[发明专利]一种锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新材料和电化学领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

新一代的锂离子电池具有工作电压高、体积小、比容量高、重量轻、无记忆效应等优异性能，是目前为止应用最广的便携式电子设备电源，然而大型移动设备以及电网储能需要具有更高能量密度、功率密度的储能系统，同时也对储能系统的安全性提出了更高的要求。现有的商业化锂离子电池多采用碳材料作为负极，石墨由于层状结构的特点具有较好的循环稳定性。然而作为新一代储能电源负极材料，石墨还存在较多的问题，首先理论容量的限制不能适应高比能量的要求，其次嵌锂电位与金属锂沉积电位接近，在低温或大电流充放电时，金属锂容易在电极表面产生枝晶析出，带来安全问题。因而急需研究开发新型高比容量负极材料。

过去十年中，二维纳米材料以其独特的结构显示了众多优异的物理、化学、电学和力学等性能，具有重要的科学研究意义和广泛的应用前景。类石墨烯层状结构的二硫化钼，是一种理想的电极材料插层主体，作为锂离子电池电极材料其理论比容量可达669 mAh/g。但由于其本征电导率较低，影响材料的倍率性能，并且在脱嵌锂过程中材料伴随严重的体积膨胀使得其循环稳定性较差，限制了其实际应用。目前，人们试图通过不同方法来改善其电化学性能，如减小颗粒尺寸、合成特殊颗粒形貌等。另一种有效改善二硫化钼电化学性能的方法是与碳基材料形成复合物。

其中，二硫化钼与石墨烯复合材料受到科研人员的广泛关注。石墨烯材料一直被视为锂离子电池负极材料的“救世主”。石墨烯形成三维导电网络极大增强复合材料的导电性，高比表面积的石墨烯材料能够有效的阻止活性物质的团聚，还可以有效缓解活性物质在充放电过程中产生的体积变化，保障电极在充放电过程中的结构稳定性，最终使复合材料表现出优异的循环性能和倍率性能。（1）浙江大学的Kun Chang研究组利用钼酸钠、L-半胱氨酸和氧化石墨烯为原料，通过水热法获得二硫化钼薄片平行生长于石墨烯层表面的三维结构的MoS₂/石墨烯复合材料，表现出较好的电化学性能（ACS nano 2011 5(6): 4720-4728）；（2）伍伦贡大学的郭再萍研究组利用喷雾裂解的方法制备出二硫化钼片层与石墨烯片层堆叠组装的微球结构的MoS₂/石墨烯复合材料，均匀分散的石墨烯片有效地缓冲MoS₂充放电过程中的体积效应，同时增强MoS₂材料的导电性，在100 mA g^-1电流密度下循环50次之后仍有800 mAh g^-1的可逆容量，在1000 mA g^-1电流密度下循环250次后可逆容量仍有780 mA g^-1（Scientific reports 2015 5）；（3）南开大学的焦丽芳研究组运用正丁基锂剥离的方法得到微米级二硫化钼片层，后与石墨烯片层复合，该复合材料在100 mA g^-1电流密度下循环200次之后仍有1351.2 mAh g^-1的可逆容量，但倍率性能不佳，在1000 mA g^-1电流密度下可逆容量仅有500 mAh g^-1，且该制备过程工艺复杂，控制因素和影响参数多，成本高（Journal of Materials Chemistry A 2014 2(32): 13109-13115）。

结合二硫化钼（100）面由两层S原子和一层Mo原子组成且断面处Mo原子裸露的特点，本发明通过控制反应溶液的pH值改性氧化石墨烯的方法，在静电吸引力的作用下，获得了MoS₂片层以[010]方向垂直生长于石墨烯层上的高性能锂离子电池负极材料。垂直生长的MoS₂能够提供更多活性位点，并缩短锂离子的迁移距离，有利于电化学反应的进行。

发明内容

本发明提供了一种锂离子电池负极材料，其结构为二硫化钼纳米颗粒垂直于石墨烯片层形成的纳微复合结构，本发明还提供了二硫化钼/石墨烯材料的制备方法，用以解决二硫化钼电子电导率低、充放电过程中体积膨胀较大以及锂离子在二硫化钼层间迁移受阻的问题。

本发明锂离子电池负极材料为二硫化钼/石墨烯复合材料，其结构为二硫化钼颗粒垂直于石墨烯表面。

本发明二硫化钼/石墨烯复合材料的制备方法如下：