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WO2024231267A1 - Process for producing sulfur-carbon composites - Google Patents

Process for producing sulfur-carbon composites Download PDF

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WO2024231267A1
WO2024231267A1 PCT/EP2024/062241 EP2024062241W WO2024231267A1 WO 2024231267 A1 WO2024231267 A1 WO 2024231267A1 EP 2024062241 W EP2024062241 W EP 2024062241W WO 2024231267 A1 WO2024231267 A1 WO 2024231267A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sulfur
carbon
extruder
process according
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
PCT/EP2024/062241
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Barbara Milow
Marina Schwan
Jessica Kröner
Ida Milow
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of WO2024231267A1 publication Critical patent/WO2024231267A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys

Definitions

  • the invention relates to a process for producing sulfur-carbon composites, in particular sulfur-carbon aerogel composites, which are produced by extrusion.
  • sulfur is an electrochemically active material.
  • sulfur is known to exist as crown-shaped cyclooctasulphur (a - S8).
  • a - S8 the orthorhombic sulfur
  • a - S8 is converted into monoclinic ß-sulfur; this melts at 119.6 °C (Meyer B (1976) Elemental sulfur. Chem. Rev. 76: 367. D01 : 10.1021/cr60301a003).
  • the melt viscosity increases abruptly due to radical ring-opening polymerization.
  • Sulfur-carbon composites can also be produced using melt infiltration. For this, a sulfur-carbon mixture is brought to the melting temperature or higher and held at this temperature for several hours.
  • T 280 °C, holding time 12 hours
  • DOI 10.1039/C5RA01436K]
  • T 150-300°C
  • EP 2 966 708 Bl also describes a combination of carbon material with sulfur in an extruder. This is also not a microporous carbon. The aim of the process is to mix sulfur and carbon material with an ion-conductive polymer binder and not to infiltrate the sulfur into the pores of the porous carbon material.
  • the object of the present invention in view of the aforementioned prior art relates to the optimization of the production of sulfur-carbon composites, in particular sulfur-carbon aerogel composites, in particular to significantly increase the material throughput and at the same time to improve the duration and energy consumption, in particular the infiltration of the sulfur into the micropores of the carbon material. Temperature also plays an important role here. To melt the sulfur, as described in the previous applications, a temperature of 115 °C is sufficient; therefore, these processes are carried out at well below 200 °C.
  • the invention relates to a batch or continuous process for producing a sulfur-carbon composite in which the sulfur is incorporated into micropores of the carbon, in particular a carbon aerogel. This is not possible with the previously known processes.
  • a first embodiment of the present invention therefore relates to a process for producing sulphur-carbon composites by introducing and reacting sulfur and a carbon material at a temperature of 300 °C or more in an extruder.
  • the invention provides a method in which an extruder commercially available in the plastics industry is used and the carbon is homogenized and heated with sulfur in a continuous process.
  • This scalable process can be operated batchwise or continuously on systems established in the mass production industry, which makes it possible to process significantly larger quantities with a significantly reduced throughput time and lower energy consumption.
  • a specialist can easily set the appropriate process parameters, such as temperature, residence time, speed, L/D ratios, based on his knowledge.
  • the sulfur is present in S8 rings or long-chain molecules, as described at the beginning. Only at a temperature of at least 300 °C do short-chain sulfur molecules (S6, S4 and S2) also form in sufficient numbers so that they can fully penetrate the small pores of the carbon.
  • the aforementioned process is characterized in that both sulfur and the optionally porous carbon material are introduced separately into the extruder.
  • the mixture formation and conversion thus takes place in the extruder.
  • the conversion takes place in the extruder.
  • the feedstock materials used are commercially available sulfur in powder form and the carbon material used is, in particular, a conventional carbon aerogel.
  • the material introduced into the extruder preferably goes through one or more temperature steps.
  • the throughput time in the extruder is preferably set in the range of 0.1 to 10 minutes. If the throughput time is too short, sufficient conversion will not be achieved.
  • different nozzle geometries are used in the discharge zone for further processing in the further course of the process.
  • round strand nozzle heads with screw-in nozzles or pasta nozzle heads with different diameters can be used.
  • extrusion coatings wide slot nozzles with adjustable coating thicknesses can be used.
  • modular cooling nozzles with independent temperature control of heating and cooling zones can be installed along the nozzle. Extruders without nozzles in the discharge zone can also be used.
  • sulfur-carbon composites can be produced batchwise and, in particular, continuously, which was not possible with previously used gas or melt infiltration methods.
  • the carbon and sulfur can either be added individually or a premixed carbon-sulfur mixture is dosed into the extruder. This is moved by the screw(s) in the extruder and passes through an area where the temperature is increased to at least 300 °C so that the sulfur diffuses into the micropores of the porous carbon (Wu HB, Wei S, Zhang L, Xu R, Hng HH, Lou XW (2013) Embedding Sulfur in MOF- Derived Microporous Carbon Polyhedrons for Lithium-Sulfur Batteries. Chemistry - A European Journal 19: 10804.
  • the Sulfur-carbon composite cooled again.
  • the sample throughput time is in the range of a few seconds to minutes and is therefore significantly lower than the times used for previous batch processes of up to more than 10 hours. With this process, throughputs of more than 200 g/h can be achieved; in previous processes, the batch sizes are on the gram scale. Since extruders are already established in other applications in industry, the devices are available in a wide variety of scales, which means that the process can be scaled up as required without great effort.
  • the process according to the invention can be carried out on single-screw and twin-screw extruders.
  • the expert can set the appropriate process parameters, such as temperature, residence time, speed, b/D ratios.
  • the sulfur-carbon, in particular sulfur-carbon aerogel composites obtainable according to the invention can be used, for example, in metal-sulfur batteries or for the adsorption of mercury from aqueous solutions.
  • the sulfur-carbon aerogel mixture was added to the extruder using a dosing device at a fixed dosing rate of 200 g/h.
  • the material was fed through various temperature ranges in a twin-screw extruder with temperatures up to 350 °C and then cooled to 10 °C.
  • the processing time was in the range of 1 to 10 minutes, during which the material was heated up to 350 °C.
  • Fig. 1 shows a thermogravimetric analysis of sulfur-carbon aerogel composites using an extruder in comparison with the gas, melt and mill infiltration methods.
  • Milled infiltrated sample amount of sulfur adjusted to the volume of the micropores io
  • Fig. 1 shows that the amount of sulfur differed slightly in the various infiltration methods.
  • the crucial sulfur content which was only released at higher temperatures from 300 °C, was at least as high for the sample processed in the extruder as for the other methods.
  • Fig. 2 shows an extruder in which the sulfur-carbon aerogel composite was processed.

