制备硫-聚丙烯腈（SPAN）的方法与流程

这项发明是根据能源部授予的协议de-ee0008230在政府支持下完成的。政府可能对该发明拥有某些权利。本发明涉及制备硫-聚丙烯腈（span）的方法。

背景技术：

1、本节提供与本公开有关的不一定是现有技术的背景信息。

2、需要先进的储能装置和系统来满足各种产品的能源和/或电力需求，包括汽车产品，如起停系统（例如，12v起停系统）、电池辅助系统、混合动力电动汽车（“hev”）和电动汽车（“ev”）。锂硫电池组可以提供高能量密度（例如，高达约2500 wh/kg），并且通常可以以较低的成本获得（与锂离子电池组相比），同时也是环保的。

3、典型的锂硫电池组包括至少两个电极和电解质和/或分离器。两个电极中的一个可以用作正极或阴极，而另一个电极可以用作负极或阳极。分离器和/或电解质可以设置在负极和正极之间。电解质适于在电极之间传导锂离子，并且与两个电极一样，可以是固态和/或液态形式和/或其混合物。在固态电池组（包括固态电极和固态电解质）的情况下，固态电解质可以物理分离电极，因此不需要明显的分离器。

4、许多不同的材料可用于制造锂硫电池组的部件。例如，在不同的方面，硫基阴极材料通常通过将硫化物或聚硫化物链的一端或多端化学键合到聚合物主链（诸如聚丙烯腈（pan））来实现，这样的配置可以减少或抑制电池组运行期间聚硫化物的不良形成（即活性硫溶解在电解质中并与负极发生不良反应）。聚硫化物的穿梭往往导致容量衰减，从而限制了锂硫电池组的循环寿命。

5、生产含硫化聚丙烯腈（span）的方法通常包括对聚丙烯腈进行环化和部分脱氢，并在惰性气流的保护下，通过在开放排气系统中提高硫和聚丙烯腈的温度，用短硫链替换一个或多个氢。此类工艺通常包括过量的硫，以补偿高温下蒸发硫的损失。多余的硫（含h2s气体和硫）作为排气蒸汽流失。最好是开发用于制备硫化聚丙烯腈（span）的材料和系统，以减少或限制硫损失。

技术实现思路

1、本节提供本公开的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

2、本公开涉及制备例如用于锂硫电池组内的硫化聚丙烯腈（span）的工艺。

3、在各个方面，本公开提供了一种形成硫化聚丙烯腈（span）的方法。该方法可包括：使硫（s）和聚丙烯腈（pan）接触以形成掺合物，所述掺合物的硫与聚丙烯腈质量比大于或等于约1.2:1至小于或等于约2:1，并加热该掺合物。

4、在一个方面，掺合物的加热可以包括将掺合物加热至第一温度并将第一温度保持第一持续时间。第一温度可以大于或等于约300°c至小于或等于约350°c。第一持续时间可以大于0分钟至小于或等于约1440分钟。

5、在一个方面，第一持续时间可以大于或等于约15分钟至小于或等于约480分钟。

6、在一个方面，掺合物加热至第一温度可以发生在封闭系统中，并且该方法可以进一步包括在第一持续时间之后打开封闭系统，以形成释放硫化氢气体的排气系统。

7、在一个方面，该方法可以进一步包括在打开封闭系统之前，将掺合物冷却至低于第一温度的第二温度。例如，第二温度可以大于或等于约21°c至小于约300°c。

8、在一个方面，该方法可以进一步包括密封排气系统以形成密封的系统，并且掺合物的加热可以进一步包括在密封的系统中，将该掺合物加热至第二温度，并将第二温度保持第二持续时间。第二温度可以大于第一温度。例如，第二温度可以大于或等于约400°c至小于或等于约600°c。第二持续时间可以大于0分钟至小于或等于约1440分钟。

