[发明专利]一种类石墨烯WS2/氮、磷共掺杂石墨烯电化学储钠复合电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料和能源贮存与转化技术领域，具体地，涉及一种类石墨烯WS₂/氮、磷共掺杂石墨烯电化学储钠复合电极的制备方法。

背景技术

新能源汽车是未来汽车产业的一个重要发展方向，而动力电池则是新能源汽车的核心零部件之一。目前，锂离子电池是发展前景最为明朗的高能电池体系。但是随着电动汽车、智能电网时代的真正到来，全球的锂资源将无法有效满足动力锂离子电池的巨大需求，从而将进一步推高与锂相关材料的价格，增大电池成本，最终阻碍新能源产业的发展。因此，开发其他廉价可替代锂离子电池的相关储能技术非常关键。作为与锂元素同族的金属元素，钠与锂的各项物理化学性质较为接近，且在自然界蕴藏丰富（地壳储量第四的元素），其储量远高于主要集中于南美的锂资源，同时提取相对比较容易。基于此，钠离子电池相对锂离子电池成本更低，从长期来看可以突破对自然资源的依赖，具有先天的成本优势。同时，大多数现有的钠离子电池材料体系的工作电压范围与水稳定电压窗口一致，可与水相电解液匹配使用，因此具有先天的安全性优势。如能在电池容量和寿命上有所突破，则有望满足大规模储能应用需求。因此钠离子电池是非常值得关注的一种新型储能电池体系。而其发展的关键技术之一是材料技术，即开发电化学贮钠可逆容量高、循环性能稳定和高倍率充放电特性好的新型电极材料对于高性能动力钠离子电池的发展具有重要意义。

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拥有众多独特的物理、化学和力学等性能并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、高的电荷迁移率和优异的力学性能，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，石墨烯的发现及其研究极大地激发了人们对其他无机二维纳米材料的研究兴趣，如层状过渡金属二硫化物等。作为一种典型和重要的过渡金属二硫化物，WS₂具有与石墨类似的层状结构，其层内是共价键结合的S-W-S单元，层与层之间的结合是较弱的范德华力。这种典型层状结构和弱的范德华力使WS₂可以允许外来的原子或离子的嵌入。因此，WS₂层状化合物也是一种很有发展前途的电化学储钠电极材料。研究发现，对于层状结构的无机材料，当其层数减少时（约10层以下），其电子性质或能带结构会产生明显的变化，从而导致其显示出与相应体相材料不同的物理和化学特性。通过物理或化学方法将层状结构的WS₂剥离成单层或少层数具有类石墨烯结构的WS₂，由于具有较短的电子传递途径、较低的层间电阻和更大的与电解液相接触的面积，因而展现出比体相材料更好的电化学贮钠性能。但是其低的导电性能影响了进一步的应用。将类石墨烯WS₂纳米片与石墨烯复合形成复合材料，可以大幅提高材料的电导率，加快电子的传递，从而提高材料的电化学贮钠性能。