[发明专利]具有三维结构的石墨烯与MoS2纳米复合材料及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种纳米复合材料，具体地说是一种石墨烯/MoS₂纳米复合材料。本发明也涉及一种石墨烯/MoS₂纳米复合材料的制备方法。本发明还涉及一种石墨烯/MoS₂纳米复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。

背景技术

二次锂离子电池因其电压高、放电时间长、容量密度大、质量轻、无记忆效应及无污染等原因，近年来成为电池行业的研究热点。其中锂离子电池负极材料的研究是热点之一。随着纳米科技的迅速发展，纳米材料在锂离子电池负极领域的应用受到了国内外的广泛关注。一般锂离子电池负极材料包括碳材料、氧化物、氮化物、合金及盐等。一般商业使用的电池主要以传统石墨材料为主，主要应为石墨材料是六方晶系，典型的三明治层状结构，层内由sp²杂化形成的共价键结合，层间以范德华力结合。共价键有着良好的导电能力，层间相距340pm，有着很好的嵌入型储锂能力，石墨作为锂离子电池负极材料，也有着明显的缺点和局限性。石墨表面缺陷多，在首次放电过程中难以一次形成均匀致密的SEI膜，导致首次充电效率低，但是由于锂离子在嵌入脱出过程中体积应变较大，多次循环会导致层间石墨剥离，循环性能差。石墨本身密度小，体积能量密度低，倍率循环性能差，很难在动力电池上得到应用。然而MoS₂材料也同属于六方晶系，有着相似的结构性能，当与石墨烯制备成复合材料时大幅度增加了MoS₂比表面积和，使得储锂能力大幅度提高。王石泉、李国华等人，使用水热法制备了MoS₂纳米花，容量可以达到994.6mAh/g，但是经过45次循环比容量下降为400mAh/g，将近为首次循环容量的30%（Chin.J.Chem.Eng.,18(6),910-913,2010,12），虽然MoS₂容量提高显著但稳定性有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高比容量、高循环稳定性、可快速充放的具具有三维结构的石墨烯与MoS₂纳米复合材料。本发明的目的还在于提供一种操作简单、适合于工业化生产的具有三维结构的石墨烯与MoS₂纳米复合材料的制备方法。本发明的目的还在于提供一种含具有三维结构的石墨烯与MoS₂纳米复合材料的锂离子电池负极材料。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的含具有三维结构的石墨烯与MoS₂纳米复合材料是：2-5mg石墨烯、15-35mg的MoO₃、0.3-0.6g尿素和30-60mg硫代乙酰胺溶解在15ml去离子水和35ml乙醇混合溶液中，200℃保温干燥18~24小时，自然冷却到室温后，沉淀用水和乙醇清洗，60℃下真空干燥后得到的石墨烯与MoS₂复合物的整体体积为微米级、单个MoS₂片直径为400-600纳米的石墨烯与MoS₂纳米复合材料。

本发明的含具有三维结构的石墨烯与MoS₂纳米复合材料的制备方法为：将2-5mg石墨烯、15-35mg的MoO₃、0.3-0.6g尿素和30-60mg硫代乙酰胺溶解在15ml去离子水和35ml乙醇混合溶液中，200℃保温干燥18~24小时，自然冷却到室温后，沉淀用水和乙醇清洗，60℃下真空干燥后得到石墨烯与MoS₂纳米复合材料。

所述MoO₃是将钼酸铵粉末在空气中500℃温度煅烧4小时所得到的MoO₃粉末。

本发明的含具有三维结构的石墨烯与MoS₂纳米复合材料的锂离子电池负极材料的组成为：石墨烯与MoS₂纳米复合材料、导电碳和羧甲基纤维素钠的质量比为8:1:1。

本发明提供了一种简易的水热方法合石墨烯/MoS₂纳米复合材料的方法，工艺简单，操作方便，可控性强，产量高。本发明的方法所得到的复合物整体体积为微米级见附图1，石墨烯表面单个MoS₂片直径为400-600纳米，见附图2。采用本发明的方法制备的石墨烯与MoS₂纳米复合材料有着极好的锂离子电池循环特性和很高的容量，可作为锂离子电池负极材料、超级电容器电极材料、润滑剂、吸波材料等有着广泛的应用前景。