[发明专利]一种高容量和循环性能稳定的锂离子电池电极及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池电极及其制备方法，尤其是用石墨烯纳米片/MoS₂复合纳米材料作为电化学活性物质制备的具有高容量和循环性能稳定的锂离子电池的电极，属于新型化学电源和新能源材料的领域。

背景技术

锂离子电池具有比能量高、无记忆效应、环境友好等优异性能，已经广泛应用于移动电话和笔记本电脑等便携式移动电器。作为动力电池，锂离子电池在电动自行车和电动汽车上也具有广泛的应用前景。目前锂离子电池的负极材料主要采用石墨材料(如：石墨微球、天然改性石墨和人造石墨等)，这些石墨材料具有较好的循环稳定性能，但是其容量较低，石墨的理论容量为372mAh/g。新一代锂离子电池对电极材料的容量和循环稳定性能提出了更高的要求，不仅要求负极材料具有高的电化学容量，而且具有良好的循环稳定性能。

石墨烯纳米片以其独特的二维纳米片结构具有众多独特的物理、化学和力学等性能，具有重要的科学研究意义和广泛的应用前景。石墨烯材料的发现者获得2010年诺贝尔奖更是激发了人们对石墨烯材料研究的极大兴趣。最近，石墨烯纳米片及其复合材料的合成及其作为锂离子电池负极材料的研究得到了广泛关注。理论计算表明石墨烯纳米片的两侧可以贮锂，其理论容量为744mAh/g，是石墨理论容量(372mAh/g)的两倍。研究显示石墨烯有较高的电化学可逆贮锂容量(540mAh/g)，石墨烯与碳纳米管或C₆₀复合的复合材料的电化学贮锂容量分别是730和784mAh/g。但是一些文献报道石墨烯及其复合材料电极的循环性能还有待改善，循环性能欠佳很可能是由于石墨烯纳米片不合适的排列、以及电极制备过程中和充放电过程中石墨烯纳米片结构的不稳定或团聚。

另一方面，MoS₂具有典型的三明治层状结构，S-Mo-S的层内为共价键结合，层与层之间则以较弱的范德华力相互结合，其层间距为0.62nm。MoS₂作为氢化脱硫的工业催化剂、以及在真空与高温条件下的固体润滑剂被广泛研究和应用。MoS₂的较弱的层间作用力和较大的层间距允许通过插入反应在其层间引入外来的原子或分子。这样的特性使MoS₂材料可以作为插入反应的主体材料。因此，MoS₂是一种有发展前途的用于高性能电池的电化学储锂和电化学储镁的电极材料[G.X.Wang，S.Bewlay，J.Yao，et al.，Electrochem.Solid State，2004，7：A321；X.L.Li，Y.D.Li，J.Phys.Chem.B，2004，108：13893]。

1995年Miki等研究了无定形MoS₂的电化学嵌锂和脱锂性能(Y.Miki，D.Nakazato，H.Ikuta，et al.，J.Power Sources，1995，54：508)，结果发现他们所合成的无定形MoS₂粉体中，性能最好的样品的电化学嵌脱锂的可逆容量只有200mAh/g，在循环100次以后，其可逆容量下降到100mAh/g，为其初始容量的一半。因此，其可逆容量和循环稳定性能还需要进一步改进。合成纳米结构的电活性材料是改善其电化学性能的一个有效途径。最近Li等[J.Alloys Compounds，2009，471(1-2)：442-447]用离子液体协助的水热方法合成了花状形貌的MoS₂，其电化学贮锂可逆容量达到850mAh/g，但是他们报道的循环性能依然欠佳，有待进一步改善。