[发明专利]少层数MoS2/石墨烯电化学贮锂复合电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池复合电极，尤其是MoS₂/石墨烯电化学贮锂复合电极的制备方法。

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372 mAh/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贮锂容量，而且要求其具有良好的循环稳定性能和高倍率充放电特性。

MoS₂具有类似石墨的典型层状结构，其层内S-Mo-S以共价键结合，层间则以较弱的范德华力结合，层与层之间容易剥离。MoS₂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)。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850 mAh/g，但是其充放电循环稳定性和高倍率充放电特性依然欠佳，有待进一步改善和增强。

最近，单层或少层数的二维纳米材料的研究引起了人们的极大兴趣。石墨烯是目前研究的最多单层二维纳米材料，石墨烯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。石墨烯具有极高的比表面积、高的导电和导热性能、高的电荷迁移率，优异的力学性能。石墨烯作为微纳米电子器件、新能源电池的电极材料、固体润滑剂和新型的催化剂载体的具有广泛的应用前景。石墨烯及其复合材料作为锂离子电池负极材料的应用得到了广泛研究。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744 mAh/g，是石墨理论容量(372 mAh/g)的两倍。Yoo等[Nano Letters, 2008，8(8): 2277-2282]研究显示石墨烯有较高的电化学可逆贮锂容量(540 mAh/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784 mAh/g。但是也有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。如：石墨烯与金属氧化物(SnO₂, Sn 或Si纳米粒子复合材料在循环30-50次以后，其容量有大约只有原来的70%左右，这是由于SnO₂, Sn 或Si纳米粒子与石墨烯在微观形貌和晶体结构上存在较大的差异。

石墨烯的发现及其研究也激起了人们对其他无机单层或少层数的二维纳米材料的研究兴趣。研究证明层状结构的无机化合物，其电子性能与其层数有密切关系。与体相材料相比，少层数（平均层数5层以下）MoS₂具有一些新的物理化学和光电性能。少层数MoS₂作为锂离子电池负极材料也显示了良好的性能，具有较高的电化学贮锂容量。但是由于MoS₂本质上是半导体材料，其电子电导率不够高，作为电极材料的应用需要增强其导电性能。

少层数MoS₂与石墨烯在微观形貌和晶体结构上具有很好的相似性，少层数MoS₂和石墨烯都可以作为电化学贮锂电极材料应用。如果将少层数MoS₂与石墨烯复合制备两者的复合材料，石墨烯纳米片的高导电性可以进一步提高复合材料的导电性能，增强电化学电极反应中的电子传递，可以进一步增强复合材料的电化学性能。另外少层数MoS₂与石墨烯纳米片的复合，石墨烯纳米片的大Π键可以与MoS₂表面电子结构的相互作用，进一步增强电子传递和电荷迁移的能力。因此，这种少层数MoS₂与石墨烯纳米片的复合纳米材料作为电极材料将具有更优异的电化学性能。