用于Li-S蓄电池的掺杂的碳-硫物质纳米复合物阴极的制作方法
【专利摘要】我们报道了一种掺杂杂原子的碳构架，其同时充当用于锂-硫阴极的导电网络和多硫化物固定剂。该掺杂的碳与单质硫和/或硫化合物形成化学键合。这可以显著地抑制多硫化锂在电解质中的扩散，从而导致高的容量保持率和高的库仑效率。
【专利说明】用于Li-S蓄电池的惨杂的碳-硫物质纳米复合物阴极 相关申请的交叉引用 本申请要求2012年7月10日提交的美国临时专利申请第61/669, 859号的优先权。通 过引用将该申请纳入本文。
【技术领域】 本发明的实施方案设及渗杂的碳-硫物质纳米复合物，W及制造它们的方法。进一步 的实施方案设及可W由该些复合物制备的物体，包括裡-硫蓄电池和蓄电池部件。
【背景技术】 作为用于插入式混合动力汽车和电动汽车的下一代能量存储设备，裡-硫（Li-巧蓄电 池已经吸引了越来越多的注意。该在很大程度上是因为其极其高的理论比容量（1672mA h g4)和能量密度（2600Wh Kg气。另外，硫是低成本的、充足可用的、并且环保的。 Li-S蓄电池通过W下方式运行；在放电过程中硫与裡反应W形成多硫化裡（即LisSy， 8 > X >如、二硫化裡（LisSs)、^及最终的硫化裡（LisS)，在充电过程中发生相反的过程。 尽管该些相当多的优点，Li-S蓄电池的实际实现受几个问题阻碍。首先，硫的低电导 率巧Xl(r3°S cnfi)限制了活性材料的利用并且导致了差的容量。 其次，大范围采用裡-硫蓄电池的显著障碍是多硫化物的扩散，称之为"多硫化物穿梭 效应（shuttle effect)"。该穿梭效应导致了快速的容量衰减和低的库伦效率。当中间体 裡化化合物即多硫化裡在有机电解质中溶解并且沉积在阳极表面时，发生该种情况。该引 起库伦效率的逐步降低、活性材料的损失和随着循环的容量衰减。第=，在与Li阳极反应 时的电解质消耗导致了在充电/放电过程中的容量衰减。 为了处理该些挑战，已经研究了各种不同的策略。该些包括新电解质的设计、保护层的 包含、W及新的硫-碳和导电聚合物阴极。 然而，高性能阴极的发展仍然是重大的挑战。很多的主动行动已经合成了硫-碳纳米 复合物阴极W改善硫和碳之间的接触。该可引起该电极电导率的增加，从而导致活性硫的 增强的利用率。 已经开发了在使硫-基阴极循环时限制容量损失的两种主要方法。一种避免容量 衰减的方法是用有机分子链将硫限制在阴极材料中。该种方法通过使用有机分子链附接 硫和/或含硫物质W尝试防止硫从阴极材料中迁移出和变得电化学无效。在美国专利号 4, 833, 048、5, 162, 175、5, 516, 598、5, 529, 860、5, 601，947、6, 117, 590 和 6, 309, 778 中研究 和报道了该种方法。通过引用将该些专利纳入本文。 第二种限制由硫从阴极迁移而引起的裡蓄电池的容量衰减的方法是在添加剂和在该 蓄电池系统内部产生的多硫化物之间产生限制和物理吸附。在美国专利号5, 532, 077、 6, 210, 831、6, 406, 814和8, 173,302中公开了该种方法。通过引用将该些专利纳入本文。 令人遗憾的是，第一种方法由有机分子链的非导电属性所限制。第二种方法由通过导 电基体中的物理吸附对多硫化物的弱错定效应所限制。
【发明内容】
