[發明專利]少層數MoS2/石墨烯電化學貯鋰復合電極的制備方法

有效

• 申請號: 201210187858.4
• 申請日: 2012-06-08
• 公開（公告）號: CN102683648A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 陳衛祥;王臻;黃國創;馬琳
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M4/1393
• 分類號: H01M4/1393
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發明涉及鋰離子電池復合電極，尤其是MoS₂/石墨烯電化學貯鋰復合電極的制備方法。

背景技術

鋰離子電池具有比能量高、無記憶效應、環境友好等優異性能,?已經廣泛應用于移動電話和筆記本電腦等便攜式移動電器。作為動力電池，鋰離子電池在電動自行車和電動汽車上也具有廣泛的應用前景。目前鋰離子電池的負極材料主要采用石墨材料(如：石墨微球、天然改性石墨和人造石墨等)，這些石墨材料具有較好的循環穩定性能，但是其容量較低，石墨的理論容量為372?mAh/g。新一代鋰離子電池對電極材料的容量和循環穩定性能提出了更高的要求，不僅要求負極材料具有高的電化學貯鋰容量，而且要求其具有良好的循環穩定性能和高倍率充放電特性。

MoS₂具有類似石墨的典型層狀結構，其層內S-Mo-S以共價鍵結合，層間則以較弱的范德華力結合，層與層之間容易剝離。MoS₂較弱的層間作用力和較大的層間距允許通過插入反應在其層間引入外來的原子或分子。這樣的特性使MoS₂材料可以作為插入反應的主體材料。因此，MoS₂是一種有發展前途的電化學儲鋰和電化學儲鎂的電極材料(G.?X.?Wang,?S.?Bewlay,?J.?Yao,?et?al.,?Electrochem.?Solid?State,?2004，7：A321；X.?L.?Li?,?Y.?D.?Li,?J.?Phys.?Chem.?B,?2004，108：13893)。Li等[J.?Alloys?Compounds，2009，471(1-2)?442-447]用離子液體協助的水熱方法合成了花狀形貌的MoS₂，其電化學貯鋰可逆容量達到850?mAh/g，但是其充放電循環穩定性和高倍率充放電特性依然欠佳，有待進一步改善和增強。

最近，單層或少層數的二維納米材料的研究引起了人們的極大興趣。石墨烯是目前研究的最多單層二維納米材料，石墨烯以其獨特的二維納米片結構具有眾多獨特的物理、化學和力學等性能，具有重要的科學研究意義和廣泛的應用前景。石墨烯具有極高的比表面積、高的導電和導熱性能、高的電荷遷移率，優異的力學性能。石墨烯作為微納米電子器件、新能源電池的電極材料、固體潤滑劑和新型的催化劑載體的具有廣泛的應用前景。石墨烯及其復合材料作為鋰離子電池負極材料的應用得到了廣泛研究。理論計算表明石墨烯納米片的兩側可以貯鋰，其理論容量為744?mAh/g，是石墨理論容量(372?mAh/g)的兩倍。Yoo等[Nano?Letters,?2008，8(8):?2277-2282]研究顯示石墨烯有較高的電化學可逆貯鋰容量(540?mAh/g),?石墨烯與碳納米管或C₆₀復合的復合材料的電化學貯鋰容量分別是730和784?mAh/g。但是也有一些文獻報道石墨烯及其復合材料電極的循環性能還有待改善。如：石墨烯與金屬氧化物(SnO₂,?Sn?或Si納米粒子復合材料在循環30-50次以后，其容量有大約只有原來的70%左右，這是由于SnO₂,?Sn?或Si納米粒子與石墨烯在微觀形貌和晶體結構上存在較大的差異。

石墨烯的發現及其研究也激起了人們對其他無機單層或少層數的二維納米材料的研究興趣。研究證明層狀結構的無機化合物，其電子性能與其層數有密切關系。與體相材料相比，少層數（平均層數5層以下）MoS₂具有一些新的物理化學和光電性能。少層數MoS₂作為鋰離子電池負極材料也顯示了良好的性能，具有較高的電化學貯鋰容量。但是由于MoS₂本質上是半導體材料，其電子電導率不夠高，作為電極材料的應用需要增強其導電性能。

少層數MoS₂與石墨烯在微觀形貌和晶體結構上具有很好的相似性，少層數MoS₂和石墨烯都可以作為電化學貯鋰電極材料應用。如果將少層數MoS₂與石墨烯復合制備兩者的復合材料，石墨烯納米片的高導電性可以進一步提高復合材料的導電性能，增強電化學電極反應中的電子傳遞，可以進一步增強復合材料的電化學性能。另外少層數MoS₂與石墨烯納米片的復合，石墨烯納米片的大Π鍵可以與MoS₂表面電子結構的相互作用，進一步增強電子傳遞和電荷遷移的能力。因此，這種少層數MoS₂與石墨烯納米片的復合納米材料作為電極材料將具有更優異的電化學性能。