[發明專利]WS2帶孔納米片/石墨烯電化學貯鎂復合電極及制備方法

有效

• 申請號: 201410340137.1
• 申請日: 2014-07-17
• 公開（公告）號: CN104091927A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 陳衛祥;黃國創;王臻;馬琳;葉劍波
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M4/136
• 分類號: H01M4/136;H01M4/1397;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州賽科專利代理事務所 33230
• 代理人: 馮年群

技術領域

本發明涉及電化學貯鎂復合電極及其制備方法，尤其涉及WS₂帶孔納米片/石墨烯電化學貯鎂復合電極及其制備方法，屬于新能源材料、能源儲存與轉換技術領域。

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背景技術

隨著現代移動通訊、新能源汽車和智能電網的發展，新型的化學電源在現代社會中起到了越來越重要的作用。傳統的二次電池，如鉛酸蓄電池由于其含有害的金屬元素Pb，其應用受到了限制。鋰離子電池具有高的比能量、無記憶效應、環境友好等優異性能,?在移動電話和筆記本電腦等便攜式移動電器中得到了廣泛的應用。作為動力電池，鋰離子電池在電動自行車、電動汽車和智能電網等方面也具有廣泛的應用前景。但是由于鋰離子電池的安全性一直沒有好好的解決和鋰資源的有限，鋰離子電池作為動力電池和貯能電池的廣泛應用依然還存在很多工作要做。隨著新能源汽車的發展和貯能電池的大規模應用迫切需要尋找一種能替代現有二次電池體系的一種廉價、環境友好及高比容量的二次電池。由于二價鎂離子具有較小的半徑，可以電化學嵌入和脫嵌于一些層結構的化合物，如：無機過渡金屬氧化物、硫化物等。另外鎂還有資源豐富、價格低廉、比能量高、無毒和處理方便等優點。因此，可充電鎂離子電池近年來也成為一個新的二次電池的研究體系。但是到目前為止作為高性能的電化學貯鎂的電極材料還是很少。

WS₂具有與石墨類似的層狀結構，其層內是共價鍵結合的S-W-S，層與層之間則是較弱的范德華力。WS₂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WS₂材料可以作為插入反應的主體材料。因此，WS₂是一種有發展前途的電化學儲鎂的電極材料。但是一般的WS₂納米材料電化學貯鎂性能還不能滿足實際應用，其電化學貯鎂容量較低，只有50-60?mAh/g。

?二維納米材料以其獨特的形貌具有眾多優異的特性，其研究引起了人們的極大興趣。石墨烯是最典型的二維納米材料，其獨特的二維納米片結構使其眾多獨特的物理、化學和力學等性能，具有重要的科學研究意義和廣泛的技術應用前景。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，這些優異的特性使得石墨烯在納米電子器件、新型的催化劑材料和電化學貯能與能源轉換等領域具有廣泛的應用前景。

石墨烯的發現及其研究取得的巨大成功激發了人們對其他無機二維納米材料研究的極大興趣，如單層或少層數的過渡金屬二硫化物等。最近，石墨烯概念已經從碳材料擴展到其他層狀結構的無機化合物，也就是對于層狀結構的無機材料，當其層數減少時(約6層以下)，尤其是減少4層及其以下時，?其電子性質或能帶結構會產生明顯的變化，從而導致其顯示了與相應體相材料不同的物理和化學特性。除了石墨烯外，當體相WS₂減少到少層數（特別是單層時），顯示了與體相材料明顯不同的物理、化學特性。研究表明單層或少層數的WS₂納米片具有更好的電化學貯鎂性能。但是作為電化學貯鎂的電極材料，WS₂的層與層之間低的導電性能影響了其應用的性能。

?由于WS₂納米片與石墨烯具有類似的二維納米片形貌，兩者在微觀形貌和晶體結構上具有很好的相似性。如果將WS₂納米片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能可以進一步提高復合材料的導電性能，增強電化學貯鎂電極反應過程中的電子傳遞，可以進一步改善復合材料的電化學貯鎂性能。與普通WS₂納米片比較，小的帶孔納米片狀形貌的WS₂不僅具有較多的邊緣，可以提供更多的短的鎂離子擴散通道，而且負載在石墨烯上，與電解液具有更多的接觸面積。因此WS₂帶孔納米片/石墨烯的復合納米材料可以顯示顯著增強的電化學貯鎂性能。

但是，到目前為止，用WS₂帶孔納米片/石墨烯復合納米材料作為電化學活性物質的電化學貯鎂復合電極及其制備還未見報道。本發明首先用氧化石墨烯和硫代鎢酸銨為原料，通過陽離子型柱[5]芳烴協助的水熱方法和隨后的熱處理，制備了WS₂帶孔納米片/石墨烯的復合納米材料，然后用WS₂帶孔納米片/石墨烯的復合納米材料作為電化學貯鎂的活性物質，制備了電化學貯鎂的復合電極。本發明制備WS₂帶孔納米片/石墨烯納米材料電化學貯鎂復合電極的方法具有簡單、方便和易于擴大工業化應用的有點。