在此呈现的实施方案提供了一种用于高性能裡硫蓄电池的新方法。实施方案使用渗杂 杂原子的碳（表示为X-PC，其中X是用于渗杂的杂原子元素）W形成渗杂的碳-硫物质纳 米复合物。将该纳米复合物表示为X-PC-SY，其中Y是在该复合物中的硫物质的质量百分 比。 在该种纳米复合物中，该渗杂杂原子的碳不仅充当电极中的导电网络，而且通过化学 吸附强烈地吸附单质硫和硫化合物。该种强烈的吸附减轻了硫的扩散损失，并且保证了高 库伦效率W及长循环寿命。渗杂剂元素X可W是选自棚、氮、氧、氣、硫、氯和磯中的一种或 其组合。 在一些实施方案中，该渗杂的碳是纳米多孔的。碳中的多孔结构可W单独或W组合方 式包括：微孔（孔隙尺寸小于2nm)、介孔（孔隙尺寸为2 - 20nm)、大孔（孔隙尺寸大于 20nm)。在其它实施方案中，该渗杂的碳是无孔的。 还公开了由该些材料形成的阴极和蓄电池。 一个优选的实施方案是渗杂氮的多孔碳（表示为N-PC)。渗杂氮的碳材料通过化学键 合与硫和多硫化裡具有强烈的相互作用。该可W显著地抑制多硫化裡在电解质中的扩散， 从而导致高容量保持率（100次循环后〉800mAh g-i@0. 1C，1C= 1672mAh g-i)和高库伦效率 (>93% ) 〇 另一个优选实施方案是渗杂氮的石墨締（表示为N-G)。该N-G材料显示出通过化学 键合与硫强烈的相互作用。该种相互作用可W阻止裡化的硫产物（可溶的多硫化物）的溶 解。使用N-G用于裡-硫蓄电池可W实现高容量和容量保持率。 在本发明的实施方案中，硫物质可W是单质硫、硫化裡、多硫化裡或者该=种的组合。 该些通常是纳米复合物。 实施方案可W包括碳；杂原子渗杂剂；W及硫，其中通过共价键连接所述碳和所述杂 原子渗杂剂，并且其中通过化学吸附将硫至少部分与碳和杂原子渗杂剂结合。 在一些实施方案中，碳是多孔的，并且在其它的实施方案中，其是无孔的。当碳是多孔 的时，其可W包括选自纳米孔、介孔和微孔的尺寸的孔隙。 在一些实施方案中，该材料包括少于50重量％的渗杂剂。在一些实施方案中，该材料 中的硫物质的重量是多于5重量％并且少于100重量％。至少部分的硫物质可W是单质硫。 在一些实施方案中，该渗杂剂是氮，并且在该些实施方案的一些中，氮和碳W0. 1到1. 65的 重量比例存在。 包括本发明的材料的电极可W包括，例如至少一种粘结剂和至少一种导电性添加剂。 可W在蓄电池中将该些电极与负电极和电解质组合。 在一些实施方案中，我们提供了一种包括硫化裡和多硫化裡中的至少一种W及渗杂杂 原子的碳的材料。该渗杂杂原子的碳包括具有与杂原子渗杂剂的共价键的碳；并且通过化 学吸附将该硫化裡和多硫化裡至少部分与该渗杂的碳结合。 在多硫化裡（其具有式LisSy)中，X大于2。在一些实施方案中，X为1 - 8。在其它 的实施方案中，其为2 - 8。还可W在蓄电池中使用该种材料。
【专利附图】
【附图说明】 图1.主图；N-PC的XPS检测光谱。插图；N Is峰的高分辨率光谱。在397. 8eV和 400. 3eV的峰分别对应化晚和化咯N，而在402. 3eV的肩部可为由四价N引起。 图2.馬吸附等温线（上部）和N-PC的孔隙尺寸分布曲线（中间）W及N-PC-S80、 PC-S80和硫的XRD图案（底部）。N-PC的BET表面积和孔隙体积分别是824. 30mVg和 1. 38cm3/g。 图3. N-PC-S70纳米复合物的TEM图像（a) W及化）碳、（C)硫和（d)氮的相应邸LS元 素图。 图4.曝露于商用Super P?碳、PC和N-PC之前和之后的多硫化物溶液的uv-vis光 谱。 