[发明专利]二维结构三氧化钨包覆石墨烯的负极材料的制备与应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯包覆二维片状结构三氧化钨负极材料的制备方法与应用，所述复合材料的化学通式为：WO₃@rGO。该制备方法包括如下步骤：(1)石墨烯分散液的制备；(2)钨酸钠金属源液和石墨烯分散液的混合溶液的pH值调控；(3)水热合成法一步合成WO₃@rGO复合材料前驱体；(4)氮气氛围中热处理粉末材料得到最终产物WO₃@rGO。本发明可以有效的解决过渡金属氧化物三氧化物负极材料存在的三个问题：循环稳定性差，可逆循环比容量较低，充放电过程中材料的结构不稳定性。结果表明，通过将二维片状结构三氧化钨与石墨烯复合，有效提升了三氧化钨单电极作为锂离子电池负电极的锂离子脱/嵌容量以及循环稳定性。

技术领域

本发明属于高能量密度锂离子电池材料领域，涉及一种通过一步水热法合成的二维纳米片状结构氧化钨包覆石墨烯的负极材料的制备方法及应用。

背景技术

在有关锂离子电池高容量阳极的最新研究中，常见的过渡金属氧化物包括三氧化二铁，二氧化锰，五氧化二钒，三氧化钨和四氧化三钴拥有较高的理论能力已被广泛研究。其中，三氧化钨由于其特殊的结构和特性受到了广泛关注：首先在室温下具有稳定的热力学特性，并且单斜畸变的ReO₃型结构包含可以插入单价阳离子(Li⁺和Na⁺)的晶格通道。此外，它的无毒特性、低成本和700mA h g^-1的大理论容量的优势也使其相当突出。但是，三氧化钨也存在严重的缺点：i)由于充/放电过程中大量的体积膨胀和粉化而导致的可循环性差；ii)由于较高的电流密度下的低电导率和强极化性，大大降低了电池性能并限制了功率密度。解决这些问题的一种有前途的方法是合成具有二维纳米片结构的三氧化钨的合成，然后再使用具有高比表面积和高导电性的石墨烯进行包覆，从而实现电极材料的高储锂性能。

众所周知，实现电极材料的低尺寸和设计纳米结构将在促进其可逆容量方面起重要作用，并且已强调了二维纳米结构将有利于材料的锂存储性能。虽然三氧化钨纳米材料制备了具有不同形态的纳米棒、纳米管、纳米板和纳米颗粒，关于电极材料二维纳米结构的合成和应用的研究应引起更多关注。二维纳米结构可缩短金属离子扩散路径，从而加快离子 /电子的扩散效率，从而增强钠和锂的存储能力。此外，二维纳米片的分散堆叠可以适应充放电过程中体积的变化，从而提高电极材料的循环稳定性。

石墨烯具有电导率、比表面和化学稳定性的优势，因此通常将其与活性纳米材料进行复合从而制备理想的储能电极材料。对于这种石墨烯基复合材料能够发挥石墨烯的优势，进而使得被改性的物质最大程度上发挥其电化学性能。该发明，通过在酸性环境中进行高温高压反应，将合成的二维片状结构的三氧化钨均匀分散在石墨烯表面。一方面三氧化钨纳米片利用特殊结构具有较短的离子传输通道；另一方面石墨烯的存在抑制了三氧化钨纳米片之间的团聚，与二维三氧化钨纳米片复合使用，从而形成更为稳定的结构并扩展锂离子存储空间。因此该设计发明所制备的二维结构三氧化钨包覆石墨烯的负极材料具有更高的初始放电容量，较长且稳定的循环寿命以及良好的倍率性能。

发明内容

面对过渡金属氧化物三氧化钨负极材料存在的一些问题，本发明目的在于提供二维/二维结构复合的合成思路，即二维纳米片结构的三氧化钨包覆二维石墨烯的制备方法和应用。充分利用石墨烯的高比表面积以及高的电子导电性，一方面可以大幅提升材料的导电性，另一方面又能保证材料的结构的稳定性，从而使得基底材料三氧化钨电化学性能得到全面的提升。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

二维纳米片结构三氧化钨包覆二维石墨烯的负极材料的化学式为： WO₃@rGO，其中WO₃即为纳米片二维结构的三氧化钨，rGO代表二维片层结构的石墨烯，将纳米片状三氧化钨原位生长在二维片层结构的石墨烯表面的特征方法主要包括以下步骤：

(1)通过水热合成方法和热处理煅烧制备基底二维材料三氧化钨纳米片；