專利名稱：一種硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，具體涉及一種硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前，鋰空氣電池的空氣電極多采用商業(yè)化炭黑(如KB系列、XC-72和)(C-72R、 BP2000等)、自制活性炭、炭汽凝膠、石墨烯和氧還原催化劑作為電極材料。其中，自制活性炭和炭汽凝膠大都制備工藝復(fù)雜且制備量有限，不宜工業(yè)生產(chǎn)。石墨烯制備工藝復(fù)雜且不易制備，導(dǎo)致其價(jià)格昂貴。商業(yè)化炭黑雖能大量生產(chǎn)，價(jià)格適中。然而，鋰空氣電池中空氣電極側(cè)(也就是鋰空氣電池正極)存在的主要問題是空氣電極側(cè)的氧還原過電位往往成為限制鋰空氣電池能量密度的主要因素。由于常用炭黑材料結(jié)構(gòu)的限制，需要與氧還原催化劑一同使用才能一定程度上降低鋰空氣電池空氣電極側(cè)的氧還原過電位。在迄今的文獻(xiàn)報(bào)道和專利申請(qǐng)中，硫或硫-氮雜炭的炭源均為石墨類碳(如多壁 /單壁碳納米管，碳納米管具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)成碳納米管的層片之間存在一定的夾角碳納米管的管身是準(zhǔn)圓管結(jié)構(gòu)，并且大多數(shù)由五邊形截面所組成，管身由六邊形碳環(huán)微結(jié)構(gòu)單元組成，端帽部分由含五邊形的碳環(huán)組成的多邊形結(jié)構(gòu)，或者稱為多邊錐形多壁結(jié)構(gòu)。)，并且大都使用在光催化領(lǐng)域(參考文獻(xiàn)，1. Shanhong Wang，Liping Wang， Qunji Xue, Investigation of microstructure and photo-magnetic properties of sulfur-doped DLC nanocomposite films by electrochemical method,Applied Physics A, 102(2011),753-760 ；2. Frank Mendoza, Vladimir Makarov, Arturo Hidalgo, Brad Weiner, Gerardo Morel1, Ultraviolet photosensitivity of sulfur-doped micro—and nano-crystalline diamond, Journal of Applied Physics,109(2011),114904-1-6 ； 3. Tongxiang Cui, Ruitao Lv, Zheng-hong Huang, Feiyu Kang, Kunlin Wang, Dahai Wu, Effect of sulfur on enhancing nitrogen-doping and magnetic properties of carbon nanotubes, Nanoscale Research Letters,77 (2011), 1-6 ；4. Xia Yuan, Xiaojuan Wu, Yuliang An, Qingqi Hou, Synthysis of S doped Y—junction carbon by CVD method, Advanced Materials Research，183 (2011)，1731-1735)。另外，現(xiàn)有的硫或硫-氮雜炭一般采用化學(xué)氣相沉積(CVD)或高能輻射等復(fù)雜、高耗能、制備設(shè)備昂貴的合成方法，因此不利于材料的推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有炭材料應(yīng)用在鋰空氣電池中存在的氧還原過電位較高的缺點(diǎn)問題，提供了一種硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料，以炭黑(carbon black，又名碳黑，一種無定形碳)為炭源，摻雜有硫或硫-氮，成本低且電化學(xué)性能優(yōu)良。本發(fā)明還提供了一種硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料的制備方法，操作簡(jiǎn)單，易于批量制備。