9、在一个方面，第二持续时间可以大于或等于约15分钟至小于或等于约480分钟。

10、在一个方面，将掺合物加热至第一温度可以发生在开放系统中，并且该方法可以进一步包括密封开放系统以形成密封的系统，并且掺合物的加热可以进一步包括在密封的系统中，将该掺合物加热至第二温度，并将第二温度保持第二持续时间。第二温度可以大于第一温度。例如，第二温度可以大于或等于约400°c至小于或等于约600°c。第二持续时间可以大于0分钟至小于或等于约1440分钟。

11、在一个方面，该方法可以进一步包括，在将掺合物加热至第二温度之前，将该掺合物冷却至第三温度。第三温度可以低于第二温度。例如，第二温度可以大于或等于约21°c至小于约300°c。

12、在一个方面，该方法可以进一步包括，在将掺合物加热至第二温度之后，将该掺合物冷却至第三温度。第三温度可以低于第二温度。例如，第三温度可以大于或等于约21°c至小于约300°c。

13、在各个方面，本公开提供了一种形成硫化聚丙烯腈（span）的方法。该方法可包括：使硫（s）与聚丙烯腈（pan）接触以形成掺合物，密封容纳该掺合物的容器，将该掺合物加热至第一温度，使容纳该掺合物的容器排气以释放在将该掺合物加热至第一温度期间产生的气体，重新密封容纳该掺合物的容器，并将该掺合物加热至第二温度。

14、在一个方面，掺合物的硫与聚丙烯腈的质量比可以大于或等于约1.8:1至小于或等于约2:1。

15、在一个方面，第一温度可以大于或等于约300°c至小于或等于约350°c。

16、在一个方面，第二温度可以大于或等于约400°c至小于或等于约600°c。

17、在一个方面，该方法可以进一步包括，在容纳掺合物的容器排气之前，将第一温度保持第一持续时间。第一持续时间可以大于0分钟至小于或等于约1440分钟。

18、在一个方面，该方法可以进一步包括，在容纳掺合物的容器排气之前，将该掺合物冷却至第三温度。第三温度可以低于第一温度。例如，第三温度可以大于或等于约21°c至小于约300°c。

19、在一个方面，该方法可以进一步包括将第二温度保持第二持续时间。第二持续时间可以大于0分钟至小于或等于约1440分钟。

20、在各个方面，本公开提供了一种形成硫化聚丙烯腈（span）的方法。该方法可包括：使硫（s）和聚丙烯腈（pan）接触以形成掺合物，将该掺合物加热至第一温度，密封容纳该掺合物的容器，并将该掺合物加热至第二温度。

21、在一个方面，掺合物的硫与聚丙烯腈的质量比可以大于或等于约1.8:1至小于或等于约2:1。

22、在一个方面，第一温度可以大于或等于约300°c至小于或等于约350°c。

23、在一个方面，第二温度可以大于或等于约400°c至小于或等于约600°c。

24、在一个方面，该方法可以进一步包括，在容器密封之前，将掺合物在第一温度下保持第一持续时间。第一持续时间可以大于0分钟至小于或等于约1440分钟。

25、在一个方面，该方法可以进一步包括，在密封容纳掺合物的容器之前，将掺合物冷却至第三温度。第三温度可以低于第一温度。例如，第三温度可以大于或等于约21°c至小于约300°c。

26、在一个方面，该方法可以进一步包括将第二温度保持第二持续时间。第二持续时间可以大于0分钟至小于或等于约1440分钟。

27、根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。该总结中的描述和特定示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

28、本发明还包括如下技术方案。

29、技术方案1. 一种形成硫化聚丙烯腈（span）的方法，所述方法包括：

30、使硫（s）和聚丙烯腈（pan）接触以形成掺合物，所述掺合物的硫与聚丙烯腈的质量比大于或等于约1.2:1至小于或等于约2:1；并且

31、加热所述掺合物。

32、技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述掺合物的所述加热包括将所述掺合物加热至第一温度并将所述第一温度保持第一持续时间，其中，所述第一温度大于或等于约300°c至小于或等于约350°c，并且所述第一持续时间大于0分钟至小于或等于约1440分钟。

33、技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述第一持续时间大于或等于约15分钟至小于或等于约480分钟。

34、技术方案4. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述掺合物加热至所述第一温度发生在封闭系统中，并且所述方法进一步包括：

