CN102544521A - 一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料及其制备方法和应用 Download PDF

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刘现军
王德宇
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Abstract

本发明公开了一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，是将硫元素掺杂到炭材料而形成的硫杂炭材料，或者是将硫元素和氮元素两种掺杂到炭材料而形成的硫-氮杂炭材料；所述的炭材料为碳黑。该材料可用作或用于制备电池的电极材料，具有优良的电化学性能。本发明还公开了该硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料的制备方法，包括：将硫元素掺杂原料或者硫元素和氮元素两种掺杂原料与炭材料混合均匀后倒入水中，制成均匀分散的悬浊液；将悬浊液干燥所得物质研磨后在惰性气体氛围中煅烧，得到硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料；该方法操作简单，易于批量生产。

Description

一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及材料领域，具体涉及一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前，锂空气电池的空气电极多采用商业化炭黑(如KB系列、XC-72和XC-72R、BP2000等)、自制活性炭、炭汽凝胶、石墨烯和氧还原催化剂作为电极材料。其中，自制活性炭和炭汽凝胶大都制备工艺复杂且制备量有限，不宜工业生产。石墨烯制备工艺复杂且不易制备，导致其价格昂贵。商业化炭黑虽能大量生产，价格适中。然而，锂空气电池中空气电极侧(也就是锂空气电池正极)存在的主要问题是：空气电极侧的氧还原过电位往往成为限制锂空气电池能量密度的主要因素。由于常用炭黑材料结构的限制，需要与氧还原催化剂一同使用才能一定程度上降低锂空气电池空气电极侧的氧还原过电位。
在迄今的文献报道和专利申请中，硫或硫-氮杂炭的炭源均为石墨类碳(如多壁/单壁碳纳米管，碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成，管身由六边形碳环微结构单元组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。)，并且大都使用在光催化领域(参考文献，1.Shanhong Wang，LipingWang，Qunji Xue，Investigation of microstructure and photo-magnetic propertiesof sulfur-doped DLC nanocomposite films by electrochemical method，AppliedPhysics A，102(2011)，753-760；2.Frank Mendoza，Vladimir Makarov，ArturoHidalgo，Brad Weiner，Gerardo Morell，Ultraviolet photosensitivity ofsulfur-doped micro-and nano-crystalline diamond，Journal of Applied Physics，109(2011)，114904-1-6；3.Tongxiang Cui，Ruitao Lv，Zheng-hong Huang，FeiyuKang，Kunlin Wang，Dahai Wu，Effect of sulfur on enhancing nitrogen-dopingand magnetic properties of carbon nanotubes，Nanoscale Research Letters，77(2011)，1-6；4.Xia Yuan，Xiaojuan Wu，Yuliang An，Qingqi Hou，Synthysis of Sdoped Y-junction carbon by CVD method，Advanced Materials Research，183(2011)，1731-1735)。另外，现有的硫或硫-氮杂炭一般采用化学气相沉积(CVD)或高能辐射等复杂、高耗能、制备设备昂贵的合成方法，因此不利于材料的推广使用。