一種硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料，是將硫元素?fù)诫s到炭材料而形成的硫雜炭材料，或者是將硫元素和氮元素兩種摻雜到炭材料而形成的硫-氮雜炭材料；所述的炭材料為碳黑。所述的碳黑可選用市售產(chǎn)品，如常用商品Cabot系列炭材料、Ketjen Black系列炭材料、Kuraray系列炭材料、BP2000炭材料或其他炭材料。為了達(dá)到更好的發(fā)明效果，優(yōu)選所述的硫雜炭材料中硫元素的質(zhì)量百分含量為0. 1% -20% ；或者，所述的硫-氮雜炭材料中硫元素和氮元素兩種的總質(zhì)量百分含量為 0.1%-20%?？蛇M(jìn)一步提高電池性能。硫元素和氮元素兩種中硫元素與氮元素的質(zhì)量比可按任意比。本發(fā)明中是為了在炭材料中摻雜硫元素或硫元素和氮元素兩種，因此只要摻雜原料中含有硫元素或硫元素和氮元素兩種能通過現(xiàn)有摻雜技術(shù)摻雜到炭材料中即可，至于摻雜原料的形態(tài)本發(fā)明沒有特別的限定。所述的硫元素的來源(即硫元素?fù)诫s原料)可選用硫單質(zhì)或硫的前驅(qū)體。所述的硫元素和氮元素兩種的來源(即硫元素和氮元素兩種摻雜原料)可選用氮單質(zhì)和硫單質(zhì)兩種、氮單質(zhì)和硫的前驅(qū)體兩種、硫單質(zhì)和氮的前驅(qū)體兩種或硫-氮的前驅(qū)體。所述的硫的前驅(qū)體可選用含硫元素的化合物，包括在加熱溫度大于室溫下含硫化合物氣體生成的有機(jī)物或在加熱溫度大于室溫下含硫化合物氣體生成的無機(jī)物，可選用二巰基丙醇、硫醚、硫化鐵等含硫元素的化合物中的一種或兩種以上。所述的氮的前驅(qū)體可選用含氮元素的化合物，包括在加熱溫度大于室溫下含氮化合物氣體生成的有機(jī)物或在加熱溫度大于室溫下含氮化合物氣體生成的無機(jī)物，可選用取代或未取代的咪唑、疊氮化鈉、胺、取代或未取代的噻吩等含氮元素的化合物中的一種或兩種以上。所述的硫-氮的前驅(qū)體可選用含硫元素和氮元素的化合物，包括在加熱溫度大于室溫下含硫和氮化合物氣體生成的有機(jī)物或在加熱溫度大于室溫下含硫和氮化合物氣體生成的無機(jī)物，可選用硫脲、硫代乙酰胺、苯磺酰胺、二硫氰基甲烷、硫化銨等含硫元素和氮元素的化合物中的一種或兩種以上。所述的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料的制備方法，包括步驟(1)將硫元素?fù)诫s原料或者硫元素和氮元素兩種摻雜原料與炭材料混合均勻后倒入水中，制成均勻分散的懸濁液；(2)將懸濁液干燥所得物質(zhì)研磨后于密封環(huán)境在惰性氣體氛圍中煅燒，得到硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料。步驟(1)中，所述的均勻分散的懸濁液可采用本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如可采用攪拌、超聲交替進(jìn)行的方式制備均勻分散的懸濁液。步驟O)中，干燥的條件優(yōu)選為50°C -70°C烘干。步驟O)中，所述的惰性氣體選用本領(lǐng)域廣義上的惰性氣體，如氮?dú)狻⒑?、氬氣等中的一種，優(yōu)選為氬氣或氮?dú)?。步驟O)中，煅燒的條件優(yōu)選為500°C -900°C煅燒至少5小時(shí)。
所述的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料可用作或用于制備電池的電極材料，所述的電池優(yōu)選為鋰空氣電池(又名鋰氧氣電池)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明硫或硫-氮雜炭材料的炭源首次選用商品化常用炭黑，是在常用炭黑基礎(chǔ)上對(duì)炭黑進(jìn)行硫或硫-氮元素?fù)诫s改性得到的，其比表面積、孔徑分布、粒徑及導(dǎo)電性(石墨化程度)與所用炭源炭材料相當(dāng)，用作鋰空氣電池或其他電池電極材料時(shí)的電化學(xué)性能優(yōu)越于所用炭源炭材料(沒雜硫或硫-氮)，能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的首次放電性能。本發(fā)明硫或硫-氮雜炭材料改變了現(xiàn)有炭材料在鋰空氣電池中必需與氧還原催化劑一同使用來降低氧還原過電位的缺點(diǎn)，并且使鋰空氣電池空氣電極所用材料的整體成本大幅降低。本發(fā)明硫或硫-氮雜炭材料在鋰空氣電池或其他電池中的應(yīng)用尚屬首例。