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Abstract

The invention relates to a process for producing sulfur-carbon composites, in particular sulfur-carbon aerogel composites, which are produced by way of extrusion at a temperature of at least 300°C.

Description

Verfahren zur Herstellung von Schwefel-Kohlenstoff-Kompositen Process for the preparation of sulfur-carbon composites

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Schwefel-Kohlenstoff-Kompositen, insbesondere von Schwefel-Kohlenstoffaerogel-Komposi- ten, die mittels Extrusion hergestellt werden. The invention relates to a process for producing sulfur-carbon composites, in particular sulfur-carbon aerogel composites, which are produced by extrusion.

In einer Metall-Schwefel-Batterie ist Schwefel ein elektrochemisch aktives Material. Bei Raumtemperatur liegt Schwefel bekanntermaßen als kronenförmiger Cyclooctaschwefel (a - S8) vor. Bei 95,5 °C findet eine Umwandlung des orthorhombischen Schwefels ( a - S8) in monoklinen ß - Schwefel statt; dieser schmilzt bei 119,6 °C (Meyer B (1976) Elemental sulfur. Chem. Rev. 76: 367. D01 : 10.1021/cr60301a003). Oberhalb von 120 °C liegen in der Schwefelschmelze Schwefelringe verschiedener Größe (Sn, n=5-33) vor. Bei Temperaturen oberhalb von 159 °C steigt die Schmelzviskosität aufgrund der radikalischen Ringöffnungspolymerisation schlagartig an. Beim weiteren Erhitzen nimmt die Viskosität ab 243 °C wieder ab und es bilden sich kurze (Sn, n<6) Schwefelketten. Die Siedetemperatur liegt bei 444 °C. Im gasförmigen Zustand liegen Schwefelmoleküle in Form von S2-8 vor, wobei sich das Gleichgewicht bei steigenden Temperaturen hin zu S2-Spezien verschiebt. Im gasförmigen Zustand bei 600 °C liegt Schwefel in Form von S6 (etwa 58,8%) und etwa 16,4% in Form von S2-Molekülen vor. Diese kurzkettigen Schwefel-Radikale können sich in Mikroporen eines Kohlenstoff-Materials (beispielsweise. Aktivkohle) ablagern und mit Kohlenstoff auch kovalente Bindungen bilden (Korpiel JA, Vidic RD (1997) Effect of Sulfur Impregnation Method on Activated Carbon Uptake of Gas-Phase Mercury; Environmental Science & Technology 31 : 2319. DOI: 10.1021/es9609260). Es gibt mehrere Verfahren zur Herstellung von solchen Kompositen, oft Infiltration oder Imprägnierung genannt. Eine Methode, die Gasinfiltration, findet in der Regel bei 400-600 °C statt, sodass der Schwefel in Gasphase vorliegt, und dauert etwa zwei bis sechs Stunden (Liu W, Vidic RD, Brown TD (1998) Optimization of Sulfur Impregnation Protocol for Fixed-Bed Application of Activated Carbon-Based Sorbents for Gas-Phase Mercury Removal. Environmental Science & Technology 32: 531. D01 : 10.1021/es970630 ; Nojabaee M, Sievert B, Schwan M, et al. (2021) Ultramicroporous carbon aerogels encapsulating sulfur as the cathode for lithium-sulfur batteries. J. Mater. Chem. A 9: 6508. DOI : 10.1039/D0TA11332H). Mit diesem Verfahren wird ein großer Teil des Schwefels auch in die Mikroporen eingebracht. Allerdings kann der Gesamtprozess mit Heiz- und Kühlphasen über 10 Stunden dauern und ist somit sehr zeit- und energieintensiv. Außerdem können in den bisher etablierten Prozessen nur sehr kleine Mengen an Probe verarbeitet werden. Darüber hinaus werden die Prozesse als Batch-Prozesse durchgeführt. Für die Verarbeitung von großen Mengen steigt der Aufwand so stark, dass die Prozesse nicht ökonomisch durchführbar sind. In a metal-sulfur battery, sulfur is an electrochemically active material. At room temperature, sulfur is known to exist as crown-shaped cyclooctasulphur (a - S8). At 95.5 °C, the orthorhombic sulfur (a - S8) is converted into monoclinic ß-sulfur; this melts at 119.6 °C (Meyer B (1976) Elemental sulfur. Chem. Rev. 76: 367. D01 : 10.1021/cr60301a003). Above 120 °C, sulfur rings of various sizes (Sn, n=5-33) are present in the sulfur melt. At temperatures above 159 °C, the melt viscosity increases abruptly due to radical ring-opening polymerization. On further heating, the viscosity decreases again from 243 °C and short (Sn, n<6) sulfur chains are formed. The boiling point is 444 °C. In the gaseous state, sulfur molecules are present in the form of S2-8, with the equilibrium shifting towards S2 species as the temperature increases. In the gaseous state at 600 °C, sulfur is present in the form of S6 (about 58.8%) and about 16.4% in the form of S2 molecules. These short-chain sulfur radicals can deposit in micropores of a carbon material (e.g. activated carbon) and also form covalent bonds with carbon (Korpiel JA, Vidic RD (1997) Effect of Sulfur Impregnation Method on Activated Carbon Uptake of Gas-Phase Mercury; Environmental Science & Technology 31 : 2319. DOI: 10.1021/es9609260). There are several methods for producing such composites, often called infiltration or impregnation. One method, gas infiltration, usually takes place at 400-600 °C, so that the sulfur is in the gas phase, and takes about two to six hours (Liu W, Vidic RD, Brown TD (1998) Optimization of Sulfur Impregnation Protocol for Fixed-Bed Application of Activated Carbon-Based Sorbents for Gas-Phase Mercury Removal. Environmental Science & Technology 32: 531. D01 : 10.1021/es970630 ; Nojabaee M, Sievert B, Schwan M, et al. (2021) Ultramicroporous carbon aerogels encapsulating sulfur as the cathode for lithium-sulfur batteries. J. Mater. Chem. A 9: 6508. DOI : 10.1039/D0TA11332H). With this process, a large part of the sulfur is also introduced into the micropores. However, the entire process with heating and cooling phases can take over 10 hours and is therefore very time and energy intensive. In addition, only very small quantities of sample can be processed in the processes established so far. In addition, the processes are carried out as batch processes. For processing large quantities, the effort increases so much that the processes are not economically feasible.