图5.包括Super P?碳、SBA-15、Al2〇3、PC和N-PC的不同吸附剂的相对吸附。 图 6. (a)PC 和 PC-S2 W及化)N-PC 和 NPC-S2 的 XANES 光谱的 C K 边化-edge)。（C) N-PC和N-PC-S2的XA肥S光谱的N K边。（d) PC和PC-S2的XA肥S光谱的0 K边。PC-S2 和N-PC-S2都具有2wt. %的硫。 图7. N-PC和N-PC-S纳米复合物的XANES光谱的0 K边。 图8. (a)N-PC-S70纳米复合物阴极在0. 35mA/cm2的电流密度下的典型的第一次循环 充电一放电电压-容量曲线。化）最初两次循环在0.35mA/cm2的电流密度下循环W及随后 的循环在0. 7〇mA/cm2下循环的N-PC-S70的循环性能和库伦效率。 图9.在0. 18mA/cm2的电流密度下N-PC-S80、PC-S80和SP-S80阴极的（a)初始充电一 放电电压-容量曲线W及化）循环性能和库伦效率。 图 10. PC-S80 和 N-PC-S80 电极的 Nyquist 图。 图11.通过使用在1,3-二氧茂环值OL)和1,2-己二醇二甲離值ME) (1:1，体积/体 积）的混合物中的1M LiTFSI作为电解质W及LiN〇3(0. 2M)作为添加剂的NG-S60硫阴极 在168mAh/g下的循环性能。
【具体实施方式】 我们提供了一种通过化学吸附来结合硫的渗杂的碳结构。在现有技术的碳/硫结构 中，通过与碳的物理相互作用将硫保留（或者至少打算将其保留）在该结构中；也就是说， 碳的各种不同的孔隙防止了硫的移动并且因此预期降低多硫化物穿梭效应。尽管在此描述 的本发明的实施方案可W利用多孔碳，但是该使用在很大程度上是利用了该多孔碳提供的 较大表面积。在本发明的实施方案中，通过化学吸附将硫保留（或至少部分保留）在该碳 /杂原子结构中。该提供了任何多硫化物穿梭效应的明显减少和使用本发明的材料用于阳 极构造的蓄电池性能的相应增加。 在渗杂氮的碳的上下文中描述了本发明的实施方案。所属领域的技术人员将理解在本 发明的典型实施方案中还可W使用一种或多种其它的渗杂剂。例如，可W用棚、磯、氣、氮、 氧、硫和氯化物中的一种或多种渗杂碳。使用该些渗杂剂会增加碳材料对硫和多硫化裡的 吸附能力，从而导致高容量和循环稳定性。 本发明的渗杂杂原子的碳物质复合物制品的制备不受杂原子渗杂的方法限制。可W在 碳化之前或之后引入渗杂剂。例如，一种制备渗杂碳的方法是通过在碳化过程之前均匀混 合碳前体与含渗杂剂的前体。合适的含渗杂剂的前体包括；例如但不限于聚合物、含氮低聚 物、明胶、含氮离子液体W及其它前体。 多种制备方法可适合于制备本发明的实施方案。例如，在一个实施方案中，通过使用商 用的=聚氯胺-甲醒作为聚合物前体的原位杂化方法制备渗杂氮的碳。该样的一种方法不 仅仅提供氮的均匀分散并且还提供了可扩展的制造。制备渗杂氮的碳的另一种方法是在自 上而下的碳化过程中引入含氮气氛。 在此报道的分层的=维纳米多孔的渗杂氮的碳材料适用于高性能裡-硫蓄电池的阴 极构造。与基于纳米多孔碳的阴极相比，该渗杂氮的碳复合材料表现出高得多的容量和循 环稳定性。例如对于65-75wt%、优选70wt%的硫含量，正是如此。更重要的是，与PC-S 阴极不同，PC-S阴极的蓄电池性能非常依赖于硫含量并且将随着硫含量的增加而降低，该 X-PC复合物表现出随着增加的硫含量显著更好的循环稳定性。