本發(fā)明硫或硫-氮雜炭材料的制備方法，簡(jiǎn)便易行，所需設(shè)備常見易于滿足，便于批量制備，無疑將有利于材料的推廣使用，具有很好的工業(yè)實(shí)用性。同時(shí)，本發(fā)明的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料使用價(jià)格相對(duì)低廉的商品化炭黑為炭源使材料的生產(chǎn)成本大為降低，并且本發(fā)明的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料可應(yīng)用在電池、催化等新能源領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的商業(yè)應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備的S雜炭材料的X射線衍射(XRD)圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備的S雜炭材料與炭源的X射線光電子譜(XPS)全譜對(duì)比圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1制備的S雜炭材料與炭源的XPS分峰(C峰)對(duì)比圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例1制備的S雜炭材料與炭源XPS的分峰(S峰)對(duì)比圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例1制備的S雜炭材料與炭源的等溫吸附曲線對(duì)比圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例1制備的S雜炭材料與炭源作為電極材料的鋰空氣電池放電曲線對(duì)比圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例2制備的S雜炭材料的XRD圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例2制備的S雜炭材料的XPS全譜圖；圖9是本發(fā)明實(shí)施例2制備的S雜炭材料與炭源的XPS分峰(C峰)對(duì)比圖；圖10是本發(fā)明實(shí)施例2制備的S雜炭材料XPS的分峰(S峰)圖；圖11是本發(fā)明實(shí)施例2制備的S雜炭材料的等溫吸附曲線圖；圖12是本發(fā)明實(shí)施例2制備的S雜炭材料與炭源作為電極材料的鋰空氣電池放電曲線對(duì)比圖；圖13是本發(fā)明實(shí)施例3制備的S雜炭材料的XRD圖；圖14是本發(fā)明實(shí)施例3制備的S雜炭材料的XPS分峰(C峰)圖；圖15是本發(fā)明實(shí)施例3制備的S雜炭材料XPS的分峰(S峰)圖；圖16是本發(fā)明實(shí)施例3制備的S雜炭材料的等溫吸附曲線圖；圖17是本發(fā)明實(shí)施例3制備的S雜炭材料與炭源作為電極材料的鋰空氣電池放電曲線對(duì)比圖18是本發(fā)明實(shí)施例4制備的S-N雜炭材料的XRD圖；；圖19是本發(fā)明實(shí)施例4制備的S-N雜炭材料的XPS分峰(S峰)圖；圖20是本發(fā)明實(shí)施例4制備的S-N雜炭材料的XPS的分峰(N峰)圖；圖21是本發(fā)明實(shí)施例4制備的S-N雜炭材料的等溫吸附曲線；圖22是本發(fā)明實(shí)施例4制備的S-N雜炭材料與炭源作為電極材料的鋰空氣電池放電曲線對(duì)比圖；圖中，intensity為強(qiáng)度，2 θ為衍射角，CPS為每秒鐘計(jì)量數(shù)(相當(dāng)于強(qiáng)度)， Binding Energy 為電子結(jié)合能，EC600JD ori、EC600JD 和 KB-EC600JD 均表示炭黑(Ketjen black EC600JD)，S d EC600JD 和 S d KB-EC600JD 均表示 S 雜炭材料，S-Nd EC600JD 表示S-N雜炭材料，Quantity Adsorbed為氣體吸附量，Relative Pressure為相對(duì)壓力， Adsorption EC600JD表示炭材料KB-EC600JD的等溫吸脫曲線的吸附分支，Desorption EC600JD表示炭材料KB-EC600JD的等溫吸脫曲線的脫附分支，Adsorption SdEC600JD和 SdEC600JDAdsorption均表示S雜EC600JD材料等溫吸脫曲線的吸附分支，Desorption SdEC600JD和SdEC600JD Desorption均表示S雜EC600JD材料等溫吸脫曲線的脫附分支， S-NdEC600JDAdsorption表示S-N雜EC600JD材料等溫吸脫曲線的吸附分支，S-N dEC600JD Desorption表示S-N雜EC600JD材料等溫吸脫曲線的脫附分支，Cell voltage為電池電壓，Specifical capacity 為比容量。