Schwefel-Kohlenstoff-Komposite können auch mithilfe von Schmelzinfiltration hergestellt werden. Dafür wird ein Schwefel-Kohlenstoff-Gemisch auf die Schmelztemperatur oder höher gebracht und mehrere Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Aus der Literatur sind folgende Prozessparameter bekannt: T=280 °C, Haltezeit 12 Stunden (Balakumar K, Kalaiselvi N (2015) High sulfur loaded carbon aerogel cathode for lithium-sulfur batteries. RSC Advances 5: 34008. DOI: 10.1039/C5RA01436K], T=150-300°C); (Wei S, Xu S, Agrawral A, et al. (2016) A stable room-temperature sodium-sulfur battery. Nature Communications 7: 11722. DOI : 10.1038/ncommsll722]) oder T=155 °C mit Haltezeit 5 Stunden (Choudhury S, Krüner B, Massuti-Ballester P, et al. (2017) Microporous novolac-derived carbon beads/sulfur hybrid cathode for lithium-sulfur batteries. J. Power Sources 357: 198. DOI: https://doi.Org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.005). Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Schwefel- Kohlenstoff-Kompositen ist die Mahlinfiltration, dabei wird ein Schwefel-Kohlenstoff-Gemisch in einer Mühle (beispielsweise Kugelmühle) 15 min bei 550 rpm (Häcker J, Danner C, Sievert B, et al. (2020) Investigation of Magnesium-Sulfur Batteries using Electrochemical Impedance Spectroscopy. Electrochim. Acta 338: 135787. Sulfur-carbon composites can also be produced using melt infiltration. For this, a sulfur-carbon mixture is brought to the melting temperature or higher and held at this temperature for several hours. The following process parameters are known from the literature: T=280 °C, holding time 12 hours (Balakumar K, Kalaiselvi N (2015) High sulfur loaded carbon aerogel cathode for lithium-sulfur batteries. RSC Advances 5: 34008. DOI: 10.1039/C5RA01436K], T=150-300°C); (Wei S, Xu S, Agrawral A, et al. (2016) A stable room-temperature sodium-sulfur battery. Nature Communications 7: 11722. DOI : 10.1038/ncommsll722]) or T=155 °C with holding time 5 hours (Choudhury S, Krüner B, Massuti-Ballester P, et al. (2017) Microporous novolac-derived carbon beads/sulfur hybrid cathode for lithium-sulfur batteries. J. Power Sources 357: 198. DOI: https://doi.Org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.005). Another method for The production of sulfur-carbon composites is by milling infiltration, in which a sulfur-carbon mixture is milled in a mill (e.g. ball mill) for 15 min at 550 rpm (Häcker J, Danner C, Sievert B, et al. (2020) Investigation of Magnesium-Sulfur Batteries using Electrochemical Impedance Spectroscopy. Electrochim. Acta 338: 135787.