甚至高达80wt%硫的水平 的情况（其中没有将硫限制在纳米孔隙内）也是如此。在一些实施方案中，甚至更高的百 分比是可能的。尽管不希望由理论所约束，我们认为该渗杂氮的碳的优异性能源于渗杂剂 元素与硫和多硫化物的强烈化学相互作用。 如下文所报道的那样，在一个实施方案中，可W通过=嵌段共聚物合成给予碳纳米多 孔结构。制备纳米多孔碳的其它合适方法包括其它软和硬模板的使用。该些可W进一步包 括表面活性剂和亲水性嵌段共聚物的使用。合适的软模板可W包括；例如但不限于十二烧 基硫酸钢（SDS)、横基班巧酸单月桂醋二钢值M巧、十六烧基S己基漠化锭（CTAB)、十六烧 基S己基漠化锭（CTAB)、P123、PS-b-PEO和其它的软模板。合适的硬模板可W包括；例如 但不限于无机前体。该些可W是例如包括Si化、Ti化、化C〇3、化及其它的颗粒。 在本发明的一些实施方案中，在产生多孔结构之前在锻烧过程中将渗杂剂纳入碳中。 可W将许多包含渗杂剂元素的前体用作渗杂剂源，包括含渗杂剂的聚合物、含渗杂剂的低 聚物、明胶、含渗杂剂的离子液体，等等。可W改变前体中的渗杂剂含量W帮助控制在所得 产物中的渗杂剂含量，前体中渗杂剂元素较高的量导致所得产物中渗杂剂较高的量。前体 中渗杂剂的量可W是例如1%到60wt%、10%到50wt%或者20%到40wt%。 在本发明的一些实施方案中，将该渗杂剂（其可为氮渗杂剂）纳入在氨气中锻烧处理 中的碳中。可W在高于600°C、优选600-1200°C的温度下在氨气中热处理所形成的纳米结 构碳或前体，W形成渗杂氮的纳米多孔碳。所得产物中的氮含量可W得到控制，并且可为例 如 1 % 到 60wt %、10 % 到 50wt % 或者 20 % 到 40wt %。 完整的纳米多孔结构将典型地包括一个或多个微孔（孔隙尺寸小于2nm)、介孔（孔隙 尺寸为2 - 20nm)、大孔（孔隙尺寸大于20nm)。较小的孔隙（小于2nm)典型地位于X-PC 框架的壁。典型地，较大的孔隙（大于2nm)在块体基体中。 在制备了渗杂的碳W后，将硫纳入碳中。在典型的实施方案中，硫或硫物质（例如溶 液中的硫化裡或多硫化裡）W完全渗杂的碳的60-80重量％存在，在一些实施方案中，W 65-75重量％存在，并且在一些实施方案中，W约70重量％存在。可W通过例如研磨一混合 硫和渗杂的碳或者研磨一混合硫物质和渗杂的碳来完成硫的纳入。 本发明的其它实施方案设及包括渗杂氮的碳-硫物质复合物的阴极。典型地，阴极 将包括在渗杂的碳-硫物质复合物中的硫和/或硫化裡、多硫化裡（10-90wt% )，粘结剂 (l-30wt%) W及至少一种导电性添加剂（l-50wt%)。合适的粘结剂包括，例如但不限于 聚偏二氣己締（PVD巧、藻酸盐、聚丙締酸、聚环氧己烧、壳聚糖衍生物W及其它的粘结剂。该 导电性添加剂可W是，例如但不限于炭黑、碳纳米管（CNT)、石墨、石墨締、导电聚合物W及 其它的导电性添加剂。 参考下面给出的说明性实施例更全面地理解本发明的实施方案。当然，不应该将该些 实施例视为实现发明的方法或者可获得的结果的排它性列表，因为所属领域的技术人员将 意识到，可W对在此给出的材料和方法进行各种不同的改变，但仍在权利要求的范围内。 实施例1-渗杂氮的碳（N-PC)的制备 通过容易的原位策略制备该N-PC渗杂氮的纳米多孔碳。选择商用S聚氯胺-甲醒 广MF")低聚物作为聚合物前体W提供碳和氮源。