[发明专利]一种三维纳米结构MoS2锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三维纳米结构MoS₂锂离子电池负极材料及其制备方法，属于锂离子电池电极材料制备技术领域。本发明首先制备出MoO₃前驱体，然后通过固相合成法通过对惰性气体的控制来改变反应环境，使得MoO₃与较高浓度的S粉直接反应，制备出具有三维纳米结构的MoS₂复合材料。此方法合成出的MoS₂与传统结构二维结构有很大的区别，其具有三维空间结构，从而避免了在嵌脱锂过程中MoS₂结构发生坍塌，提高了材料的循环稳定性和导电性。本发明制备方法简单，过程易控，制备周期短，产物的重复性高，均一性好，有利于规模化生产。经本发明方法制得的MoS₂表现出优异的导电性、循环稳定性和高的放电比容量，能够作为锂离子电池负极材料广泛使用。

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料制备技术领域，具体涉及一种三维纳米结构MoS₂锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

随着环境污染的加剧，清洁能源的开发对于社会可持续的影响日益显著，科技发展对于储能系统的要求也不断提高。在过去的几十年中，锂离子电池作为重要的储能设备，其基础研究和实际应用已经成为锂离子电池研究的重要方面。目前，商业锂离子电池通常采用石墨作为负极。但是其较低的理论容量(372 mAh/g)和密度(～2g/cm³)，限制了其进一步的应用，无法满足锂离子电池对高容量和小尺寸等要求。

为了提高锂离子电池的容量，人们已经合成了大量的微米或纳米级的金属氧化物和硫化物替代石墨负极成为新型的离子电池负极材料。其中，MoS₂具有S-Mo-S夹心层状(类石墨烯)结构，层内原子通过强共价键结合，层与层之间存在弱范德华力作用以及较高的理论容量(1062mAh/g)，因此受到人们的广泛关注。[Gong,Y.J.；Yang,S.B.；Liu,Z.；Ma,L.L.；Vajtai,R.；Ajayan,P.M.: Graphene-Network-Backboned Architectures for High-Performance Lithium Storage.Adv Mater 2013,25,3979-3984.],[Chang,K.；Chen,W.X.: L-Cysteine-Assisted Synthesis of Layered MoS₂/Graphene Composites withExcellent Electrochemical Performances for Lithium Ion Batteries.Acs Nano2011, 5,4720-4728.],[Zhang,L.；Wu,H.B.；Yan,Y.；Wang,X.；Lou,X.W.:HierarchicalMoS₂microboxes constructed by nanosheets with enhanced electrochemicalproperties for lithium storage and water splitting.Energ Environ Sci 2014,7,3302-3306.]。然而，二维的MoS₂薄膜作为锂离子电池负极时，在嵌脱锂的过程中二硫化钼层状结发生较大的体积变化和晶格畸变，导致电极材料层状结构坍塌、表面发生粉碎或者聚集，从而使电池循环过程中容量发生明显衰减。针对此现象，大量的研究工作通过将石墨烯、碳纳米管、碳球等材料与MoS₂复合，抑制MoS₂在充放电过程中的体积改变，进一步提高其锂离子电池的性能。 [Wang,J.Z.；Lu,L.；Lotya,M.；Coleman,J.N.；Chou,S.L.；Liu,H.K.；Minett,A. I.；Chen,J.:Development of MoS₂-CNT Composite Thin Film from LayeredMoS₂ for Lithium Batteries.Adv Energy Mater 2013,3,798-805.],[Xiao,J.；Wang,X.J.； Yang,X.Q.；Xun,S.D.；Liu,G.；Koech,P.K.；Liu,J.；Lemmon,J.P.:Electrochemically Induced High Capacity Displacement Reaction of PEO/MoS₂/Graphene Nanocomposites with Lithium.Adv Funct Mater 2011,21, 2840-2846.]。