DOI: https://doi.Org/10.1016/j.electacta.2020.135787) oder 30 min bei Fe- dorkova AS, Kazda T, Gavalierova K, Gomez-Romero P, Shembel E (2018) Synthesis and Characterization of Porous Sulfur/MWCNTs Composites with Improved Performance and Safety as Cathodes for Li-S Batteries. Int. J. Electro- chem. Sei. 13: 551. DOI: 10.20964/2018.01.67 gemahlen. Sowohl bei der Schmelzinfiltration als auch bei der Mahlinfiltration liegt Schwefel aufgrund der niedrigeren Temperaturen noch in längeren Ketten vor, sodass die Mikroporen nur zu einem geringen Teil infiltriert werden können. DOI: https://doi.Org/10.1016/j.electacta.2020.135787) or 30 min at Fe- dorkova AS, Kazda T, Gavalierova K, Gomez-Romero P, Shembel E (2018) Synthesis and Characterization of Porous Sulfur/MWCNTs Composites with Improved Performance and Safety as Cathodes for Li-S Batteries. Int. J. Electro- chem. Sci. 13: 551. DOI: 10.20964/2018.01.67. In both melt infiltration and mill infiltration, sulfur is still present in longer chains due to the lower temperatures, so that the micropores can only be infiltrated to a small extent.

Die wichtigsten Nachteile der Herstellung von Schwefel-Kohlenstoff-Komposi- ten durch Gasinfiltration sind die geringe Materialmengen, lange Dauer und der hoher Energieverbrauch. Die Schmelzinfiltration und Mahlinfiltration können zwar mit größeren Mengen und in kürzerer Zeit durchgeführt werden, erreichen aber im Gegensatz zur Gasinfiltration keine ausreichende Infiltration des Schwefels in die Mikroporen des Kohlenstoffs. The main disadvantages of producing sulfur-carbon composites by gas infiltration are the small amount of material, the long duration and the high energy consumption. Melt infiltration and milling infiltration can be carried out with larger amounts and in a shorter time, but in contrast to gas infiltration, they do not achieve sufficient infiltration of the sulfur into the micropores of the carbon.

Aus DE 10 2014 210 249 Al ist die Extrusion von Schwefel und Kohlenstoff, insbesondere Leitfähigkeitsruß zur Herstellung einer Kathode einer Batteriezelle bekannt. Hier handelt es sich nicht um einen mikroporösen Kohlenstoff. Das Ziel des Prozesses ist ein Vermischen von Schwefel und Kohlestoffmaterial und nicht das Infiltrieren des Schwefels in die Poren des porösen Kohlenstoffmaterials. DE 10 2014 210 249 Al discloses the extrusion of sulfur and carbon, in particular conductive carbon black, to produce a cathode for a battery cell. This is not a microporous carbon. The aim of the process is to mix sulfur and carbon material and not to infiltrate the sulfur into the pores of the porous carbon material.

In der Druckschrift US 2017 / 0 313 844 Al wird ebenfalls zur Herstellung eines Masterbatches aus Kohlenstoffnanofasern und Schwefel ein entsprechendes Gemisch in einen Extruder eingeführt. Auch hier handelt es sich nicht um einen mikroporösen Kohlenstoff. Das Ziel des Prozesses ist ebenfalls ein Vermischen von Schwefel und Koh lenstoffmate rial und nicht das Infiltrieren des Schwefels in die Poren des porösen Kohlenstoffmaterials. In the publication US 2017 / 0 313 844 Al, a corresponding mixture is also introduced into an extruder to produce a masterbatch made of carbon nanofibers and sulfur. Here, too, it is not a microporous carbon. The aim of the process is also a Mixing of sulfur and carbon material and not infiltration of sulfur into the pores of the porous carbon material.

Auch EP 2 966 708 Bl beschreibt eine Kombination von Kohlenstoffmaterial mit Schwefel in einem Extruder. Auch hier handelt es sich nicht um einen mikroporösen Kohlenstoff. Das Ziel des Prozesses ist auch hier ein Vermischen von Schwefel und Kohlestoffmaterial mit einem ionenleitfähigen Polymerbinder und nicht das Infiltrieren des Schwefels in die Poren des porösen Kohlenstoffmaterials. EP 2 966 708 Bl also describes a combination of carbon material with sulfur in an extruder. This is also not a microporous carbon. The aim of the process is to mix sulfur and carbon material with an ion-conductive polymer binder and not to infiltrate the sulfur into the pores of the porous carbon material.

Die vorgenannten Verfahren beschreiben lediglich die Vermischung und Verbindung des Schwefels mit dem Kohlenstoff. The above-mentioned processes only describe the mixing and combination of sulfur with carbon.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf den vorgenannten Stand der Technik betrifft die Optimierung der Herstellung von Schwefel-Kohlenstoff-Kompositen, insbesondere Schwefel-Kohlenstoffaerogel-Kompositen, insbesondere den Materialdurchsatz deutlich zu erhöhen und gleichzeitig die Dauer und den Energieverbrauch zu verbessern, insbesondere die Infiltration des Schwefels in die Mikroporen des Kohlenstoffmaterials. Dabei spielt auch die Temperatur eine wichtige Rolle. Zum Schmelzen des Schwefels, wie es in den bisherigen Anmeldungen beschrieben wird, reicht eine Temperatur von 115 °C aus; also werden diese Verfahren bei deutlich unter 200 °C durchgeführt. The object of the present invention in view of the aforementioned prior art relates to the optimization of the production of sulfur-carbon composites, in particular sulfur-carbon aerogel composites, in particular to significantly increase the material throughput and at the same time to improve the duration and energy consumption, in particular the infiltration of the sulfur into the micropores of the carbon material. Temperature also plays an important role here. To melt the sulfur, as described in the previous applications, a temperature of 115 °C is sufficient; therefore, these processes are carried out at well below 200 °C.

