

54、m為氧化還原活性單體醌部分，其在標(biāo)準(zhǔn)條件下相對(duì)于li/li+電極電勢(shì)的氧化還原電勢(shì)為0.5v至3.5v，

55、p指連接氧化還原活性單體醌部分m的硫原子的數(shù)量，p的范圍為1至5，

56、當(dāng)p為1時(shí)，sp為硫化物，或者當(dāng)p為2至5時(shí)，sp為多硫化物，

57、m的范圍為5至10,000，

58、其中s-連接的醌聚合物具有至少1,000道爾頓的重均分子量，以及在21℃下在1個(gè)大氣壓下等于或小于1.0微克/ml的在四氫呋喃(thf)中的溶解度。

59、該系統(tǒng)包含氧化還原活性單體醌單體x1-m-x2(其中x1和x2代表離去基團(tuán))和硫化物sp源，用于在所描述的制備s-連接的醌聚合物的方法中組合使用。

60、根據(jù)第十四方面，描述了用于制備s-連接的醌共聚物的方法和系統(tǒng)。用于制備s-連接的醌共聚物的方法包括

61、提供氧化還原活性單體醌單體x1-m1-x2和氧化還原活性單體醌單體x1-m2-x2，其中x1和x2代表離去基團(tuán)，

62、提供硫化物sp1和sp2的源，

63、使氧化還原活性單體醌單體x1-m1-x2和氧化還原活性單體醌單體x1-m2-x2與硫化物sp1和sp2的源在合適的條件下接觸并持續(xù)足夠的一段時(shí)間，以提供由式(ii)表示的s-連接的醌共聚物

64、-[m1-sp1]m1-co-[m2-sp2]-m2

65、(ii)

66、其中

67、m1和m2各自為氧化還原活性單體醌部分，其包括在標(biāo)準(zhǔn)條件下相對(duì)于li/li+電極電勢(shì)為0.5v至3.5v的氧化還原電勢(shì)，

68、p1和p2各自獨(dú)立地指分別連接氧化還原活性單體醌部分m1和單體醌部分m2的硫原子的數(shù)量，p1和p2的范圍各自獨(dú)立地為1至5，當(dāng)p1為1時(shí)，sp1為硫化物，或者當(dāng)p1為2至5時(shí)，sp1為多硫化物，

69、當(dāng)p2為1時(shí)，sp2為硫化物，或者當(dāng)p2為2至5時(shí)，sp2為多硫化物，

70、m1和m2的范圍各自獨(dú)立地為5至5,000，任選地m1與m2的比率的范圍為1:50至1:1、1:20至1:2、1:6至1:3、或1:5至1:4，

71、其中式(ii)的s-連接的醌共聚物具有范圍為1,000道爾頓至2,000,000道爾頓的重均分子量，以及在21℃下在1個(gè)大氣壓下等于或小于1.0微克/ml的在四氫呋喃(thf)中的溶解度。

72、該系統(tǒng)包括

73、-氧化還原活性單體醌單體x1-m1-x2和氧化還原活性單體醌單體x1-m2-x2，其中x1和x2代表離去基團(tuán)，和

74、硫化物sp1和sp2的源，

75、用于在所描述的用于制備s-連接的醌共聚物的方法的任一者中組合使用。

76、在幾個(gè)實(shí)施方案中，s-連接的醌聚合物、硫化的碳基體和相關(guān)的組合物、復(fù)合材料、電極材料、電極、電化學(xué)單電池、方法和系統(tǒng)允許提供具有高容量(對(duì)于所使用的活性材料或氧化還原活性s-連接的有機(jī)硫聚合物，至少50mah/g)、長壽命(例如，至少4年)和/或低安全危害(包括低可燃性)和低成本的電池。

77、在幾個(gè)實(shí)施方案中，本文所述的s-連接的醌聚合物、硫化的碳基體和相關(guān)的組合物、復(fù)合材料、電極材料、電極、電化學(xué)單電池、方法和系統(tǒng)允許提供具有低空間占用和低替換的電池。

78、在幾個(gè)實(shí)施方案中，本文所述的s-連接的醌聚合物、硫化的碳基體和相關(guān)的組合物、復(fù)合材料、電極材料、電極、電化學(xué)單電池、方法和系統(tǒng)允許提供相對(duì)于非水電解質(zhì)中的現(xiàn)有聚合物/金屬和硫/金屬電池具有更高容量、更長壽命的電池。

79、此外，在幾個(gè)實(shí)施方案中，本文所述的s-連接的醌聚合物、硫化的碳基體和相關(guān)的組合物、復(fù)合材料、電極材料、電極、電化學(xué)單電池、方法和系統(tǒng)允許在非水電解質(zhì)中提供相對(duì)于基于有機(jī)氧化還原活性材料的現(xiàn)有電池具有相當(dāng)或更高容量和更長壽命的li電池。

80、本文所述的s-連接的醌聚合物、硫化的碳基體和本文所述的相關(guān)復(fù)合材料、電極材料、電極、電化學(xué)單電池、方法和系統(tǒng)可以與其中期望具有高容量、長壽命、低安全危害、低空間占用和/或低替換的電化學(xué)單電池的應(yīng)用聯(lián)合使用。示例性應(yīng)用包括但不限于用于電動(dòng)車輛、電網(wǎng)存儲(chǔ)、電信、汽車起停的電池。

81、在附圖和以下描述中闡述了本公開內(nèi)容的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。根據(jù)描述和附圖以及根據(jù)權(quán)利要求書，其他特征和目的將是明顯的。