该为大规模制造提供了可行性。 为了获得高的孔隙体积和高的表面积W装载和固定硫，使用原娃酸四己醋（Si化的前 体@3-5皿)、双亲性S嵌段共聚物（PE0-PP0-PE0，pluronic F127) W及胶体Si〇2纳米颗粒 (10-20nm)作为软或硬的多孔模板。该合成包括蒸发-诱导多组分共组装W形成均匀结构， 随后碳化和除去多孔模板。 在该个实施例中，通过使用MF( S聚氯胺甲醒）作为聚合物前体制备该纳米多孔的渗 杂氮的碳。使用亲水和胶体的二氧化娃作为软和硬制备模板。将1.6g嵌段共聚物溶解在 具有1. Og 0. 2M肥1的15ml己醇中并且W 40°C揽拌比，得到清液。然后依次添加娃胶乳 和5. Og 20wt%的MF己醇溶液。在揽拌另外3小时后，将最终的透明溶液转移到皮氏培养 皿中。在室温下在罩子中蒸发溶剂过夜后，在烘箱中分别在l〇〇°C下持续1化和150°C下持 续化进一步交联该膜。最后，W rC /分钟的升温速率在90(TC下锻烧该产物持续化W得 到=维介孔的渗杂氮的碳复合物。 实施例2-制备渗杂氮的碳（N-PC)的方法 在X-PC的一种制备中，首先将1.65g嵌段共聚物F127(源于Pluronic)溶解在具有 l.Og 0.2M肥1的8g己醇中并且在40°C下揽拌1小时似W提供清液。然后，依次添加 2. 08g TE0S (原娃酸四己醋）和5. 5g 20wt%的可溶性酪醒树脂的己醇溶液。在揽拌化后， 将混合物转移到大的皮氏培养皿中。将混合物放置过夜W蒸发己醇并且然后在烘箱中在 l〇〇°C下加热24h W进行热聚合。将制备态的产物从培养皿中刮掉。 在管式炉中按顺序进行锻烧，在氣气流下首先在350°C下持续化并且然后在900°C下 持续化W得到pc-si化纳米复合物。加热速率低于6〇o°c为rc /分钟并且高于600°C为 5°C/分钟。将该PC-Si〇2纳米复合物浸入2wt%的HF(氨氣酸）溶液中W除去二氧化娃， 留下多孔碳（PC)。
[0056] W蒸馈水洗漆该制备态的产物几次并且在烘箱中在80°C下干燥。然后将该PC样 品放置在管式炉的中部用于N-渗杂实验。通过质量流量控制器W lOOmL/分钟的速率引入 N&流。使用10°C /分钟的加热速率将炉子加热至指定的温度（700-900°C )并且保持化 W获得N-PC。 实施例3-渗杂棚的碳材料炬-PC)的制备 将1. Og嵌段共聚物溶解在具有1. Og 0. 2M盐酸（肥1)的10ml己醇中并且W40°C揽拌 比，从而提供清液。然后，依次添加娃胶乳和5.0g 20wt%的酪醒树脂的己醇溶液、0.5g棚 酸。在揽拌另外2小时后，将最终的透明溶液转移到皮氏培养皿中。 在室温下在罩子中使溶剂蒸发过夜后，在烘箱中分别在l〇〇°C下持续1化和在150°C下 持续化进一步交联该膜。最后，W rc /分钟的升温速率在90(TC下锻烧该产物持续化W 得到=维介孔的渗杂棚的碳复合物。 实施例4-渗杂氮的石墨締的制备 首先合成石墨締氧化物（GO)作为用于渗杂氮的石墨締的前体。通过使用Hummers和 Offeman的方法的变体制备了 GO。在冰浴中将1. Og石墨、1. Og NaN〇3、W及50ml H2SO4揽 拌在一起。然后缓慢添加6.0g的KMn〇4。将上述溶液转移至35°C油浴W形成稠膏。然后， 添加100ml水，随后添加10ml的&化（?30% )。过滤该温热的溶液并且用100ml的水洗 漆。