[发明专利]一种镍掺杂二硫化钼/石墨烯三维复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种镍掺杂二硫化钼/石墨烯三维复合材料的制备方法及其作为硫宿主材料在锂硫电池正极上的应用，具体步骤如下：（1）利用改进的Hummer's法制备氧化石墨烯胶体溶液；（2）一步水热分子原位生长法制得镍掺杂二硫化钼/石墨烯复合材料水凝胶柱；（3）通过纯水浸洗和冷冻干燥技术得到镍掺杂二硫化钼/石墨烯三维复合材料复合材料。本发明反应过程在水溶液中进行，无需添加其它表面活性剂和金属配位剂等，步骤简单、环保，条件温和，对设备要求低，原料成本低廉，便于工业量产。与现有报报道相比，这种具有超薄三明治型结构镍掺杂二硫化钼/石墨烯三维复合材料作为新型锂硫电池硫宿主正极材料及催化剂等领域具有极大的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备领域，具体涉及一种应用于锂硫电池正极材料的超薄三明治型结构镍掺杂二硫化钼/石墨烯三维复合材料的制备方法。

背景技术

随着工业和社会经济的快速发展，能源以及环境问题正变得越来越严重。不断增长的能源需求使环保高效的能源转换与存储系统的研究与开发不断提速。若要实现可再生能源作为主要发电能源的发展目标，迫切需要高容量、高功率密度、高能量密度、长循环寿命和低成本的储能设备。如今，以锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、锂-O₂电池、太阳能电池等二次电池为代表的电化学储能与转换设备正在经济和社会发展中发挥着重大作用。虽然锂离子电池是目前商业化二次电池中性能最好的电池体系，但由于其常使用的正极材料理论容量较低，难以满足目前对于高比能量电池的需求。而锂硫电池一方面具有较高的理论能量密度、比容量、原料丰富和价格低廉等优点，另一方面在使用后低毒，并且回收利用时所需能耗较低，使其成为现在最具开发前景的二次电池体系之一。但锂硫电池同时也存在的一些问题阻碍了其商业化的进程：1.单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫在室温下的电导率极低(5.0×10^-30S/cm)，反应的最终产物Li₂S₂/Li₂S也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能。2.锂硫电池的中间放电产物会溶解到有机电解液中，增加电解液的黏度，降低离子导电性。多硫化物能在正负极之间迁移，导致活性物质损失和电能的浪费(shuttle效应)。溶解的多硫化物会跨越隔膜扩散到负极,与负极反应,破坏了负极的固体电解质界面膜(SEI膜)。3.硫和硫化锂的密度分别为2.07和1.66g/cm，在充放电过程中有高达80％的体积膨胀/收缩，这种膨胀会导致阴极材料形貌和结构的改变，导致硫与导电骨架的脱离，破坏电极结构从而造成容量的衰减。近些年来，许多研究工作者已经探索出很多具有特殊纳米结构的碳基材料作为硫宿主材料。虽然在一定程度上解决了导电性差的问题，提高了锂硫电池的比容量，但其容量衰减快和循环稳定性差的问题依旧亟待解决。近些年来，由于过渡金属硫化物、磷化物、氮化物和硒化物所具有的催化作用可以极大抑制充放电过程中多硫化物引起的“穿梭效应”，从而提高电池的比容量，已经受到一些研究者的重视。但由于这些材料自身导电性较差限制了其在锂硫电池的广泛应用。因此设计一种含有强催化作用的过渡金属化合物和高导电性、高比表面积的碳基材料的纳米复合材料是至关重要的。

发明内容

针对现有锂硫电池正极宿主材料导电性差和循环过程中产生多硫化物引起的穿梭效应的问题，本发明提供一种超薄三明治型结构镍掺杂二硫化钼/石墨烯层状复合材料的制备方法，并将所制备的复合材料作为正极宿主材料在锂硫电池中应用。本发明采用石墨烯为碳基材料可以提高材料的导电性，同时石墨烯和Ni掺杂MoS₂通过物理和化学作用可以有效抑制多硫化物的穿梭，提高了硫的利用率，增强了锂硫电池的寿命。同时实验方法简便易于操作，实验成本低廉且对环境无污染，适合工业化大规模应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种镍掺杂二硫化钼/石墨烯三维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备氧化石墨烯胶体溶液

利用改进后的Hummer’s方法制备氧化石墨烯，将制备的氧化石墨烯按1.5g/L的浓度溶于纯水中形成氧化石墨烯胶体溶液；