35、在所述第一持续时间后打开所述封闭系统，以形成释放硫化氢气体的排气系统。

36、技术方案5. 根据技术方案4所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

37、在打开所述封闭系统之前，将所述掺合物冷却至大于或等于约21°c至小于约300°c的第二温度。

38、技术方案6. 根据技术方案4所述的方法，其中，所述方法进一步包括密封所述排气系统以形成密封的系统，并且其中，所述掺合物的所述加热进一步包括在所述密封的系统中，将所述掺合物加热至第二温度并将所述第二温度保持第二持续时间，其中，所述第二温度大于或等于约400°c至小于或等于约600°c，并且所述第二持续时间大于0分钟至小于或等于约1440分钟。

39、技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其中，所述第二持续时间大于或等于约15分钟至小于或等于约480分钟。

40、技术方案8. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述掺合物加热至所述第一温度发生在开放系统中，并且所述方法进一步包括密封所述开放系统以形成密封的系统，并且其中，所述掺合物的所述加热进一步包括在所述密封的系统中，将所述掺合物加热至第二温度并将所述第二温度保持第二持续时间，其中，所述第二温度大于或等于约400°c至小于或等于约600°c，并且所述第二持续时间大于0分钟至小于或等于约1440分钟。

41、技术方案9. 根据技术方案8所述的方法，其中，所述方法进一步包括，在将所述掺合物加热至所述第二温度之前，将所述掺合物冷却至大于或等于约21°c至小于约300°c的第三温度。

42、技术方案10. 根据技术方案8所述的方法，其中，所述方法进一步包括，在将所述掺合物加热至所述第二温度之后，将所述掺合物冷却至大于或等于约21°c至小于约300°c的第三温度。

43、技术方案11. 一种形成硫化聚丙烯腈（span）的方法，所述方法包括：

44、使硫（s）和聚丙烯腈（pan）接触以形成掺合物；

45、密封容纳所述掺合物的容器；

46、将所述掺合物加热至第一温度；

47、使容纳所述掺合物的所述容器排气，以释放在将所述掺合物加热至所述第一温度期间产生的气体；

48、重新密封容纳所述掺合物的所述容器；并且

49、将所述掺合物加热至第二温度，所述第二温度大于所述第一温度。

50、技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述掺合物的硫与聚丙烯腈的质量比大于或等于约1.8:1至小于或等于约2:1，

51、所述第一温度大于或等于约300°c至小于或等于约350°c，并且

52、所述第二温度大于或等于约400°c至小于或等于约600°c。

53、技术方案13. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

54、在容纳所述掺合物的所述容器排气之前，将所述第一温度保持大于0分钟至小于或等于约1440分钟的第一持续时间。

55、技术方案14. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

56、在容纳所述掺合物的所述容器排气之前，将所述掺合物冷却至低于所述第一温度的第三温度。

57、技术方案15. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

58、将所述第二温度保持大于0分钟至小于或等于约1440分钟的第二持续时间。

59、技术方案16. 一种形成硫化聚丙烯腈（span）的方法，所述方法包括：

60、使硫（s）和聚丙烯腈（pan）接触以形成掺合物；

61、将所述掺合物加热至第一温度；

62、密封容纳所述掺合物的容器；并且

63、将所述掺合物加热至第二温度，所述第二温度大于所述第一温度。

64、技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其中，所述掺合物的硫与聚丙烯腈的质量比大于或等于约1.8:1至小于或等于约2:1，

65、所述第一温度大于或等于约300°c至小于或等于约350°c，并且

66、所述第二温度大于或等于约400°c至小于或等于约600°c。

67、技术方案18. 根据技术方案16所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

68、在密封所述容器之前，将所述掺合物在所述第一温度下保持大于0分钟至小于或等于约1440分钟的第一持续时间。

69、技术方案19. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

70、在密封容纳所述掺合物的所述容器之前，将所述掺合物冷却至低于所述第一温度的第三温度。

71、技术方案20. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

72、将所述第二温度保持大于0分钟至小于或等于约1440分钟的第二持续时间。

73、