[发明专利]一种基于二维材料MoS2下的高性能可充电溴离子电池及其制备方法

说明书

一种基于二维材料MoS₂下的高性能可充电溴离子电池及其制备方法，属于电池领域。所述高性能溴离子电池通过一步水热法制备二硫化钼纳米花作为正极活性物质，锌箔作为负极，电解液溶质为溴酸钠，溶剂为乙二醇和水。本发明提出将二硫化钼纳米花作为溴离子电池正极材料，同时证明溴离子可以可逆高效的嵌入/脱嵌二硫化钼层间距中。通过添加有机溶剂乙二醇来构建乙二醇与水之间氢键的形成，改善锌负极腐蚀和避免析氢副反应的发生，有效的提高溴离子电池的比容量和稳定循环寿命。相比较传统溴基电池，主要为锌溴液流电池，该发明有效的解决了充放电过程中有毒气体溴单质的生成。不仅利用了溴高理论比容量等自身特点，还实现了绿色安全的离子电池。

技术领域

本发明属于电池领域，提供一种基于二维材料MoS₂下的高性能可充电溴离子电池及其制备方法。

背景技术

锂离子电池在当今的储能市场应用中一直占据主导地位。然而，随着电子设备和大型能源设备的不断升级和发展，锂离子电池的电化学性能似乎有些不足。因此，寻找锂离子电池的替代品一直是许多研究者关注和研究的话题。如今，一系列研究表明卤素阴离子(F^-，Cl^-，Br^-，I^-和At^-)在电池应用中起着非常重要的作用。由于氟(F)和氯(Cl)在室温下以气体形式存在，而砹(At) 是一种放射性元素，因此很难补充电池系统。因此，卤素阴离子电池的研究主要集中在溴和碘上。此外，作为第三种卤素元素，溴的理论比容量高达310mAhg^-1。

目前，溴基电池主要基于液流电池。但是，这类电池的问题不容忽视。三个主要技术瓶颈：1)低质量负荷严重限制了电池容量；2)导电性差会降低电池的容量和转移速率，导致电化学动力学变慢；3)中间体和活性物质可溶，导致“穿梭效应”和严重的自放电。因此，开发具有大容量，高稳定性和优异的安全性能的用于溴离子电池的正极材料是溴离子电池发展的关键。

发明内容

为了解决上述技术瓶颈，我们提出了碱性水基衍生电解液系统，通过采用二硫化钼纳米花(MoS₂-NF)的二维层状结构对溴离子进行嵌入/脱嵌，完美地实现了整个系统的兼容性和优化。二硫化钼纳米花具有丰富的孔结构和许多活性位点，可以满足高质量负载和优异的速率性能的需求。通过添加有机溶剂乙二醇来构建乙二醇与水之间氢键的形成，从而降低水的活性。同时，还可以增加润湿性来调节电极/电解质界面，这有助于扩大电极反应的有效面积。一系列实验和表征证明该电解质为溴离子的运输和流动提供了良好的环境和条件。在 0.5Ag^-1的电流密度下进行5,000次循环后，可逆容量高达141.7mAh g^-1。因此，我们提出的新型溴离子电池不仅充分利用了溴离子的优势，而且不含有毒物质 (Br₂)，可以代替锂离子电池满足当今的发展需求。

在碱性水基衍生电解液体系下，将涂有MoS₂-NF的石墨纸作为正极，锌箔作为负极。在电池反应的初始阶段，通过吸收负极锌箔损失的电子将BrO₃^-转化为Br^-，并提供碱性环境(OH^-)。在电池充电过程中，溴离子从负极迁移到正极，并插入MoS₂中，从而形成MoS₂Br_x。此时，Mo元素从+4价态变为+6价态，这可以通过X射线光电子能谱中的Mo 3d转变为更高的结合能来证明。在放电过程中，溴离子从正极中脱嵌出来，并在电势的影响下向负极移动。通过X射线衍射测试，我们发现负极表面未形成ZnBr₂。表明在放电过程中溴离子仅被静电吸附在锌箔的表面上，并且没有形成化学键。电池的反应方程式如下： 3H₂O+BrO₃^-+3Zn→3Zn²⁺+Br^-+6OH^-

正极：E₀＝1.08V vs.SHE