[发明专利]一种高容量和循环稳定的电化学贮钠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钠电极及其制备方法，尤其涉及用MoS₂纳米瓦/石墨烯制备的一种高容量和循环稳定的电化学贮钠复合电极及其制备方法，属于无机复合纳米材料、新能源材料制备领域。

背景技术

随着现代移动通讯、新能源汽车和智能电网的发展，新型的化学电源在现代社会中起到了越来越重要的作用。传统的二次电池，如铅酸蓄电池由于其含有害的金属元素Pb，其应用受到了限制。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。但是由于锂离子电池的安全性一直没有好好的解决和锂资源的有限，锂离子电池作为动力电池和贮能电池的广泛应用依然还存在很多工作要做。随着新能源汽车的发展和贮能电池的大规模应用迫切需要寻找一种能替代现有二次电池体系的一种廉价、环境友好及高比容量的二次电池。由于钠离子具有较小的半径，可以电化学嵌入和脱嵌于一些层结构的化合物，如：无机过渡金属氧化物、硫化物等。另外钠还有资源丰富、价格低廉、无毒和处理方便等优点。因此，可充电钠离子电池近年来也成为一个新的二次电池的研究体系。但是到目前为止作为高性能的电化学贮钠的电极材料还是很少。

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是一种有发展应用前景的电化学储钠的电极材料。但是一般MoS₂纳米材料电化学贮钠性能较差，其电化学贮钠容量较低(只有50-100 mAh/g), 影响了其实际应用。

 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纳米电子器件、新型的催化剂材料和电化学贮能与能源转换等领域具有广泛的应用前景。

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，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、化学特性。研究表明单层或少层数的MoS₂纳米片具有更好的电化学贮钠性能。但是作为电化学贮钠的电极材料，MoS₂的层与层之间低的导电性能影响了其应用的性能。

由于MoS₂纳米片与石墨烯具有类似的二维纳米片形貌，两者在微观形貌和晶体结构上具有很好的相似性。如果将MoS₂纳米片与石墨烯复合制备两者的复合材料，石墨烯纳米片的高导电性能可以进一步提高复合材料的导电性能，增强电化学贮钠电极反应过程中的电子传递，可以进一步改善复合材料的电化学贮钠性能。与普通MoS₂纳米片比较，小的纳米瓦状形貌的MoS₂不仅具有较多的边缘，可以提供更多的短的钠离子扩散通道，而且负载在石墨烯上，与电解液具有更多的接触面积。因此MoS₂纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料可以显示显著增强的电化学贮钠性能。