[發明專利]一種二維結構硒碲化物修飾碳纖維電極材料及制備方法

在審

• 申請號: 202110054613.3
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112952055A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 王超楠;王波;羅勝耘;楊吟野;張朝珍
• 申請（專利權）人: 貴州民族大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/583;H01M10/0525;H01M4/86;H01M4/90;H01M4/96;H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36;B82Y40/00
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 劉艷

本發明公開了一種二維結構硒碲化物修飾碳纖維電極材料的制備方法，其特征在于：首先采用插層剝離法得到溶液分散的二維層狀納米材料二硫化鎢或二硫化鉬，然后采用靜電紡絲技術得到聚丙烯腈/二硫化鎢或二硫化鉬復合納米纖維前驅體，再經過預穩定、碳化過程得到二維片層結構鎢或鉬納米片修飾的碳納米纖維膜；最后經過硒或碲化置換制備具備微孔限域功能的二維結構硒碲化物修飾碳纖維電極材料。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池、超級電容器領域，尤其是涉及二維片層結構鎢（鉬）基碳纖維電極材料硒（碲）化置換提升碳纖維電容量、電子效應的電極材料及其制備方法和應用，特別是一種儲能以及柔性儲能用的二維結構硒（碲）化鎢（鉬）修飾碳纖維提升其能量密度的電極材料。

背景技術

超級電容器因功率密度高、充放電快速等優勢，被認為是取代傳統儲能系統、緩解能源與環境問題的理想選擇之一。研發具有高能量密度和高電化學穩定性的雙功能化電極材料成為超級電容器發展的當務之急。納米碳是經典的電極材料之一，具有良好的機械穩定性以及熱穩定性、導電能力強、質輕等優點。其中，靜電紡絲基碳納米纖維（e-CNFs）作為一種新型一維碳納米材料，不僅具有形貌可控、柔性優良、廉價、產量高且易于與其它材料復合等優點，還自帶了具有贗電容效應的N、S、P、O等雜原子，因此，e-CNFs即可不經任何處理直接用作柔性電極，也可作為活性材料的理想導電基底。但其獨立用作電極材料時，仍存在比表面積低、導電性差、非法拉第儲能機制受限等問題，由其組裝的超級電容器能量密度仍然無法滿足其應用上的需求。為了提高電能量密度，方法之一就是對納米碳進行化學組成優化，開發具有高容量和高穩定性的雙功能性碳納米復合電極。因此，科研人員開始對碳纖維進行促進劑功能化修飾，利用碳納米纖維與贗電容材料的協同功能構筑納米化、功能化復合的高效碳納米纖維電極材料。過渡金屬氧化物是研究最早的贗電容材料。如：氧化釕（RuO₂）、二氧化錳（MnO₂）、氧化鎳（NiO）和氧化鈷（Co₃O₄）等被廣泛用作電極材料及贗電容促進劑。隨著研究的深入，金屬硫化物也進入了研究者的視野，并取得了令人欣慰的結果，尤其是具有二維片層結構的金屬硫化物，其獨特的大平板結構能夠有效提升電極材料比表面積以及活性材料的有效利用率如： MoS₂、NiS、WS和CoS等，并取得了令人欣慰的結果。硒(碲)元素與硫處于同一主族，與氧、磷元素在周期表中的位置接近，性質類似，但其密度、金屬性質明顯強于氧、磷和硫等元素，原子半徑更大，電離能更小,導電性和給電子能力更強^[31]。用作電極材料時將具備高于過渡金屬氧（硫）化物的能量密度和倍率性能。此外，過渡金屬硒化物成本低、地殼含量豐富、制造方便。然而，硒(碲)化物在轉化反應中通常發生難以避免的體積變化及副反應，研究者們往往需要將電壓窗口縮短至0.5-3.0 V之間才可獲得較好的電化學穩定性，但這樣會大量犧牲電池負極的低電壓容量，應用于全電池時，能量密度會大打折扣，不利于過渡金屬硒(碲)化物納米材料的實際應用。因此，如何有效拓寬硒(碲)化物的電壓窗口，制備高能量密度，高電化學穩定性的過渡金屬硒(碲)化物仍是其研究、應用的關鍵與難點。

綜上所述，電極材料影響著制備得電化學儲能裝置的能量密度以及電化學穩定性，制得兼備具有高能量密度和高電化學穩定性的雙功能化電極材料已成為研究人員的關注熱點，也電化學儲能裝置商業化應用需要解決的關鍵問題之一。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：利用硒（碲）的強電子效應，通過對二維片層結構鎢（鉬）基碳纖維電極材料進行硒（碲）化元素置換，提供一種能量密度高、穩定性好的二維結構二硒(碲)化鎢（鉬）-碳納米纖維復合電極材料及其制備方法，特別是一種儲能以及柔性儲能用的二維結構硒（碲）化鎢（鉬）修飾碳纖維的電極材料。