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。實(shí)施例1一、S雜炭的制備(1)取一定量S單質(zhì)和炭黑(Ketjen black EC600JD)，按質(zhì)量比S 炭黑= 15 85投料。(2)將S單質(zhì)與炭黑在研缽中研磨少許，以使S單質(zhì)與炭黑初步混合均勻。(3)將步驟O)中初步混合均勻的混合物傾倒入二次去離子水中，用攪拌、超聲交替進(jìn)行的方式將其形成均勻分散的懸濁液(呈凝膠狀)。(4)將步驟(3)中均勻分散的懸濁液入烘箱中60°C烘干，然后用研缽將烘干后的混合物研細(xì)。(5)將步驟(4)中研細(xì)的混合物轉(zhuǎn)移到瓷釉中，并放入管式爐中，在Ar氣氛下 900°C煅燒5小時(shí)，得到產(chǎn)物，產(chǎn)物經(jīng)XRD分析證明為S雜炭材料，XRD圖譜如圖1，圖1中 002和100均為C的峰。得到的S雜炭材料中S雜量為IOwt. % (重量百分比)。二、空氣電極制備將第一部分得到的S雜炭材料研磨均勻后加入混勻的聚四氟乙烯(PTFE) +二次去離子水(D. I. W) +辛基酚聚氧乙烯醚(0P，一種乳化劑)乳液(該乳液中PTFE的重量百分含量為60%，D. I. W的重量百分含量為30%，OP的重量百分含量為10% )，S雜炭材料與乳液的質(zhì)量比為85 15，攪拌成粘稠狀，將其涂在約0.1mm厚的集流體泡沫鎳上。待干燥后，放在真空烘箱中120°C烘干10小時(shí)后沖成圓片狀(Φ = 14mm)的S雜炭材料電極，移入充滿氬氣的手套箱備用。
三、鋰空氣電池組裝以第二部分所制備的S雜炭材料電極為工作電極，金屬鋰片為輔助電極，電解液為L(zhǎng)iPF6濃度為lmol/L的LiPF6/EC (碳酸乙烯酯)+DMC (碳酸二甲酯)+DEC (碳酸二乙酯) (EC、DMC與DEC的體積比為1:1:1)溶液，隔膜為微孔聚丙烯Celgard-2400膜，組裝成帶有空氣(氧氣)擴(kuò)散孔的CR2032扣式電池。將組裝好的帶有空氣(氧氣)擴(kuò)散孔的 CR2032扣式電池放入測(cè)試裝置中充放電。四、電池充放電充放電截止電壓2V 4. 2V，充放電電流密度j = SmAg—1。充放電結(jié)果見圖6。比較例1一、空氣電極制備將一定量的炭黑(Ketjen black EC600JD，簡(jiǎn)稱KB EC600JD)研磨均勻后加入混勻的 PTFE+D. I. W+P0 乳液(PTFE 60wt. %, D. I. W30wt. %, POlOwt. % )，炭黑與乳液的質(zhì)量比為85 15，攪拌成粘稠狀，將其涂在約0.1mm厚的集流體泡沫鎳上。待干燥后，放在真空烘箱中120°C烘干10小時(shí)后沖成圓片狀(Φ = 14mm)的KB EC600JD電極，移入充滿氬氣的
手套箱備用。二、鋰空氣電池組裝以第一部分所制備的KB EC600JD電極為工作電極，金屬鋰片為輔助電極，電解液為L(zhǎng)iPF6濃度為lmol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC(l 1 1，ν/ν/ν)溶液，隔膜為微孔聚丙烯 Celgard-MOO膜，組裝成帶有空氣(氧氣)擴(kuò)散孔的CR2032扣式電池。將組裝好的空氣電池放入測(cè)試裝置中充放電。三、電池充放電充放電截止電壓2V 4. 2V，充放電電流密度j = SmAg—1。充放電結(jié)果見圖6。圖2-圖4表明S元素已經(jīng)成功摻雜到炭黑材料中；圖1和圖5可以看出S元素的摻雜并沒有破壞原炭材料的晶型結(jié)構(gòu)和空結(jié)構(gòu)及空分布；圖6的首次放電結(jié)果表明S元素的摻雜提高了炭材料作為電極材料的放電比容量和放電平臺(tái)，也就是與沒有摻雜的炭材料相比本發(fā)明的硫雜炭材料的電化學(xué)性能得到提高。實(shí)施例2一、S雜炭的制備(1)取一定量S單質(zhì)和炭黑(Ketjen black EC600JD)，按質(zhì)量比S 炭黑= 25 75投料。