然后将滤饼分散在水中并且声处理5小时，从而提供片状剥落的GO溶液。 向该GO溶液缓慢添加S聚氯胺并且在8(TC下揽拌2小时。在水蒸发后，获得了黑色粉 末并且在900°C下将其碳化化W得到渗杂氮的石墨締。 实施例4-渗杂磯的碳材料（P-PC)的制备 将1. Og嵌段共聚物溶解在具有1. Og 0. 2M肥1的10ml己醇中并且W 40°C揽拌比， 从而提供清液。然后，依次添加娃胶乳和5. Og 20wt%的酪醒树脂的己醇溶液、0.5g棚酸。 在揽拌另外2小时后，将最终的透明溶液转移到皮氏培养皿中。在室温下在罩子中蒸发溶 剂过夜后，在烘箱中分别在l〇〇°C下持续1化和150°C下持续化进一步交联该膜。最后，W rc /分钟的升温速率在900°C下锻烧该产物持续化。该导致了=维介孔的渗杂磯的碳复 合物的制备。 与用于碳材料的氮渗杂的后处理相比，原位方法对于其它杂原子元素的分布和含量是 更可控的。另外，原位方法可W避免高温下的杂化过程，该杂化过程可破坏所需的结构。 进行X射线光电子光谱学狂P巧W探测N-PC的表面化学组成（图1)。该显示出在 N-PC中存在C、N和0原子。在高分辨率N Is曲线中在397. 8eV和400. 3eV处（图1的插 图）观察到的结合能峰分别归因于化晚和化咯氮，而在约402. 3eV处的肩部峰表示四价氮 的存在。 如图2所示，通过馬吸附/解吸等温线测量研究孔隙结构和分布。N-PC的 I^runauer-Emmett-Teller 炬ET)表面积和 Barrett-Joyner-Halenda炬JH)孔隙体积分别是 824. 3mVg和1. 38cmVg。该BJH孔隙尺寸分布表现出N-PC具有分层的孔隙结构，该结构由 W下组成：模板源于由TE0S前体形成的Si〇2的2-3nm直径介孔，主要源于嵌段共聚物的中 间尺寸（?4-8皿直径）的介孔W及源于胶体Si化纳米颗粒的较大（?10-20皿直径）的 介孔。尤其是，在N-PC中获得的高表面积和孔隙体积能够容纳高硫装载于多孔的导电网络 中并且能够通过物理和化学吸附固定可溶的多硫化物物质。 通过蒸发硫物质（硫、硫化裡或多硫化裡）溶液和X-PC的混合物W获得纳米复合物 或者W不同的硫装载（7〇wt和80wt% )在155°C下将硫浸溃在X-PC中持续lOh，制备了该 X-PC-硫纳米复合物，其表示为X-PC-SY，其中Y表示硫的重量百分数。用于硫物质溶液的溶 剂可W是，但不限于；二硫化碳、或者四氨快喃。如N-PC-S80的XRD研究所示（图2)，没有 必要将硫物质限制在多孔碳构架的纳米孔隙内。在XRD图案中清楚地观察到硫的反射峰， 该表明硫不是全部被限制在纳米孔隙内。为了证明氮渗入碳材料中的效果，通过将硫装载 于具有类似的表面积和孔隙体积的纳米多孔碳中来制备纳米多孔碳-硫（表示为PC-S巧 的对照样品。在上述过程中，由于源自高表面积和由渗杂剂的引入引起的官能团的强烈吸 附效应（而不是在非渗杂的碳基PC-SY中的物理吸附和限制），烙融的硫扩散到渗杂氮的碳 的分层介孔中。图1显示的是实施例1的透射电子显微镜法（TEM)图像。 通过图3中显示的元素分布像分析证明了源自于原位方法的均匀元素分布。碳、氮和 硫显示出类似的强度分布，该表明将硫均匀地浸溃在分层的纳米多孔的渗杂氮的碳纳米复 合物构架中。该些结果与XRD观察一致。 为了更好地理解多硫化裡和渗杂氮的碳纳米复合物的相互作用，测量了 PC和N-PC对 多硫化裡的吸附作用。