[发明专利]WS2纳米瓦/石墨烯电化学贮锂复合电极及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学贮锂电极及其制备方法，尤其涉及WS₂纳米瓦/石墨烯电化学贮锂复合电极制备方法，属于新能源材料及其应用领域。

背景技术

锂离子电池具有高的比能量、无记忆效应、环境友好等优异性能, 在移动电话和笔记本电脑等便携式移动电器中得到了广泛的应用。作为动力电池，锂离子电池在电动自行车、电动汽车和智能电网等方面也具有广泛的应用前景。目前锂离子电池的负极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)，这些石墨材料具有较好的循环稳定性能，但是其容量较低，石墨的理论容量为372 mAh/g。新一代锂离子电池对电极材料的容量和循环稳定性能提出了更高的要求，锂离子电池的性能很大程度上取决于电极材料的项目，尤其是负极材料的性能，不仅要求负极材料具有高的电化学贮锂比容量，而且具有优异的循环稳定性能和高倍率特性。

   二维纳米材料以其独特的形貌具有众多优异的特性，其研究引起了人们的极大兴趣。石墨烯是最典型的二维纳米材料，其独特的二维纳米片结构使其众多独特的物理、化学和力学等性能，具有重要的科学研究意义和广泛的技术应用前景。石墨烯具有极高的比表面积、高的导电和导热性能、高的电荷迁移率，优异的力学性能，这些优异的特性使得石墨烯在微纳米电子器件、储能材料和新型的催化剂载体等方面具有广泛的应用前景，最近石墨烯及其材料作为电化学贮锂的应用得到了人们的极大关注。

WS₂具有与石墨类似的层状结构，其层内是很强的共价键结合的S-Mo-S，层与层之间则是较弱的范德华力。WS₂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。这样的特性使WS₂材料可以作为插入反应的主体材料。因此，WS₂是一种有发展前途的电化学储锂和电化学储镁的电极材料。

 石墨烯的发现及其研究取得的巨大成功激发了人们对其他无机二维纳米材料研究的极大兴趣，如单层或少层数的过渡金属二硫化物等。最近，石墨烯概念已经从碳材料扩展到其他层状结构的无机化合物，也就是对于层状结构的无机材料，当其层数减少时(8层以下)，尤其是减少到单层时， 其电子性质或能带结构会产生明显的变化，从而导致其显示了与相应体相材料不同的物理和化学特性。除了石墨烯外，研究表明当体相WS₂减少到少层数（尤其是单层时），显示了与体相材料明显不同的物理、化学和电子学特性。有研究报道单层或少层数的WS₂具有更好的电化学贮锂性能。但是作为电化学贮锂的电极材料，WS₂的层与层之间低的导电性能影响了其应用的性能。

由于WS₂纳米片与石墨烯具有类似的二维纳米片形貌，两者在微观形貌和晶体结构上具有很好的相似性。如果将WS₂纳米片与石墨烯复合制备两者的复合材料，石墨烯纳米片的高导电性能可以进一步提高复合材料的导电性能，增强电化学贮锂电极反应过程中的电子传递，可以进一步改善复合材料的电化学贮锂性能。与普通WS₂纳米片比较，小的纳米瓦状形貌的WS₂不仅具有较多的边缘，可以提供更多的短的锂离子扩散通道，而且负载在石墨烯上，与电解液具有更多的接触面积。因此WS₂纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料可以显示显著增强的电化学贮锂性能。

 但是，到目前为止，用WS₂纳米瓦/石墨烯复合纳米材料作为电化学活性物质的电化学贮锂复合电极及其制备还未见报道。本发明首先用氧化石墨烯和硫代钨酸铵为原料，通过双子表面活性剂协助的水热方法和随后的热处理，制备了WS₂纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料，然后用WS₂纳米瓦/石墨烯的复合纳米材料作为电化学贮锂的活性物质，制备了电化学贮锂的复合电极。这种制备WS₂纳米瓦/石墨烯复合纳米材料电化学贮锂复合电极的方法具有简单、方便和易于扩大工业化应用的有点。

发明内容