[发明专利]一种钴掺杂硫化钼-石墨烯-碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钴掺杂硫化钼‑石墨烯‑碳复合材料及其制备方法和应用，通过在糖的水溶液中按比例加入钴盐、钼酸钠、氧化石墨烯水溶液以及硫脲，超声混合均匀后将之转移至水热反应釜中固定温度下水热反应，经由洗涤、干燥后烧结处理制备钴掺杂硫化钼‑石墨烯‑碳复合材料。本发明还公开了该复合材料及其应用。本发明根据硫化钼作为钠电池负极材料的特点，将导电性能优异的石墨烯以及碳作为复合介质，利用钴掺杂来大幅度提高复合材料的电子导电性以及储钠容量，一步制备具有高比容量和长循环寿命的硫化钼基复合电极材料。本发明制备原料便宜，操作工艺简单，收率高，材料的充放电性能优异，便于工业化生产，易于推广。

技术领域

本发明涉及钠离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种钴掺杂硫化钼-石墨烯-碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着电力运输和大规模的快速发展，将需要大量的电池材料，以建立大容量的智能电网。锂资源存在资源不丰富和分布不均匀的问题，随着人们越来越多的使用使得锂资源的价格急剧上涨，这对其大规模发展起到了限制作用。钠的地壳资源非常丰富，而且价格低廉，这在对可再生资源大量需要的时代是一种优势。由于锂和钠之间的电化学相似性，对的先进研宄为发展钠离子电池铺平了道路。然而，由于半径比半径大，所以钠离子嵌入和存储机制也是具有科学挑战性的。开发和探索合适的宿主材料可以容纳及促进钠离子可逆嵌入脱出是迫切需要解决的问题。

MoS₂因其特殊的层状结构，具有可变的原子配位和电子结构，电子和晶格振动的简正量子(声子)之间具有很强的相互作用，层间较弱的范德华力有利于轻金属离子(如Li⁺、Na⁺、Mg²⁺等)的嵌入和脱嵌，同时MoS₂还具有良好的双电层电荷存储能力，且Mo原子具有从+2价到+6价的氧化态，这些特性决定了其具有较高的理论储锂容量，是一种性能极好的化学电源电极材料，从而被广泛研究。鉴于优异的储锂性能，且其层间距有0.62nm比石墨的大，可以提供更大离子通道让其自由穿梭等优异的结构特性，其在钠离子存储也能表现出优异的性能。

进一步研究发现，形貌结构的改变对比表面积及吸附性能有较大影响，从而影响到MoS₂的储钠性能及循环稳定性；另一方面，由于MoS₂为层状结构，层间距的大小直接决定了钠离子的嵌入能力，而形貌结构的改变对钠离子的嵌入与脱嵌通道以及层间距产生一定影响，从而影响钠离子电池的循环稳定性；另外，形貌结构的改变，对载流子的输运通道有一定的影响，这将显著影响钠离子电池的倍率性。通过掺杂能实现MoS₂层间距的调控(WangH,Tsai C,Kong D,et al.Transition-metal doped edge sites in vertically alignedMoS₂,catalysts for enhanced hydrogen evolution[J].Nano reserarch,2015,8(2):566-575.)已经是不争事实。

为了进一步提高负极基材料的性能，针对MoS₂这类高容量的负极材料的体积效应大与电导率低的缺点，将之与具有弹性、性能稳定且导电性能好的载体复合，缓冲活性材料的体积变化，将是保持高容量的同时提高其循环稳定性的有效途径。碳由于拥有较轻的质量，较好的导电性，较低的嵌锂电位，脱嵌过程中体积变化小及价格低廉等诸多优点等被广泛运用在负极复合材料中。石墨烯由于具有二维的结构、电导率高、弹性好等优点，已经广泛用作碳复合体对象进行研究。

但直到目前为止，一步将过渡金属元素掺杂、碳包覆、石墨烯复合三项同时运用于改善层状MoS₂储钠性能这项技术，国内外还鲜有报道。这是由于过渡金属的掺杂、碳源以及富含官能团的氧化石墨烯作为原料的添加对MoS₂的形貌和结构影响较大，很难控制其稳定晶相结构的生成。

发明内容