Die Erfindung betrifft jedoch ein batch- oder kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines Schwefel-Kohlenstoff-Komposits, in dem der Schwefel in Mikroporen des Kohlenstoffs, insbesondere eines Kohlenstoffaerogels eingebunden ist. Dies ist mit den bisher bekannten Verfahren nicht möglich. However, the invention relates to a batch or continuous process for producing a sulfur-carbon composite in which the sulfur is incorporated into micropores of the carbon, in particular a carbon aerogel. This is not possible with the previously known processes.

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung von Schwefel-Kohlenstoff-Kompositen durch Einbringen und Umsetzen von Schwefel und einem Kohlenstoffmaterial bei einer Temperatur von 300 °C oder mehr in einen Extruder. A first embodiment of the present invention therefore relates to a process for producing sulphur-carbon composites by introducing and reacting sulfur and a carbon material at a temperature of 300 °C or more in an extruder.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren bereit, bei dem ein in der Kunststoff-Industrie handelsüblicher Extruder eingesetzt wird und somit der Kohlenstoff mit Schwefel in einem kontinuierlichen Prozess homogenisiert und erhitzt wird. Dieser skalierbare Prozess kann batchweise oder kontinuierlich auf in der Industrie für Massenproduktion etablierten Anlagen betrieben werden, wodurch eine Verarbeitung von signifikant größeren Mengen mit einer deutlich reduzierten Durchlaufzeit und einem geringeren Energieverbrauch möglich ist. Die passenden Prozessparameter, wie Temperatur, Verweilzeit, Drehzahl, L/D-Verhältnisse kann ein Fachmann aus seinem Wissen heraus unproblematisch einstellen. Bei Temperaturen unterhalb von 159 °C liegt der Schwefel in S8-Ringen oder langkettigen Molekülen vor, wie eingangs beschrieben ist. Erst ab einer Temperatur von wenigstens 300 °C entstehen auch kurzkettige Schwefelmoleküle (S6, S4 und S2) in ausreichender Anzahl, so dass diese vollständig in die kleinen Poren des Kohlenstoffs eindringen können. Das ist für die großen Schwefelmoleküle bei niedrigeren Temperaturen unterhalb 300 °C nicht möglich. Daher kann bei den niedrigeren Temperaturen keine vollständige Infiltration der Poren (insbesondere Mikroporen) des Kohlenstoffs stattfinden. Dies lässt sich an den TGA Kurven der Proben erkennen, die bei verschiedenen Temperaturen verarbeitet wurden. Je geringer die Temperatur, bei der Schwefel frei wird, also in der TGA Kurve ein Masseverlust sichtbar ist, desto weniger Energie ist notwendig, um Schwefel aus dem Kohlenstoff zu verdampfen. Um kleine Poren, insbesondere Mikroporen, von Schwefel zu befreien, wird mehr Energie benötigt als beim Oberflächenschwefel. Deshalb findet der Massenverlust bei deutlich höheren Temperaturen statt, als wenn sich Schwefel in großen Poren und auf der Oberfläche der Kohlenstoffpartikel befindet. Daher zeigen sich (Fig. 1) nach der Verarbeitung des Komposits im Extruder bei 200 °C zwei Stufen in der TGA Kurve des erhaltenen Materials. Die Stufe im Masseverlust zwischen 200 °C und 300 °C ist durch den Schwefel in großen Poren oder auf der Oberfläche verursacht. Der Masseverlust ab etwa 350 °C ist durch den Schwefel in den kleineren Poren (insbesondere Mikroporen) ausgelöst. Bei der Verarbeitung bei 350 °C sieht man nur eine Stufe in der TGA Kurve. Erst bei über 300 °C verliert diese Probe signifikant an Masse. Daraus lässt sich erkennen, dass hier der Schwefel vollständig in den Poren (insbesondere Mikroporen) vorliegt, wie es durch das erfindungsgemäße Verfahren beabsichtigt ist. To solve the above problem, the invention provides a method in which an extruder commercially available in the plastics industry is used and the carbon is homogenized and heated with sulfur in a continuous process. This scalable process can be operated batchwise or continuously on systems established in the mass production industry, which makes it possible to process significantly larger quantities with a significantly reduced throughput time and lower energy consumption. A specialist can easily set the appropriate process parameters, such as temperature, residence time, speed, L/D ratios, based on his knowledge. At temperatures below 159 °C, the sulfur is present in S8 rings or long-chain molecules, as described at the beginning. Only at a temperature of at least 300 °C do short-chain sulfur molecules (S6, S4 and S2) also form in sufficient numbers so that they can fully penetrate the small pores of the carbon. This is not possible for the large sulfur molecules at lower temperatures below 300 °C. Therefore, complete infiltration of the pores (especially micropores) of the carbon cannot take place at lower temperatures. This can be seen in the TGA curves of the samples that were processed at different temperatures. The lower the temperature at which sulphur is released, i.e. a mass loss is visible in the TGA curve, the less energy is required to evaporate sulphur from the carbon. More energy is required to free small pores, especially micropores, of sulphur than for surface sulphur. Therefore, the mass loss takes place at significantly higher temperatures than when sulphur is in large pores and on the surface of the carbon particles. Therefore, after processing the composite in the extruder at 200 °C, two stages are shown in the TGA curve of the material obtained (Fig. 1). The stage in the mass loss between 200 °C and 300 °C is caused by the sulfur in large pores or on the surface. The mass loss from around 350 °C is caused by the sulfur in the smaller pores (especially micropores). When processed at 350 °C, only one step is seen in the TGA curve. Only at over 300 °C does this sample lose significant mass. This shows that the sulfur is completely in the pores (especially micropores), as intended by the process according to the invention.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das vorgenannte Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass man sowohl Schwefel als auch das gegebenenfalls poröse Kohlenstoffmaterial separat in den Extruder einbringt. Die Gemischbildung und Umsetzung erfolgt damit im Extruder. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, in einem ersten Schritt zunächst ein homogenes Gemisch aus Schwefel und dem Kohlenstoffmaterial herzustellen und in einem zweiten Schritt das vorgenannte Gemisch in den Extruder einzubringen. Auch hier erfolgt die Umsetzung im Extruder. In a preferred embodiment of the present invention, the aforementioned process is characterized in that both sulfur and the optionally porous carbon material are introduced separately into the extruder. The mixture formation and conversion thus takes place in the extruder. Alternatively, it is also possible to first produce a homogeneous mixture of sulfur and the carbon material in a first step and to introduce the aforementioned mixture into the extruder in a second step. Here, too, the conversion takes place in the extruder.

