[發明專利]一種硫雜炭材料或硫-氮雜炭材料及其制備方法和應用

無效

• 申請號: 201210005095.7
• 申請日: 2012-01-09
• 公開（公告）號: CN102544521A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 劉現軍;王德宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/02;H01M12/06
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠午

技術領域

本發明涉及材料領域，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用。

背景技術

目前，鋰空氣電池的空氣電極多采用商業化炭黑(如KB系列、XC-72和XC-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雜且制備量有限，不宜工業生產。石墨烯制備工藝復雜且不易制備，導致其價格昂貴。商業化炭黑雖能大量生產，價格適中。然而，鋰空氣電池中空氣電極側(也就是鋰空氣電池正極)存在的主要問題是：空氣電極側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構的限制，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的氧還原過電位。

在迄今的文獻報道和專利申請中，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構特征，構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圓管結構，并且大多數由五邊形截面所組成，管身由六邊形碳環微結構單元組成，端帽部分由含五邊形的碳環組成的多邊形結構，或者稱為多邊錐形多壁結構。)，并且大都使用在光催化領域(參考文獻，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?Morell，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，現有的硫或硫-氮雜炭一般采用化學氣相沉積(CVD)或高能輻射等復雜、高耗能、制備設備昂貴的合成方法，因此不利于材料的推廣使用。

發明內容

本發明為了解決現有炭材料應用在鋰空氣電池中存在的氧還原過電位較高的缺點問題，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，成本低且電化學性能優良。

本發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，是將硫元素摻雜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。

為了達到更好的發明效果，優選：

所述的硫雜炭材料中硫元素的質量百分含量為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量百分含量為0.1％-20％。可進一步提高電池性能。

硫元素和氮元素兩種中硫元素與氮元素的質量比可按任意比。

本發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有摻雜技術摻雜到炭材料中即可，至于摻雜原料的形態本發明沒有特別的限定。