发明内容
本发明为了解决现有炭材料应用在锂空气电池中存在的氧还原过电位较高的缺点问题，提供了一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，以炭黑(carbonblack，又名碳黑，一种无定形碳)为炭源，掺杂有硫或硫-氮，成本低且电化学性能优良。
本发明还提供了一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料的制备方法，操作简单，易于批量制备。
一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，是将硫元素掺杂到炭材料而形成的硫杂炭材料，或者是将硫元素和氮元素两种掺杂到炭材料而形成的硫-氮杂炭材料；所述的炭材料为碳黑。
所述的碳黑可选用市售产品，如常用商品Cabot系列炭材料、KetjenBlack系列炭材料、Kuraray系列炭材料、BP2000炭材料或其他炭材料。
为了达到更好的发明效果，优选：
所述的硫杂炭材料中硫元素的质量百分含量为0.1％-20％；
或者，所述的硫-氮杂炭材料中硫元素和氮元素两种的总质量百分含量为0.1％-20％。可进一步提高电池性能。
硫元素和氮元素两种中硫元素与氮元素的质量比可按任意比。
本发明中是为了在炭材料中掺杂硫元素或硫元素和氮元素两种，因此只要掺杂原料中含有硫元素或硫元素和氮元素两种能通过现有掺杂技术掺杂到炭材料中即可，至于掺杂原料的形态本发明没有特别的限定。
所述的硫元素的来源(即硫元素掺杂原料)可选用硫单质或硫的前驱体。
所述的硫元素和氮元素两种的来源(即硫元素和氮元素两种掺杂原料)可选用氮单质和硫单质两种、氮单质和硫的前驱体两种、硫单质和氮的前驱体两种或硫-氮的前驱体。
所述的硫的前驱体可选用含硫元素的化合物，包括在加热温度大于室温下含硫化合物气体生成的有机物或在加热温度大于室温下含硫化合物气体生成的无机物，可选用二巯基丙醇、硫醚、硫化铁等含硫元素的化合物中的一种或两种以上。
所述的氮的前驱体可选用含氮元素的化合物，包括在加热温度大于室温下含氮化合物气体生成的有机物或在加热温度大于室温下含氮化合物气体生成的无机物，可选用取代或未取代的咪唑、叠氮化钠、胺、取代或未取代的噻吩等含氮元素的化合物中的一种或两种以上。
所述的硫-氮的前驱体可选用含硫元素和氮元素的化合物，包括在加热温度大于室温下含硫和氮化合物气体生成的有机物或在加热温度大于室温下含硫和氮化合物气体生成的无机物，可选用硫脲、硫代乙酰胺、苯磺酰胺、二硫氰基甲烷、硫化铵等含硫元素和氮元素的化合物中的一种或两种以上。
所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料的制备方法，包括步骤：
(1)将硫元素掺杂原料或者硫元素和氮元素两种掺杂原料与炭材料混合均匀后倒入水中，制成均匀分散的悬浊液；
(2)将悬浊液干燥所得物质研磨后于密封环境在惰性气体氛围中煅烧，得到硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料。
步骤(1)中，所述的均匀分散的悬浊液可采用本领域现有技术实现，如可采用搅拌、超声交替进行的方式制备均匀分散的悬浊液。
步骤(2)中，干燥的条件优选为：50℃-70℃烘干。
步骤(2)中，所述的惰性气体选用本领域广义上的惰性气体，如氮气、氦气、氩气等中的一种，优选为氩气或氮气。
步骤(2)中，煅烧的条件优选为：500℃-900℃煅烧至少5小时。
所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料可用作或用于制备电池的电极材料，所述的电池优选为锂空气电池(又名锂氧气电池)。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明硫或硫-氮杂炭材料的炭源首次选用商品化常用炭黑，是在常用炭黑基础上对炭黑进行硫或硫-氮元素掺杂改性得到的，其比表面积、孔径分布、粒径及导电性(石墨化程度)与所用炭源炭材料相当，用作锂空气电池或其他电池电极材料时的电化学性能优越于所用炭源炭材料(没杂硫或硫-氮)，能够表现出优异的首次放电性能。
本发明硫或硫-氮杂炭材料改变了现有炭材料在锂空气电池中必需与氧还原催化剂一同使用来降低氧还原过电位的缺点，并且使锂空气电池空气电极所用材料的整体成本大幅降低。
本发明硫或硫-氮杂炭材料在锂空气电池或其他电池中的应用尚属首例。
