[发明专利]过渡金属硫属化物纳米线及其制备方法和储能应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及过渡金属硫属化物层状结构纳米线的制备方法及其储能性能的应用。

背景技术

近几年，储能材料成为国内外材料科学和能源利用方面研究的热点，储能技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，因而是提高能源利用率的有效手段。其中，锂离子电池具有比能量高、电压高、无记忆效应、循环寿命长等优异特点而被广泛应用于笔记本电脑、移动电话和其他便携式电子设备中(Tarascon et al.，Nature，2001，414，359-367；Fergus et al.，Journal ofPower Sources，2010，195，939-954)。目前商品化锂离子电池主要采用性能稳定的石墨作为负极材料，石墨具有结晶的层状结构，易于实现锂离子在其中的嵌入和脱嵌，并且形成层间化合物LiC₆。然而碳类负极材料因其比容量不高(372mAgh^-1)和锂沉积(Shukla et al.，Curri.Sci.，2008，94，314-331；Winter et al.，Adv.Mater.，1998，10，725-763)等问题使其不能满足锂离子电池大功率、高容量、高安全性的要求，这使得提高锂离子电池能量密度和安全性变得十分窘迫。

过渡金属硫属化物MoS₂，WS₂和SnS₂等由于具有类似于石墨的层状结构使得锂离子在其中能够很容易地嵌入和脱嵌，因此也被用来作为锂离子电池的负极(Du et al.，Chem.Commun.，2010，46，1106-1108；Seo et al.，Angew.Chem.，Int.Ed.，2007，46，8828-8831；Seo et al.，Adv.Mater.，2008，20，4269-4273)。其中基于呈半导体特性的过渡金属硫化物MoS₂的材料作为锂离子电池的负极时比容量能够达到1131mAhg^-1(Xiao et al.，Chem.Mater.，2010，22，4522-4524).用静电纺丝所制的薄碳中镶嵌MoS₂薄片的纳米线作为锂离子电池的负极时，经过1000个循环其比容量仍然能够达到661mAhg^-1(Zhu et al.，Angew.Chem.，Int.Ed.，2014，53，2152-2156)。

另一类具有层状结构且呈金属性的过渡金属硫属化物TaS₂，NbSe₂等尚未被用来作为储能材料的测试。本发明通过简单的固相反应法合成了大量的具有层状结构的TaS₂，NbSe₂纳米线，纳米线的直径在10纳米到500纳米不等。当他们作为储能材料用作锂离子电池的负极时，首次放电的比容量能够分别达到725mAhg^-1和508mAhg^-1。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种过渡金属硫属化物纳米线，所述过渡金属硫属化物纳米线具有由MX₂表示的化学组成，其中M＝Ta或Nb；X＝S或Se。

在本发明的一个实施方案中，过渡金属硫属化物纳米线具有石墨型层状结构。

在本发明的一个实施方案中，过渡金属硫属化物纳米线的直径为10纳米至500纳米，长度为0.5μm至3mm，优选1μm至3mm，再优选5μm至3mm，再优选10μm至3mm，再优选100μm至3mm，再优选1mm至3mm。

在本发明的一个实施方案中，过渡金属硫属化物纳米线具有由TaS₂表示的化学组成。

在本发明的一个实施方案中，当将本发明的过渡金属硫属化物纳米线作为储能材料用作锂离子电池的负极时，首次充电的比容量为220mAhg^-1至300mAhg^-1。

在本发明的一个实施方案中，首次放电的比容量为685mAhg^-1至765mAhg^-1。

在本发明的一个实施方案中，首次库仑效率为32.1％至39.2％。

在本发明的一个实施方案中，经过10个循环后比容量为55mAhg^-1至115mAhg^-1。

在本发明的一个实施方案中，过渡金属硫属化物纳米线具有由NbSe₂表示的化学组成。