Im Handel ist eine Vielzahl von Extrudern in jeglicher Skalierung erhältlich. Erfindungsgemäß wird insbesondere ein Einschnecken- oder Doppelschneckenextruder eingesetzt. A large number of extruders of all sizes are commercially available. According to the invention, a single-screw or twin-screw extruder is used in particular.

Als Einsatzmaterialien werden handelsüblicher Schwefel in Pulverform und als Kohlenstoffmaterial insbesondere ein übliches Kohlenstoffaerogel eingesetzt. The feedstock materials used are commercially available sulfur in powder form and the carbon material used is, in particular, a conventional carbon aerogel.

Das eingebrachte Material im Extruder durchläuft vorzugsweise einen oder mehrere Temperaturschritte. Die Durchlaufzeit im Extruder wird vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 10 Minuten eingestellt. Ist die Durchlaufzeit zu knapp bemessen, wird keine ausreichende Umsetzung erzielt. The material introduced into the extruder preferably goes through one or more temperature steps. The throughput time in the extruder is preferably set in the range of 0.1 to 10 minutes. If the throughput time is too short, sufficient conversion will not be achieved.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, im weiteren Prozessverlauf, aber auch bei der Aufgabe der Basismaterialien, insbesondere nach den ersten Temperaturbehandlungsschritten, zusätzliche Materialien in fester, wie Verdickungs- oder Bindemittel, Leitadditive, oder flüssiger Form, wie beispielsweise Lösungsmittel, zuzugeben. In a further embodiment of the invention, it is possible to further process, but also when applying the base materials, in particular After the first temperature treatment steps, additional materials in solid form, such as thickeners or binders, conductive additives, or liquid form, such as solvents, can be added.

Bevorzugt im Sinne der Erfindung werden im weiteren Prozessverlauf unterschiedliche Düsengeometrien in der Austragszone zur weiteren Verarbeitung eingesetzt. Für Extrusion von Strängen können Rundstrang-Düsenköpfe mit Einschraubdüsen oder Nudeldüsenköpfe mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden. Für Extrusionsbeschichtungen können Breitschlitzdüsen mit einstellbaren Beschichtungsdicken eingesetzt werden. Zur genaueren Temperaturkontrolle können modulare Kühldüsen mit unabhängigen Temperierungen von Heiz- und Kühlzonen entlang der Düse verbaut werden. Extruder ohne Düsen in der Ausstoßzone können auch verwendet werden. Preferably, in the sense of the invention, different nozzle geometries are used in the discharge zone for further processing in the further course of the process. For extrusion of strands, round strand nozzle heads with screw-in nozzles or pasta nozzle heads with different diameters can be used. For extrusion coatings, wide slot nozzles with adjustable coating thicknesses can be used. For more precise temperature control, modular cooling nozzles with independent temperature control of heating and cooling zones can be installed along the nozzle. Extruders without nozzles in the discharge zone can also be used.

Nach Kenntnis der Erfinder sind zwar viele Verfahren zur Infiltration von Kohlenstoff mit Schwefel bekannt, aber es ist kein Schutzrecht oder eine sonstige Veröffentlichung bekannt, in welcher ein Extruder für die Infiltration des Schwefels in die Mikroporen des Kohlenstoffmaterials eingesetzt wird. To the best of the inventors' knowledge, many processes for infiltrating carbon with sulfur are known, but no patent or other publication is known in which an extruder is used to infiltrate the sulfur into the micropores of the carbon material.

Mit Hilfe von Extrudern können Schwefel-Kohlenstoff-Komposite batchweise und insbesondere kontinuierlich hergestellt werden, was mit bisher verwendeten Methoden zur Gas- oder Schmelzinfiltration nicht möglich war. Dabei kann der Kohlenstoff und Schwefel entweder einzeln zudosiert werden oder eine vorvermischte Kohlenstoff- Schwefel-Mischung wird in den Extruder dosiert. Diese wird durch die Schnecke(n) im Extruder fortbewegt und durchläuft einen Bereich auf dem die Temperatur auf mindestens 300 °C erhöht wird, sodass der Schwefel in die Mikroporen des porösen Kohlenstoffs diffundiert (Wu HB, Wei S, Zhang L, Xu R, Hng HH, Lou XW (2013) Embedding Sulfur in MOF- Derived Microporous Carbon Polyhedrons for Lithium-Sulfur Batteries. Chemistry - A European Journal 19: 10804. With the help of extruders, sulfur-carbon composites can be produced batchwise and, in particular, continuously, which was not possible with previously used gas or melt infiltration methods. The carbon and sulfur can either be added individually or a premixed carbon-sulfur mixture is dosed into the extruder. This is moved by the screw(s) in the extruder and passes through an area where the temperature is increased to at least 300 °C so that the sulfur diffuses into the micropores of the porous carbon (Wu HB, Wei S, Zhang L, Xu R, Hng HH, Lou XW (2013) Embedding Sulfur in MOF- Derived Microporous Carbon Polyhedrons for Lithium-Sulfur Batteries. Chemistry - A European Journal 19: 10804.