本发明硫或硫-氮杂炭材料的制备方法，简便易行，所需设备常见易于满足，便于批量制备，无疑将有利于材料的推广使用，具有很好的工业实用性。同时，本发明的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料使用价格相对低廉的商品化炭黑为炭源使材料的生产成本大为降低，并且本发明的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料可应用在电池、催化等新能源领域，具有很强的商业应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的S杂炭材料的X射线衍射(XRD)图；
图2是本发明实施例1制备的S杂炭材料与炭源的X射线光电子谱(XPS)全谱对比图；
图3是本发明实施例1制备的S杂炭材料与炭源的XPS分峰(C峰)对比图；
图4是本发明实施例1制备的S杂炭材料与炭源XPS的分峰(S峰)对比图；
图5是本发明实施例1制备的S杂炭材料与炭源的等温吸附曲线对比图；
图6是本发明实施例1制备的S杂炭材料与炭源作为电极材料的锂空气电池放电曲线对比图；
图7是本发明实施例2制备的S杂炭材料的XRD图；
图8是本发明实施例2制备的S杂炭材料的XPS全谱图；
图9是本发明实施例2制备的S杂炭材料与炭源的XPS分峰(C峰)对比图；
图10是本发明实施例2制备的S杂炭材料XPS的分峰(S峰)图；
图11是本发明实施例2制备的S杂炭材料的等温吸附曲线图；
图12是本发明实施例2制备的S杂炭材料与炭源作为电极材料的锂空气电池放电曲线对比图；
图13是本发明实施例3制备的S杂炭材料的XRD图；
图14是本发明实施例3制备的S杂炭材料的XPS分峰(C峰)图；
图15是本发明实施例3制备的S杂炭材料XPS的分峰(S峰)图；
图16是本发明实施例3制备的S杂炭材料的等温吸附曲线图；
图17是本发明实施例3制备的S杂炭材料与炭源作为电极材料的锂空气电池放电曲线对比图；
图18是本发明实施例4制备的S-N杂炭材料的XRD图；；
图19是本发明实施例4制备的S-N杂炭材料的XPS分峰(S峰)图；
图20是本发明实施例4制备的S-N杂炭材料的XPS的分峰(N峰)图；
图21是本发明实施例4制备的S-N杂炭材料的等温吸附曲线；
图22是本发明实施例4制备的S-N杂炭材料与炭源作为电极材料的锂空气电池放电曲线对比图；
图中，intensity为强度，2θ为衍射角，CPS为每秒钟计量数(相当于强度)，Binding Energy为电子结合能，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杂炭材料，S-Nd EC600JD表示S-N杂炭材料，Quantity Adsorbed为气体吸附量，Relative Pressure为相对压力，Adsorption EC600JD表示炭材料KB-EC600JD的等温吸脱曲线的吸附分支，Desorption EC600JD表示炭材料KB-EC600JD的等温吸脱曲线的脱附分支，Adsorption SdEC600JD和SdEC600JDAdsorption均表示S杂EC600JD材料等温吸脱曲线的吸附分支，Desorption SdEC600JD和SdEC600JD Desorption均表示S杂EC600JD材料等温吸脱曲线的脱附分支，S-NdEC600JDAdsorption表示S-N杂EC600JD材料等温吸脱曲线的吸附分支，S-N dEC600JD Desorption表示S-N杂EC600JD材料等温吸脱曲线的脱附分支，Cell voltage为电池电压，Specifical capacity为比容量。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
一、S杂炭的制备
(1)取一定量S单质和炭黑(Ketjen black EC600JD)，按质量比S∶炭黑＝15∶85投料。
(2)将S单质与炭黑在研钵中研磨少许，以使S单质与炭黑初步混合均匀。
(3)将步骤(2)中初步混合均匀的混合物倾倒入二次去离子水中，用搅拌、超声交替进行的方式将其形成均匀分散的悬浊液(呈凝胶状)。
(4)将步骤(3)中均匀分散的悬浊液入烘箱中60℃烘干，然后用研钵将烘干后的混合物研细。
(5)将步骤(4)中研细的混合物转移到瓷釉中，并放入管式炉中，在Ar气氛下900℃煅烧5小时，得到产物，产物经XRD分析证明为S杂炭材料，XRD图谱如图1，图1中002和100均为C的峰。得到的S杂炭材料中S杂量为10wt.％(重量百分比)。
二、空气电极制备
