[发明专利]一种3D Mo2

说明书

本发明公开了一种3D Mo₂C‑Mo₃N₂/rGO异质结构材料的原位制备方法及应用，制备方法包括以下步骤：S1：将聚苯乙烯球均匀分散到去离子水和无水乙醇的混合液中，然后分别加入四水合钼酸铵和蔗糖，充分搅拌；S2：将氧化石墨烯和十六烷基三甲基溴化铵加入去离子水中，超声处理至分散均匀；S3：将S2得到的溶液缓慢加入到S1得到的溶液，然后将其作为喷雾干燥的前驱液进行喷雾干燥处理；S4：将S3得到的产物在管式炉中进行碳化处理；S5：将三聚氰胺与S4得到的产物分别放入管式炉上游和中间部位，通过氮化反应得到3D Mo₂C‑Mo₃N₂/rGO异质结构材料。本发明的制得的3D Mo₂C‑Mo₃N₂/rGO样品可控性好，结晶度高。将其应用于锂硫电池的正极材料展现出优异的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及纳米材料的合成及电化学储能领域，具体的涉及一种3D Mo₂C-Mo₃N₂/rGO异质结构材料的原位制备方法及应用。

背景技术

近年来，随着便携式移动设备和电动汽车的快速发展，发展更高能量密度的二次电池体系变得十分迫切。目前锂离子电池比能量虽达到250Wh/kg，但受限于正极材料的低理论比容量，其比能量很难再有大的提高，因而发展新的电池体系势在必行。在新的电池体系中，以锂金属为负极﹑硫单质为正极构建的锂-硫电池体系﹐其理论比容量高达1675mAh/g，理论比能量高达2600Wh/kg，是普通商用锂离子电池的5倍以上。另外，硫是无污染的环境友好元素，其储量丰富，重量轻且便宜。因此锂硫电池被认为是当前最具研究价值的二次电池体系之一。

锂硫电池的充放电原理为：放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。根据单位质量的单质硫完全变为S所能提供的电量可得出硫的理论放电质量比容量为1675mAh/g，同理可得出单质锂的理论放电质量比容量为 3860mAh/g。锂硫电池的理论放电电压为2.287V，当硫与锂完全反应生成硫化锂(Li₂S)时，相应的理论放电质量比能量为2600Wh/kg。

但是，锂硫电池目前还处于研究阶段，在大规模的使用上还存在一些问题， (1)多硫化物的穿梭效应，当多硫化锂溶解于有机电解液时，在电池正负极产生浓度差从而导致多硫化锂在正负极之间产生穿梭效应。由于穿梭效应导致电子绝缘的低硫化锂(Li₂S/Li₂S₂)在负极锂表面生成，降低了离子传导能力、损失大量活性物质，从而导致电池容量下降，寿命缩短；(2)单质硫为电子和离子绝缘体，作为电极材料其活性物质利用率较低，导致硫电极的实际比容量降低：(3) 充放电过程中，单质硫与硫化物的转换会使正极体积发生变化，使电池容量衰减，甚至破坏电池结构。其中多硫化物的“穿梭效应”严重限制了锂硫电池的商业化应用。因此只有抑制多硫化物的“穿梭效应”同时促进多硫化物的转化来提升锂硫电池的电化学和动力学性能，才能实现锂硫电池的商业化。

有一些研究人员利用碳材料来吸附硫的放电产物LiPSs，抑制其在电解液中的溶解，达到减弱“穿梭效应”的目的，从而提升锂硫电池的电化学性能。研究表明Mo₂C对多硫化物具有较强的吸附能力，但是其催化多硫化物的转化能力较差。Mo₃N₂是一种应用广泛的催化剂，其能够有效提升对多硫化物的催化能力，但其对多硫化物的吸附能力不太好。如果能够将Mo₂C和Mo₃N₂的优势有效结合起来，那么就能够抑制多硫化物的穿梭效应，促进多硫化物的转化来提升锂硫电池的电化学和动力学性能。