DOI :https://doi.org/10.1002/chem.201301689). Anschließend wird das Schwefel-Kohlenstoff-Komposit wieder abgekühlt. Die Durchlaufzeit der Probe liegt im Bereich von wenigen Sekunden bis Minuten und damit deutlich niedriger als die für bisherige Batch- Prozesse verwendeten Zeiten von bis zu mehr als 10 Stunden. Mit diesem Verfahren können Durchsätze größer als 200 g/h realisiert werden, bei bisherigen Prozessen liegen die Batch- Größen im Gramm-Maßstab. Da Extruder in anderer Anwendung bereits in der Industrie etabliert sind, stehen die Geräte in unterschiedlichsten Skalierungen zur Verfügung, wodurch ohne großen Aufwand eine beliebige Skalierung des Prozesses möglich ist. DOI :https://doi.org/10.1002/chem.201301689). The Sulfur-carbon composite cooled again. The sample throughput time is in the range of a few seconds to minutes and is therefore significantly lower than the times used for previous batch processes of up to more than 10 hours. With this process, throughputs of more than 200 g/h can be achieved; in previous processes, the batch sizes are on the gram scale. Since extruders are already established in other applications in industry, the devices are available in a wide variety of scales, which means that the process can be scaled up as required without great effort.

Um nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Pulver zu erhalten ist es möglich, den letzten Abschnitt des Extruders aktiv auf Temperaturen von 20°C oder weniger zu kühlen, wodurch das Material versprödet und so als Pulver aus dem Extruder austritt. So kann ein anschließender Mahlschritt entfallen. In order to obtain a powder using the process according to the invention, it is possible to actively cool the last section of the extruder to temperatures of 20°C or less, whereby the material becomes brittle and exits the extruder as a powder. This means that a subsequent grinding step can be omitted.

Das erfindungemäße Verfahren kann auf Einschnecken- sowie auf Zweischneckenextrudern durchgeführt werden. Der Fachmann kann die passenden Prozessparameter, wie Temperatur, Verweilzeit, Drehzahl, b/D-Verhältnisse, einstellen. The process according to the invention can be carried out on single-screw and twin-screw extruders. The expert can set the appropriate process parameters, such as temperature, residence time, speed, b/D ratios.

Die erfindungsgemäß erhältlichen Schwefel-Kohlenstoff-, insbesondere Schwe- fel-Kohlenstoffaerogel- Komposite, können beispielsweise in Metall-Schwefel- Batterien oder zur Adsorption von Quecksilber aus wässrigen Lösungen eingesetzt werden. The sulfur-carbon, in particular sulfur-carbon aerogel composites obtainable according to the invention can be used, for example, in metal-sulfur batteries or for the adsorption of mercury from aqueous solutions.

Ausführungsbeispiel : Example:

Herstellung von Schwefel-Kohlenstoffaerogel-Kompositen als Beispiel eines Schwefel- Kohlenstoff- Komposits • 60 g eines Kohlenstoffaerogels (molare Verhältnisse: R/W=0.008, R/C=50 und R/F=0,5, pH=5,65) (Marina Schwan, Lorenz Ratke (DE) (2019); Verfahren zur Herstellung flexibler Aerogele auf Basis von Resorcin- Formaldehyd sowie mit diesem Verfahren erhältliche Aerogele DE 10 2012 218548 Al) wurde insbesondere mit 40 g Schwefel (20 bis 95 Gew.-%) vermengt, sodass eine homogene Mischung entstand. Preparation of sulfur-carbon aerogel composites as an example of a sulfur-carbon composite • 60 g of a carbon aerogel (molar ratios: R/W=0.008, R/C=50 and R/F=0.5, pH=5.65) (Marina Schwan, Lorenz Ratke (DE) (2019); Process for the production of flexible aerogels based on resorcinol-formaldehyde and aerogels obtainable by this process DE 10 2012 218548 Al) was mixed in particular with 40 g of sulfur (20 to 95 wt.%) to form a homogeneous mixture.

Extrusionsprozess extrusion process

• Das Schwefel-Kohlenstoffaerogel-Gemisch wurde mit einem Dosierer bei einer festgelegten Dosierrate von 200 g/h dem Extruder zugegeben. Durch die Schnecken wurde das Material in einem Doppelschneckenextruder durch verschiedene Temperaturbereiche geführt mit Temperaturen bis zu 350 °C und anschließend auf 10 °C gekühlt. • The sulfur-carbon aerogel mixture was added to the extruder using a dosing device at a fixed dosing rate of 200 g/h. The material was fed through various temperature ranges in a twin-screw extruder with temperatures up to 350 °C and then cooled to 10 °C.

• Die Durchlaufzeit lag im Bereich von 1 bis 10 Minuten, in denen das Material auf bis zu 350 °C erhitzt wurde. • The processing time was in the range of 1 to 10 minutes, during which the material was heated up to 350 °C.