将第一部分得到的S杂炭材料研磨均匀后加入混匀的聚四氟乙烯(PTFE)+二次去离子水(D.I.W)+辛基酚聚氧乙烯醚(OP，一种乳化剂)乳液(该乳液中PTFE的重量百分含量为60％，D.I.W的重量百分含量为30％，OP的重量百分含量为10％)，S杂炭材料与乳液的质量比为85∶15，搅拌成粘稠状，将其涂在约0.1mm厚的集流体泡沫镍上。待干燥后，放在真空烘箱中120℃烘干10小时后冲成圆片状(φ＝14mm)的S杂炭材料电极，移入充满氩气的手套箱备用。
三、锂空气电池组装
以第二部分所制备的S杂炭材料电极为工作电极，金属锂片为辅助电极，电解液为LiPF6浓度为1mol/L的LiPF6/EC(碳酸乙烯酯)+DMC(碳酸二甲酯)+DEC(碳酸二乙酯)(EC、DMC与DEC的体积比为1∶1∶1)溶液，隔膜为微孔聚丙烯Celgard-2400膜，组装成带有空气(氧气)扩散孔的CR2032扣式电池。将组装好的带有空气(氧气)扩散孔的CR2032扣式电池放入测试装置中充放电。
四、电池充放电
充放电截止电压2V～4.2V，充放电电流密度j＝5mAg-1。充放电结果见图6。
比较例1
一、空气电极制备
将一定量的炭黑(Ketjen black EC600JD，简称：KB EC600JD)研磨均匀后加入混匀的PTFE+D.I.W+PO乳液(PTFE 60wt.％，D.I.W30wt.％，PO10wt.％)，炭黑与乳液的质量比为85∶15，搅拌成粘稠状，将其涂在约0.1mm厚的集流体泡沫镍上。待干燥后，放在真空烘箱中120℃烘干10小时后冲成圆片状(φ＝14mm)的KB EC600JD电极，移入充满氩气的手套箱备用。
二、锂空气电池组装
以第一部分所制备的KB EC600JD电极为工作电极，金属锂片为辅助电极，电解液为LiPF6浓度为1mol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC(1∶1∶1，v/v/v)溶液，隔膜为微孔聚丙烯Celgard-2400膜，组装成带有空气(氧气)扩散孔的CR2032扣式电池。将组装好的空气电池放入测试装置中充放电。
三、电池充放电
充放电截止电压2V～4.2V，充放电电流密度j＝5mAg-1。充放电结果见图6。
图2-图4表明S元素已经成功掺杂到炭黑材料中；图1和图5可以看出S元素的掺杂并没有破坏原炭材料的晶型结构和空结构及空分布；图6的首次放电结果表明S元素的掺杂提高了炭材料作为电极材料的放电比容量和放电平台，也就是与没有掺杂的炭材料相比本发明的硫杂炭材料的电化学性能得到提高。
实施例2
一、S杂炭的制备
(1)取一定量S单质和炭黑(Ketjen black EC600JD)，按质量比S∶炭黑＝25∶75投料。
(2)将S单质与炭黑在研钵中研磨少许，以使S单质与炭黑初步混合均匀。
(3)将步骤(2)中初步混合均匀的混合物倾倒入二次去离子水中，用搅拌、超声交替进行的方式将其形成均匀分散的悬浊液(呈凝胶状)。
(4)将步骤(3)中均匀分散的悬浊液入烘箱中60℃烘干，然后用研钵将烘干后的混合物研细。
(5)将步骤(4)中研细的混合物转移到瓷釉中，并放入管式炉中，在Ar气氛下900℃煅烧5小时，得到产物，产物经XRD分析证明为S杂炭材料，XRD图谱如图7，图7中002和100均为C的峰。得到的S杂炭材料中S杂量为20wt.％。
二、空气电极制备
将第一部分得到的S杂炭材料(S杂量为20wt.％)研磨均匀后加入混匀的PTFE+D.I.W+OP乳液(该乳液中PTFE的重量百分含量为60％，D.I.W的重量百分含量为30％，OP的重量百分含量为10％)，S杂炭材料与乳液的质量比为85∶15，搅拌成粘稠状，将其涂在约0.1mm厚的集流体泡沫镍上。待干燥后，放在真空烘箱中120℃烘干10小时后冲成圆片状(φ＝14mm)的S杂炭材料电极，移入充满氩气的手套箱备用。
三、锂空气电池组装
以第二部分所制备的S杂炭材料(S杂量为20wt.％)电极为工作电极，金属锂片为辅助电极，电解液为LiPF6浓度为1mol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC(EC、DMC与DEC的体积比为1∶1∶1)溶液，隔膜为微孔聚丙烯Celgard-2400膜，组装成带有空气(氧气)扩散孔的CR2032扣式电池。将组装好的带有空气(氧气)扩散孔的CR2032扣式电池放入测试装置中充放电。
四、电池充放电
充放电截止电压2V～4.2V，充放电电流密度j＝5mAg-1。充放电结果见图12。
图8-图10表明S元素已经成功掺杂到炭黑材料中；图7和图11可以看出S元素的掺杂并没有破坏原炭材料的晶型结构和空结构及空分布；图12的首次放电结果表明S元素的掺杂提高了材料作为电极材料的放电比容量和放电平台，也就是电化学性能得到提高。
实施例3
一、S杂炭的制备
