[发明专利]一种容量高和循环稳定的电化学嵌脱镁离子电极及制备方法

说明书

本发明涉及电化学嵌脱镁离子电极及制备方法，尤其是用石墨烯纳米片与MoS₂复合纳米材料作为电化学活性物质制备的容量高和循环稳定的电化学嵌脱镁离子电极，属于新型化学电源和新能源材料领域。

背景技术

随着现代移动通讯、新能源汽车的发展，新型的化学电源在现代社会中起到了越来越重要的作用。传统的二次电池，如Ni-Cd电池、铅酸蓄电池由于其含有有害的金属元素Cd或Pb，其应用受到了限制和逐步被淘汰。虽然具有比能量高和环境友好等特点的锂离子电池具已经广泛应用于移动电话、笔记本电脑等便携式移动电器，以及电动自行车和电动汽车的动力电源。但是由于锂离子电池的安全性一直没有好好的解决，锂离子电池作为动力电池的应用依然还存在很多工作要做。新能源汽车的发展迫切需要寻找一种能替代现有二次电池体系的一种廉价、环境友好及高比容量的二次电池。由于二价镁离子具有较小的半径，可以电化学嵌入和脱嵌于一些层结构的化合物，如：无机过渡金属氧化物、硫化物等。另外镁还有资源丰富、价格低廉、比能量高、无毒和处理方便等优点。因此，镁离子电池近年来也成为一个新的二次电池的研究体系。但是到目前为止作为高性能的电化学嵌脱镁离子电极的材料还是很少。

石墨烯纳米片以其独特的二维纳米片结构具有众多独特的物理、化学和力学等性能，具有重要的科学研究意义和广泛的应用前景。石墨烯材料的发现者获得2010年诺贝尔奖更是激发了人们对石墨烯材料研究的极大兴趣。最近，石墨烯纳米片及其复合材料的合成及其作为锂离子电池负极材料的研究得到了广泛关注。理论计算表明石墨烯纳米片的两侧可以贮锂，其理论容量为744mAh/g，是石墨理论容量(372mAh/g)的两倍。Yoo等[Nano Letters，2008，8(8)：2277-2282]研究显示石墨烯有较高的电化学可逆贮锂容量(540mAh/g)，石墨烯与碳纳米管或C₆₀复合的复合材料的电化学贮锂容量分别是730和784mAh/g。但是石墨烯纳米片材料作为镁离子电池电极的应用研究还未见报道。

另一方面，MoS₂具有类似石墨的典型层状结构。MoS₂层状结构为三明治的层状结构，其层内是很强的共价键(S-Mo-S)，层间则是较弱的范德华力，层与层之间容易剥离。MoS₂较弱的层间作用力和较大的层间距允许通过插入反应在其层间引入外来的原子或分子，MoS₂的层间距大约为石墨层间距的2倍。这样的特性使MoS₂材料可以作为插入反应的主体材料。因此，MoS₂是一种有发展前途的用于高性能电池的电化学储锂和电化学储镁的电极材料(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.)。现在大多数研究工作主要研究锂离子和其他碱金属离子的插入MoS₂和其他过渡金属二硫化物材料，而研究其电化学嵌/脱镁离子的性能报道比较少。Gregoy等(T.D.Gregoy，R.J.Hoffman，R.C.Winterton，J.Electrochem.Soc.，1990，137：775)在二丁基镁的己烷溶液中，用化学法把镁离子嵌入到MoS₂中，嵌入的镁离子按电化学容量计算可以达到140mAh/g，但是没有脱嵌现象。2004年X.L.Li等(X.L.Li，Y.D.Li，J.Phys.Chem.B，2004，108：13893)用水热方法合成了纳米结构的MoS₂纳米材料，并研究了MoS₂纳米材料的电化学性能。他们发现在充放电过程中镁离子可以可逆地嵌入-脱嵌在热处理的MoS₂纳米材料中，但是其电化学可逆容量较低，大约只有25mAh/g的可逆容量。