Die Schwefelmenge in dem Schwefel-Kohlenstoffaerogel-Komposit konnte mit Hilfe von thermogravimetrischer Analyse (Fig. 1) untersucht werden. Fig. 1 zeigt eine thermogravimetrische Analyse von Schwefel-Kohlenstoffaerogel- Kompositen mit Extruder im Vergleich zu den Methoden der Gas-, Schmelz- und Mahlinfiltration. The amount of sulfur in the sulfur-carbon aerogel composite could be investigated by thermogravimetric analysis (Fig. 1). Fig. 1 shows a thermogravimetric analysis of sulfur-carbon aerogel composites using an extruder in comparison with the gas, melt and mill infiltration methods.

Dabei wurden die folgenden Proben analysiert: The following samples were analyzed:

• CA10+S Vmicro Gas: • CA10+S Vmicro Gas:

Gasinfiltrierte Probe, Schwefelmenge abgestimmt auf das Volumen der Mikroporen Gas-infiltrated sample, sulfur amount adjusted to the volume of the micropores

• CA10+S Vmicro Mühle: • CA10+S Vmicro mill:

Mahlinfiltrierte Probe, Schwefelmenge abgestimmt auf das Volumen der Mikroporen io Milled infiltrated sample, amount of sulfur adjusted to the volume of the micropores io

• CA10+S Vmicro+meso Gas: • CA10+S Vmicro+meso Gas:

Gasinfiltrierte Probe, Schwefelmenge abgestimmt auf das Volumen der Mikro- und Mesoporen zusammengenommen Gas-infiltrated sample, amount of sulfur adjusted to the volume of the micro- and mesopores combined

• CA10+S Vmicro+meso Mühle: • CA10+S Vmicro+meso mill:

Mahlinfiltrierte Probe, Schwefelmenge abgestimmt auf das Volumen der Mikro- und Mesoporen zusammengenommen Mill-infiltrated sample, amount of sulfur adjusted to the volume of the micro- and mesopores combined

• CA10+S Vmicro Extruder: • CA10+S Vmicro Extruder:

Mit dem Extruder infiltrierte Probe, Schwefelmenge abgestimmt auf das Volumen der Mikroporen Sample infiltrated with the extruder, amount of sulfur adjusted to the volume of the micropores

• CA10+S Vmicro+meso Schmelzinfiltration: • CA10+S Vmicro+meso melt infiltration:

Schmelzinfiltrierte Probe, Schwefelmenge abgestimmt auf das Volumen der Mikro- und Mesoporen zusammengenommen Melt-infiltrated sample, amount of sulfur adjusted to the volume of the micro- and mesopores combined

Die Fig. 1 zeigt, dass sich die Schwefelmenge bei den verschiedenen Infiltrationsmethoden leicht unterschied. Dabei war der entscheidende Schwefelanteil, welcher erst bei höheren Temperaturen ab 300 °C frei wurde, für die im Extruder verarbeitete Probe mindestens genauso hoch wie bei den anderen Verfahren. Fig. 2 zeigt einen Extruder, in dem das Schwefel-Kohlenstoffaerogel-Kom- posit verarbeitet wurde. Fig. 1 shows that the amount of sulfur differed slightly in the various infiltration methods. The crucial sulfur content, which was only released at higher temperatures from 300 °C, was at least as high for the sample processed in the extruder as for the other methods. Fig. 2 shows an extruder in which the sulfur-carbon aerogel composite was processed.

Claims

Patentansprüche: Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung von Schwefel-Kohlenstoff-Kompositen durch Einbringen und Umsetzen von Schwefel und einem Kohlenstoffmaterial bei einer Temperatur von wenigsten 300 °C in einem Extruder. 1. Process for producing sulfur-carbon composites by introducing and reacting sulfur and a carbon material at a temperature of at least 300 °C in an extruder. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man sowohl Schwefel als auch das Kohlenstoffmaterial separat in den Extruder einbringt. 2. Process according to claim 1, characterized in that both sulfur and the carbon material are introduced separately into the extruder. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt zunächst ein homogenes Gemisch aus Schwefel und dem Kohlenstoffmaterial herstellt und in einem zweiten Schritt das vorgenannte Gemisch in den Extruder einbringt. 3. Process according to claim 1, characterized in that in a first step a homogeneous mixture of sulfur and the carbon material is first prepared and in a second step the aforementioned mixture is introduced into the extruder. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Einschnecken- oder Doppelschneckenextruder einsetzt. 4. Process according to one of claims 1 to 3, characterized in that a single-screw or twin-screw extruder is used. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man als Kohlenstoffmaterial ein poröses Kohlenstoffmaterial, insbesondere Kohlenstoffaerogel einsetzt. 5. Process according to one of claims 1 to 4, characterized in that a porous carbon material, in particular carbon aerogel, is used as the carbon material. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das eingebrachte Material im Extruder einen oder mehrere Temperaturschritte durchläuft. 6. Process according to one of claims 1 to 5, characterized in that the introduced material in the extruder passes through one or more temperature steps. 7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Durchlaufzeit im Extruder im Bereich von 0,1 bis 10 Minuten einstellt. 7. Process according to claim 1 or 2, characterized in that the throughput time in the extruder is set in the range of 0.1 to 10 minutes. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man im weiteren Prozessverlauf, nach den ersten Temperaturbehandlungsschritten, zusätzliche Materialien in fester oder flüssiger Form zugibt. 8. Process according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the further course of the process, after the first temperature treatment steps, additional materials in solid or liquid form are added. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man im weiteren Prozessverlauf unterschiedliche Düsengeometrien zur weiteren Verarbeitung einsetzt. 9. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that different nozzle geometries are used for further processing in the further course of the process.
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