(1)取一定量S单质和炭黑(Ketjen black EC600JD)，按质量比S∶炭黑＝2∶98投料。
(2)将S单质与炭黑在研钵中研磨少许，以使S单质与炭黑初步混合均匀。
(3)将步骤(2)中初步混合均匀的混合物倾倒入二次去离子水中，用搅拌、超声交替进行的方式将其形成均匀分散的悬浊液(呈凝胶状)。
(4)将步骤(3)中均匀分散的悬浊液入烘箱中60℃烘干，然后用研钵将烘干后的混合物研细。
(5)将步骤(4)中研细的混合物转移到瓷釉中，并放入管式炉中，在Ar气氛下900℃煅烧5小时，得到产物，产物经XRD分析证明为S杂炭材料，其中S杂量为0.1wt.％，XRD图谱如图13，图13中002和100均为C的峰。得到的S杂炭材料中S杂量为0.1wt.％。
二、空气电极制备
将第一部分得到的S杂炭材料(S杂量为0.1wt.％)研磨均匀后加入混匀的PTFE+D.I.W+OP乳液(该乳液中PTFE的重量百分含量为60％，D.I.W的重量百分含量为30％，OP的重量百分含量为10％)，S杂炭材料与乳液的质量比为85∶15，搅拌成粘稠状，将其涂在约0.1mm厚的集流体泡沫镍上。待干燥后，放在真空烘箱中120℃烘干10小时后冲成圆片状(φ＝14mm)的S杂炭材料电极，移入充满氩气的手套箱备用。
三、锂空气电池组装
以第二部分所制备的S杂炭材料(S杂量为0.1wt.％)电极为工作电极，金属锂片为辅助电极，电解液为LiPF6浓度为1mol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC(EC、DMC与DEC的体积比为1∶1∶1)溶液，隔膜为微孔聚丙烯Celgard-2400膜，组装成带有空气(氧气)扩散孔的CR2032扣式电池。将组装好的带有空气(氧气)扩散孔的CR2032扣式电池放入测试装置中充放电。
四、电池充放电
充放电截止电压2V～4.2V，充放电电流密度j＝5mAg-1。充放电结果见图17。
图14和图15表明S元素已有掺杂，因掺杂量较少XPS谱图中S信号不明显；图13和图16可以看出S元素的掺杂并没有破坏原炭材料的晶型结构和空结构及空分布；图17的首次放电结果表明S元素的掺杂一定程度上提高了材料作为电极材料的放电比容量和放电平台，也就是电化学性能得到提高，因掺杂量较少提高不是很明显。
实施例4
一、S杂炭的制备
(1)取一定量硫脲和炭黑(Ketjen black EC600JD)，按质量比S∶炭黑＝15∶85投料。
(2)将硫脲与炭黑在研钵中研磨少许，以使硫脲与炭黑初步混合均匀。
(3)将步骤(2)中初步混合均匀的混合物倾倒入二次去离子水中，用搅拌、超声交替进行的方式将其形成均匀分散的悬浊液(呈凝胶状)。
(4)将步骤(3)中均匀分散的悬浊液入烘箱中60℃烘干，然后用研钵将烘干后的混合物研细。
(5)将步骤(4)中研细的混合物转移到瓷釉中，并放入管式炉中，在Ar气氛下500℃煅烧5小时，得到产物，产物经XRD分析证明为S-N杂炭材料，XRD图谱如图18，图18中002和100均为C的峰。得到的S杂炭材料中S杂量为10wt.％，N杂量为0.5wt％。
二、空气电极制备
将第一部分得到的S-N杂炭材料(S杂量为10wt.％，N杂量为0.5wt％)研磨均匀后加入混匀的PTFE+D.I.W+OP乳液(该乳液中PTFE的重量百分含量为60％，D.I.W的重量百分含量为30％，OP的重量百分含量为10％)，S-N杂炭材料与乳液的质量比为85∶15，搅拌成粘稠状，将其涂在约0.1mm厚的集流体泡沫镍上。待干燥后，放在真空烘箱中120℃烘干10小时后冲成圆片状(φ＝14mm)的S-N杂炭材料电极，移入充满氩气的手套箱备用。
三、锂空气电池组装
以第二部分所制备的S杂炭材料(S杂量为10wt.％，N杂量为0.5wt％)电极为工作电极，金属锂片为辅助电极，电解液为LiPF6浓度为1mol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC(EC、DMC与DEC的体积比为1∶1∶1)溶液，隔膜为微孔聚丙烯Celgard-2400膜，组装成带有空气(氧气)扩散孔的CR2032扣式电池。将组装好的带有空气(氧气)扩散孔的CR2032扣式电池放入测试装置中充放电。
四、电池充放电
充放电截止电压2V～4.2V，充放电电流密度j＝5mAg-1。充放电结果见图22。
图19和图20表明S元素和N元素已成功掺杂到炭黑材料中，但N掺杂量较少于S掺杂量；图18和图21可以看出S、N元素的掺杂并没有破坏原炭材料的晶型结构和空结构及空分布；图22的首次放电结果表明S、N元素的掺杂提高了材料作为电极材料的放电比容量和放电平台，也就是电化学性能得到明显提高。
比较例2
一、空气电极制备