(2)將S單質(zhì)與炭黑在研缽中研磨少許，以使S單質(zhì)與炭黑初步混合均勻。(3)將步驟O)中初步混合均勻的混合物傾倒入二次去離子水中，用攪拌、超聲交替進(jìn)行的方式將其形成均勻分散的懸濁液(呈凝膠狀)。(4)將步驟(3)中均勻分散的懸濁液入烘箱中60°C烘干，然后用研缽將烘干后的混合物研細(xì)。(5)將步驟(4)中研細(xì)的混合物轉(zhuǎn)移到瓷釉中，并放入管式爐中，在Ar氣氛下 900°C煅燒5小時(shí)，得到產(chǎn)物，產(chǎn)物經(jīng)XRD分析證明為S雜炭材料，XRD圖譜如圖7，圖7中 002和100均為C的峰。得到的S雜炭材料中S雜量為20wt. %。二、空氣電極制備
將第一部分得到的S雜炭材料(S雜量為20wt. % )研磨均勻后加入混勻的 PTFE+D. I. W+0P乳液(該乳液中PTFE的重量百分含量為60%，D. I. W的重量百分含量為 30%，0P的重量百分含量為10%)，S雜炭材料與乳液的質(zhì)量比為85 15，攪拌成粘稠狀， 將其涂在約0. Imm厚的集流體泡沫鎳上。待干燥后，放在真空烘箱中120°C烘干10小時(shí)后沖成圓片狀(Φ = 14mm)的S雜炭材料電極，移入充滿氬氣的手套箱備用。三、鋰空氣電池組裝以第二部分所制備的S雜炭材料(S雜量為20wt. % )電極為工作電極，金屬鋰片為輔助電極，電解液為L(zhǎng)iPF6濃度為lmol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC (EC、DMC與DEC的體積比為1 1 1)溶液，隔膜為微孔聚丙烯Celgard-MOO膜，組裝成帶有空氣(氧氣)擴(kuò)散孔的CR2032扣式電池。將組裝好的帶有空氣(氧氣)擴(kuò)散孔的CR2032扣式電池放入測(cè)試裝置中充放電。四、電池充放電充放電截止電壓2V 4. 2V，充放電電流密度j = SmAg—1。充放電結(jié)果見圖12。圖8-圖10表明S元素已經(jīng)成功摻雜到炭黑材料中；圖7和圖11可以看出S元素的摻雜并沒有破壞原炭材料的晶型結(jié)構(gòu)和空結(jié)構(gòu)及空分布；圖12的首次放電結(jié)果表明S 元素的摻雜提高了材料作為電極材料的放電比容量和放電平臺(tái)，也就是電化學(xué)性能得到提尚。實(shí)施例3一、S雜炭的制備(1)取一定量S單質(zhì)和炭黑(Ketjen black EC600JD)，按質(zhì)量比S 炭黑=2 98 投料。(2)將S單質(zhì)與炭黑在研缽中研磨少許，以使S單質(zhì)與炭黑初步混合均勻。(3)將步驟O)中初步混合均勻的混合物傾倒入二次去離子水中，用攪拌、超聲交替進(jìn)行的方式將其形成均勻分散的懸濁液(呈凝膠狀)。(4)將步驟(3)中均勻分散的懸濁液入烘箱中60°C烘干，然后用研缽將烘干后的混合物研細(xì)。(5)將步驟(4)中研細(xì)的混合物轉(zhuǎn)移到瓷釉中，并放入管式爐中，在Ar氣氛下 900°C煅燒5小時(shí)，得到產(chǎn)物，產(chǎn)物經(jīng)XRD分析證明為S雜炭材料，其中S雜量為0. Iwt. %, XRD圖譜如圖13，圖13中002和100均為C的峰。得到的S雜炭材料中S雜量為0. Iwt. %。二、空氣電極制備將第一部分得到的S雜炭材料(S雜量為0. Iwt. % )研磨均勻后加入混勻的 PTFE+D. I. W+0P乳液(該乳液中PTFE的重量百分含量為60%，D. I. W的重量百分含量為 30%，0P的重量百分含量為10%)，S雜炭材料與乳液的質(zhì)量比為85 15，攪拌成粘稠狀， 將其涂在約0. Imm厚的集流體泡沫鎳上。待干燥后，放在真空烘箱中120°C烘干10小時(shí)后沖成圓片狀(Φ = 14mm)的S雜炭材料電極，移入充滿氬氣的手套箱備用。三、鋰空氣電池組裝以第二部分所制備的S雜炭材料(S雜量為0. Iwt. % )電極為工作電極，金屬鋰片為輔助電極，電解液為L(zhǎng)iPF6濃度為lmol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC (EC、DMC與DEC的體積比為1 1 1)溶液，隔膜為微孔聚丙烯Celgard-MOO膜，組裝成帶有空氣(氧氣)擴(kuò)散孔的CR2032扣式電池。將組裝好的帶有空氣(氧氣)擴(kuò)散孔的CR2032扣式電池放入測(cè)試裝置中充放電。四、電池充放電充放電截止電壓2V 4. 2V，充放電電流密度j = SmAg—1。