通过UV-vis光谱测量了由PC和N-PC吸附后的包括Li2S4、LisSe和 Li2Ss溶液的多硫化裡并且在图3中总结了该结果。位于420皿、476皿和560皿附近的吸 收峰分别归因于S42-、S/-和S s2-的特征峰，该在文献中是证据充分的。与PC相比，由N-PC 吸附的多硫化物的吸收强度比PC和源于Timcal的商用Super ?@<碳（S巧低得多，该表 明N-PC对于多硫化裡具有很强的吸附能力。 为了更容易地比较该些吸附剂的吸附能力，将Super P的吸附量归一化为1。显示在图 5中的N-PC的相对吸附值比Al2〇3和非氮渗杂的介孔碳高得多，同时高出Super P和SBA-15 一个数量级。 我们研究了 N-PC上的硫的吸附。在硫装载之前和之后对于N-PC进行了 X射线吸收近 边结构光谱法狂ANES)，因为XANES对于在所关注的特定元素周围的局部配位结构非常敏 感。硫装载后在N-PC的C和N配位结构中几乎没有观察到变化（图6)。然而，硫装载后在 N-PC的0配位结构中具有明显的变化（图7)。基于与参比化合物的数据拟合，与在N-PC中 相比，在N-PC-S中存在更多的離型氧官能团和更少的駿基型和/或幾基型官能团（表1)。 表1 表1. PC和N-PC的定量元素分析结果
【权利要求】
1. 一种用作Li-S蓄电池的阴极的材料，包含： 碳； 杂原子掺杂剂；以及 硫，其中通过共价键连接所述碳和所述杂原子掺杂剂，并且其中通过化学吸附将该硫 至少部分与碳和杂原子掺杂剂结合。
2. 权利要求1所述的材料，其中所述碳是多孔的。
3. 权利要求2所述的材料，其中所述多孔碳包含选自纳米孔、介孔和微孔的尺寸的孔 隙。
4. 权利要求1所述的材料，其中所述杂原子选自氮、硼、磷、氧、氟化物、硫、氯化物及其 组合。
5. 权利要求1所述的材料，包含小于50重量％的杂原子掺杂剂。
6. 权利要求1所述的材料，其中该材料中硫的重量大于5重量％并且小于100重量％。
7. 权利要求6所述的材料，其中所述硫的所述至少部分以单质硫存在。
8. 权利要求1所述的材料，其中该掺杂剂是氮，并且其中氮和碳以0. 1到1. 65的重量 比例存在。
9. 一种电极，包含权利要求1所述的材料。
10. 权利要求9所述的电极，进一步包含至少一种粘结剂和至少一种导电性添加剂。
11. 一种蓄电池，包含： 负电极； 电解质；以及 根据权利要求9所述的正电极，其中通过所述电解质将所述负电极和所述正电极置于 电连通。
12. -种材料，包含： 掺杂杂原子的碳； 硫化锂和多硫化锂中的至少一种，其中在所述具有式Li2Sx的多硫化锂中，x大于2 ; 其中所述掺杂杂原子的碳包括具有与杂原子掺杂剂的共价键的碳；以及 其中通过化学吸附将硫化锂和多硫化锂中的所述至少一种至少部分与掺杂的碳结合。
13. 权利要求12所述的材料，其中所述硫化锂和/或多硫化锂具有1到8的硫链长度。
14. 一种电极，包含权利要求12所述的材料。
15. -种蓄电池，包含： 负电极； 电解质；以及 根据权利要求14所述的正电极，其中通过所述电解质将所述负电极和所述正电极置 于电连通。
【文档编号】H01M10/05GK104488117SQ201380036598
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年7月10日 优先权日:2012年7月10日
【发明者】王东海, 许天韧, 宋江选 申请人:宾夕法尼亚州研究基金会