将硫杂炭(Sd-MWCNTs)材料(炭源为多壁碳纳米管：MWCNTs)研磨均匀后加入混匀的PTFE+D.I.W+PO(PTFE 60wt.％，D.I.W30wt.％，PO10wt.％)乳液，其中硫杂炭材料中硫元素的质量百分含量为10％，硫杂炭(Sd-MWCNTs)材料与乳液的质量比为85∶15，搅拌成粘稠状，将其涂在约0.1mm厚的集流体泡沫镍上。待干燥后，放在真空烘箱中120℃烘干10小时后冲成圆片状(φ＝14mm)的硫杂炭材料(炭源为MWCNTs)电极，移入充满氩气的手套箱备用。
二、锂空气电池组装
以第一部分所制备的硫杂炭材料(炭源为多壁碳纳米管：MWCNTs)电极为工作电极，金属锂片为辅助电极，电解液为LiPF6浓度为1mol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC(1∶1∶1，v/v/v)溶液，隔膜为微孔聚丙烯Celgard-2400膜，组装成带有空气(氧气)扩散孔的CR2032扣式电池。将组装好的空气电池放入测试装置中充放电。
三、电池充放电
充放电截止电压2V～4.2V，充放电电流密度j＝5mAg-1。首次充放电结果显示：实施例1的S杂炭材料和实施例4的S-N杂炭材料作为电极材料的放电比容量和放电平台等电化学性能与该硫杂炭材料(炭源为多壁碳纳米管：MWCNTs)相比得到明显提高的。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，其特征在于，是将硫元素掺杂到炭材料而形成的硫杂炭材料，或者是将硫元素和氮元素两种掺杂到炭材料而形成的硫-氮杂炭材料，所述的炭材料为碳黑。
2.根据权利要求1所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，其特征在于，所述的硫杂炭材料中硫元素的质量百分含量为0.1％-20％；
或者，所述的硫-氮杂炭材料中硫元素和氮元素两种的总质量百分含量为0.1％-20％。
3.根据权利要求1所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，其特征在于，所述的硫元素的来源为硫单质或含硫的化合物；所述的含硫的化合物包括在加热温度大于室温下含硫化合物气体生成的有机物或在加热温度大于室温下含硫化合物气体生成的无机物；
所述的硫元素和氮元素两种的来源为氮单质和硫单质两种、硫单质和含氮元素的化合物两种、氮单质和含硫元素的化合物两种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热温度大于室温下含硫和氮化合物气体生成的有机物或者在加热温度大于室温下含硫和氮化合物气体生成的无机物。
4.根据权利要求3所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料，其特征在于，所述的含氮元素的化合物为取代或未取代的咪唑、叠氮化钠、胺、取代或未取代的噻吩中的一种或两种以上；
所述的含硫元素的化合物为二巯基丙醇、硫醚、硫化铁中的一种或两种以上；
所述的含硫元素和氮元素的化合物为硫脲、硫代乙酰胺、苯磺酰胺、二硫氰基甲烷、硫化铵中的一种或两种以上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料的制备方法，包括步骤：
(1)将硫元素掺杂原料或者硫元素和氮元素两种掺杂原料与炭材料混合均匀后倒入水中，制成均匀分散的悬浊液；
(2)将悬浊液干燥所得物质研磨后于密封环境在惰性气体氛围中煅烧，得到硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料。
6.根据权利要求5所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，干燥的条件为：50℃-70℃烘干。
7.根据权利要求5所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的惰性气体为氩气或氮气。
8.根据权利要求5所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，煅烧的条件为：500℃-900℃煅烧至少5小时。
9.根据权利要求1-4任一项所述的硫杂炭材料或硫-氮杂炭材料在作为或制备电池的电极材料中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的电池为锂空气电池。
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