充放電結(jié)果見圖17。圖14和圖15表明S元素已有摻雜，因摻雜量較少XPS譜圖中S信號(hào)不明顯；圖 13和圖16可以看出S元素的摻雜并沒有破壞原炭材料的晶型結(jié)構(gòu)和空結(jié)構(gòu)及空分布；圖 17的首次放電結(jié)果表明S元素的摻雜一定程度上提高了材料作為電極材料的放電比容量和放電平臺(tái)，也就是電化學(xué)性能得到提高，因摻雜量較少提高不是很明顯。實(shí)施例4一、S雜炭的制備(1)取一定量硫脲和炭黑(Ketjen black EC600JD)，按質(zhì)量比S 炭黑=15 85 投料。(2)將硫脲與炭黑在研缽中研磨少許，以使硫脲與炭黑初步混合均勻。(3)將步驟O)中初步混合均勻的混合物傾倒入二次去離子水中，用攪拌、超聲交替進(jìn)行的方式將其形成均勻分散的懸濁液(呈凝膠狀)。(4)將步驟(3)中均勻分散的懸濁液入烘箱中60°C烘干，然后用研缽將烘干后的混合物研細(xì)。(5)將步驟(4)中研細(xì)的混合物轉(zhuǎn)移到瓷釉中，并放入管式爐中，在Ar氣氛下 500°C煅燒5小時(shí)，得到產(chǎn)物，產(chǎn)物經(jīng)XRD分析證明為S-N雜炭材料，XRD圖譜如圖18，圖18 中002和100均為C的峰。得到的S雜炭材料中S雜量為IOwt. %，N雜量為0. 5wt%。二、空氣電極制備將第一部分得到的S-N雜炭材料(S雜量為IOwt. %，N雜量為0. 5wt% )研磨均勻后加入混勻的PTFE+D. I. W+0P乳液(該乳液中PTFE的重量百分含量為60%，D. I. W的重量百分含量為30%，OP的重量百分含量為10%)，S-N雜炭材料與乳液的質(zhì)量比為85 15， 攪拌成粘稠狀，將其涂在約0. Imm厚的集流體泡沫鎳上。待干燥后，放在真空烘箱中120°C 烘干10小時(shí)后沖成圓片狀(Φ = 14mm)的S-N雜炭材料電極，移入充滿氬氣的手套箱備用。三、鋰空氣電池組裝以第二部分所制備的S雜炭材料(S雜量為IOwt. %, N雜量為0. 5wt% )電極為工作電極，金屬鋰片為輔助電極，電解液為L(zhǎng)iPF6濃度為lmol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC (EC、 DMC與DEC的體積比為1 1 1)溶液，隔膜為微孔聚丙烯Celgard-MOO膜，組裝成帶有空氣(氧氣)擴(kuò)散孔的CR2032扣式電池。將組裝好的帶有空氣(氧氣)擴(kuò)散孔的CR2032 扣式電池放入測(cè)試裝置中充放電。四、電池充放電充放電截止電壓2V 4. 2V，充放電電流密度j = SmAg—1。充放電結(jié)果見圖22。圖19和圖20表明S元素和N元素已成功摻雜到炭黑材料中，但N摻雜量較少于 S摻雜量；圖18和圖21可以看出S、N元素的摻雜并沒有破壞原炭材料的晶型結(jié)構(gòu)和空結(jié)構(gòu)及空分布；圖22的首次放電結(jié)果表明S、N元素的摻雜提高了材料作為電極材料的放電比容量和放電平臺(tái)，也就是電化學(xué)性能得到明顯提高。比較例2
一、空氣電極制備將硫雜炭(Sd-MWCNTs)材料(炭源為多壁碳納米管MWCNTs)研磨均勻后加入混勻的 PTFE+D. I.ff+PO(PTFE 60wt. %, D. I. W30wt. %, POlOwt. % )乳液，其中硫雜炭材料中硫元素的質(zhì)量百分含量為10%，硫雜炭(Sd-MWCNTs)材料與乳液的質(zhì)量比為85 15，攪拌成粘稠狀，將其涂在約0. Imm厚的集流體泡沫鎳上。待干燥后，放在真空烘箱中120°C烘干 10小時(shí)后沖成圓片狀(Φ = 14mm)的硫雜炭材料(炭源為MWCNTs)電極，移入充滿氬氣的手套箱備用。二、鋰空氣電池組裝以第一部分所制備的硫雜炭材料(炭源為多壁碳納米管MWCNTs)電極為工作電極，金屬鋰片為輔助電極，電解液為L(zhǎng)iPF6濃度為lmol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC(l 1 Lv/ ν/ν)溶液，隔膜為微孔聚丙烯Celgard-MOO膜，組裝成帶有空氣(氧氣)擴(kuò)散孔的CR2032 扣式電池。將組裝好的空氣電池放入測(cè)試裝置中充放電。三、電池充放電充放電截止電壓2V 4. 2V，充放電電流密度j = SmAg—1。首次充放電結(jié)果顯示 實(shí)施例1的S雜炭材料和實(shí)施例4的S-N雜炭材料作為電極材料的放電比容量和放電平臺(tái)等電化學(xué)性能與該硫雜炭材料(炭源為多壁碳納米管MWCNTs)相比得到明顯提高的。