[发明专利]一种高容量和循环稳定的电化学贮锂复合电极及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学贮锂电极及其制备方法，尤其涉及用MoS₂纳米瓦/石墨烯为电化学活性物质制备的一种高容量和循环稳定的复合电极及其制备方法，属于新能源材料及其应用技术领域。

背景技术

锂离子电池具有高的比能量、无记忆效应、环境友好等优异性能, 在移动电话和笔记本电脑等便携式移动电器中得到了广泛的应用。作为动力电池，锂离子电池在电动自行车、电动汽车和智能电网等方面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，锂离子电池的性能很大程度上取决于电极材料的项目，尤其是负极材料的性能，不仅要求负极材料具有高的电化学贮锂比容量，而且具有优异的循环稳定性能和高倍率特性。

二维纳米材料以其独特的形貌具有众多优异的特性，其研究引起了人们的极大兴趣。石墨烯是最典型的二维纳米材料，其独特的二维纳米片结构使其众多独特的物理、化学和力学等性能，具有重要的科学研究意义和广泛的技术应用前景。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，这些优异的特性使得石墨烯在微纳米电子器件、储能材料和新型的催化剂载体等方面具有广泛的应用前景，最近石墨烯及其材料作为电化学贮锂的应用得到了人们的极大关注。

MoS₂具有与石墨类似的层状结构，其层内是很强的共价键结合的S-Mo-S，层与层之间则是较弱的范德华力。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.)。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200 mAh/g, 在循环100次以后，其可逆容量下降到100 mAh/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。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。

石墨烯的发现及其研究取得的巨大成功激发了人们对其他无机二维纳米材料研究的极大兴趣，如单层或少层数的过渡金属二硫化物等。最近，石墨烯概念已经从碳材料扩展到其他层状结构的无机化合物，也就是对于层状结构的无机材料，当其层数减少时(8层以下)，尤其是减少到单层时， 其电子性质或能带结构会产生明显的变化，从而导致其显示了与相应体相材料不同的物理和化学特性。除了石墨烯外，研究表明当体相MoS₂减少到少层数（尤其是单层时），显示了与体相材料明显不同的物理、化学和电子学特性。有研究报道单层或少层数的MoS₂具有更好的电化学贮锂性能。但是作为电化学贮锂的电极材料，MoS₂的层与层之间低的导电性能影响了其应用的性能。