以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料，其特征在于，是將硫元素?fù)诫s到炭材料而形成的硫雜炭材料，或者是將硫元素和氮元素兩種摻雜到炭材料而形成的硫-氮雜炭材料，所述的炭材料為碳黑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料，其特征在于，所述的硫雜炭材料中硫元素的質(zhì)量百分含量為0. -20% ；或者，所述的硫-氮雜炭材料中硫元素和氮元素兩種的總質(zhì)量百分含量為 0. 1% -20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料，其特征在于，所述的硫元素的來源為硫單質(zhì)或含硫的化合物；所述的含硫的化合物包括在加熱溫度大于室溫下含硫化合物氣體生成的有機(jī)物或在加熱溫度大于室溫下含硫化合物氣體生成的無機(jī)物；所述的硫元素和氮元素兩種的來源為氮單質(zhì)和硫單質(zhì)兩種、硫單質(zhì)和含氮元素的化合物兩種、氮單質(zhì)和含硫元素的化合物兩種或者含硫元素和氮元素的化合物；所述的含硫元素和氮元素的化合物包括在加熱溫度大于室溫下含硫和氮化合物氣體生成的有機(jī)物或者在加熱溫度大于室溫下含硫和氮化合物氣體生成的無機(jī)物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料，其特征在于，所述的含氮元素的化合物為取代或未取代的咪唑、疊氮化鈉、胺、取代或未取代的噻吩中的一種或兩種以上；所述的含硫元素的化合物為二巰基丙醇、硫醚、硫化鐵中的一種或兩種以上；所述的含硫元素和氮元素的化合物為硫脲、硫代乙酰胺、苯磺酰胺、二硫氰基甲烷、硫化銨中的一種或兩種以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料的制備方法，包括步驟(1)將硫元素?fù)诫s原料或者硫元素和氮元素兩種摻雜原料與炭材料混合均勻后倒入水中，制成均勻分散的懸濁液；(2)將懸濁液干燥所得物質(zhì)研磨后于密封環(huán)境在惰性氣體氛圍中煅燒，得到硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料的制備方法，其特征在于，步驟 (2)中，干燥的條件為50°C -70°C烘干。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料的制備方法，其特征在于，步驟 (2)中，所述的惰性氣體為氬氣或氮?dú)狻?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料的制備方法，其特征在于，步驟 (2)中，煅燒的條件為500°C -900°C煅燒至少5小時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料在作為或制備電池的電極材料中的應(yīng)用。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，所述的電池為鋰空氣電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料，是將硫元素?fù)诫s到炭材料而形成的硫雜炭材料，或者是將硫元素和氮元素兩種摻雜到炭材料而形成的硫-氮雜炭材料；所述的炭材料為碳黑。該材料可用作或用于制備電池的電極材料，具有優(yōu)良的電化學(xué)性能。本發(fā)明還公開了該硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料的制備方法，包括將硫元素?fù)诫s原料或者硫元素和氮元素兩種摻雜原料與炭材料混合均勻后倒入水中，制成均勻分散的懸濁液；將懸濁液干燥所得物質(zhì)研磨后在惰性氣體氛圍中煅燒，得到硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料；該方法操作簡(jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01M12/06GK102544521SQ20121000509
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者劉現(xiàn)軍, 王德宇 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所