一种同时电化学储锂和储钠的复合电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种同时电化学储锂和储钠的复合电极及其制备方法，该复合电极用Bi2S3‑MoS2/石墨烯复合纳米材料作为同时电化学储锂和储钠的活性物质。其制备步骤是：在氧化石墨烯存在的条件下，通过Bi(NO3)3、Na2MoO4和L‑半胱氨酸的混合溶液在水热条件下的水热反应，制备得到Bi2S3‑MoS2/石墨烯复合纳米材料，将得到的Bi2S3‑MoS2/石墨烯复合纳米材料与乙炔黑、羧甲基纤维素和聚偏氟乙烯的溶液调成均匀的浆料，涂到铜箔上，烘干并滚压得到同时电化学储锂和储钠的复合电极。该复合电极具有同时电化学储锂和储钠的可逆比容量高，循环性能稳定和显著增强的高倍率充放电特性。

A composite electrode for simultaneous electrochemical lithium and sodium storage and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种同时电化学储锂和储钠的复合电极及其制备方法
本专利技术涉及一种同时电化学储锂和储钠的复合电极及其制备方法，尤其涉及用Bi2S3-MoS2/石墨烯复合纳米材料作为同时电化学储锂和储钠的活性物质的复合电极及其制备方法，属于电化学储锂和储钠的复合电极应用的

技术介绍
锂离子电池具有高的比容量和长的循环寿命等优点，在移动通讯、电动助力车、电动汽车和储能等领域得到了广泛的应用。但是，锂离子电池的大量应用导致锂资源的相对短缺和锂资源或原材料价格的不断上涨，如碳酸锂的价格在过去2年已经上涨了2倍左右。与锂资源相比，钠具有更加丰富的资源和价格低廉的优势。因此，最近关于钠离子电池及其电化学贮钠材料和电极的研发引起了人们极大兴趣。然而，与锂离子电池相比，钠离子电池的比容量和倍率特性较低。能同时电化学储锂和储钠的复合电池可以兼顾上述锂离子电池和钠离子电池在性能和资源方面的优点，以及存在的问题。传统的锂离子电池用石墨材料作为负极，但是由于石墨负极材料较小的层间距(0.33-0.34nm)使其电化学贮钠的性能很差，其电化学贮钠的比容量几乎接近于0。因此，石墨材料不能用来制备同时电化学贮钠和电化学贮锂的复合电极，所以研究开发具有能同时电化学贮钠和电化学贮锂的电化学活性材料及其复合电极对钠离子和锂离子复合电池具有重要意义和技术应用价值。MoS2纳米材料具有良好的同时电化学储锂和储钠的性能，作为电极材料在锂离子电池或钠离子电池中具有较好的应用前景。但是，由于其较低的电导率和充放电过程中体积较大的变化，导致其在充放电过程中电化学储锂或储钠比容量的快速衰减。硫化铋纳米材料也是一种具有良好同时电化学储锂和储钠的性能的电极材料，但是单一的硫化铋纳米材料也同样存在充放电过程中比容量衰减较快的缺点。最近研究表明，由两种不同的金属硫化物复合形成的纳米材料(如SnS2-MoS2和Ni3S2-MoS2复合材料等)作为锂离子电池或钠离子电池负极材料的均由于单一的金属硫化物纳米材料。其电化学性能增强的原因是两种不同的金属硫化物形成的复合纳米材料具有异质的复合结构和更多电化学锂化/去锂化或钠化/去钠化的电对反应。尽管两种不同的金属硫化物形成的复合纳米材料的电化学储锂或储钠的性能有所改善，其较低的电导率还是影响了其电化学储锂或储钠的性能。石墨烯具有高的电导率和荷电迁移率、极大的比表面积、良好的柔性和化学稳定性。通过将硫化物纳米材料与石墨烯复合，所制备的复合材料不仅具有高的同时电化学储锂和储钠的容量，并具有稳定的充放电循环性能和显著增强高倍率充放电特性。如：MoS2-石墨烯复合材料，硫化铋-石墨烯复合材料等均显示了比单独的MoS2或硫化铋具有更高的同时电化学储锂和储钠的比容量和更优异的充放电循环稳定性。但是这些复合材料的同时电化学储锂和储钠的性能还有进一步提高的空间。本专利技术提供了一种同时电化学储锂和储钠的复合电极及其制备方法，该同时电化学储锂和储钠的复合电极用Bi2S3-MoS2/石墨烯复合纳米材料作为同时电化学储锂和储钠的活性物质。与用MoS2/石墨烯和Bi2S3/石墨烯复合纳米材料为同时电化学储锂和储钠的活性物质所制备的复合电极相比，本专利技术用Bi2S3-MoS2/石墨烯复合纳米材料作为同时电化学储锂和储钠的活性物质所制备的复合电极具有更高的同时电化学储锂和储钠的可逆比容量、优异的循环性能和显著增强的高倍率充放电特性。但是，到目前为止，这种用Bi2S3-MoS2/石墨烯复合纳米材料为同时电化学储锂和储钠的活性物质的复合电极及其制备方法还未见公开报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种同时电化学储锂和储钠的复合电极及其制备方法，该复合电极的同时电化学储锂和储钠的活性物质为Bi2S3-MoS2/石墨烯的复合纳米材料，该复合纳米材料是由MoS2纳米片和Bi2S3纳米粒子形成复合结构，并均匀地负载在石墨烯上形成。复合电极的组分及其质量百分比为：Bi2S3-MoS2/石墨烯的复合纳米材料为80％，羧甲基纤维素5％，聚偏氟乙烯5％。该同时电化学储锂和储钠的复合电极的制备方法的步骤如下：(1)将计量的Bi(NO3)3·5H2O、Na2MoO4·2H2O和L-半胱氨酸加入到去离子水中，并充分搅拌，得到均匀的混合溶液，水热反应溶液中Bi(NO3)3与Na2MoO4的物质的量之比为1∶4，L-半胱氨酸的物质的量为Bi(NO3)3与Na2MoO4的物质的量之和的5倍；(2)将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，得到均匀的悬浮液，在不断搅拌下将氧化石墨烯悬浮液滴加到上述混合溶液中，并继续搅拌2h，以碳的物质的量计算，氧化石墨烯的物质的量等于Bi(NO3)3与Na2MoO4的物质的量之和的2倍，将得到的反应混合物转移到带有聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中，密封后在200℃下反应24h，然后自然冷却至室温，将水热反应得到的沉淀产物离心分离，并用去离子水和无水乙醇充分洗涤，最后在80℃下真空干燥12h后，得到Bi2S3-MoS2/石墨烯复合纳米材料，其中的Bi和Mo的摩尔比为1∶4。(3)将上述制备得到的Bi2S3-MoS2/石墨烯复合纳米材料作为同时电化学储锂和储钠的活性物质，与乙炔黑、羧甲基纤维素及聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液在搅拌下充分混合调成均匀的浆料，将所得到均匀浆料均匀地涂到作为集流体的铜箔上，110℃真空干燥12h，经滚压后得到同时电化学储锂和储钠的复合电极。复合电极中Bi2S3-MoS2/石墨烯复合纳米材料、乙炔黑，羧甲基纤维素和聚偏氟乙烯的质量之比为80∶10∶5∶5。与现有技术比较，本专利技术用Bi2S3-MoS2/石墨烯的复合纳米材料为电化学活性物质制备的同时电化学储锂和储钠的复合电极及其制备方法具有以下显著的优点和技术进步：尽管与单一的MoS2或Bi2S3纳米材料相比较，MoS2/石墨烯复合材料或Bi2S3/石墨烯复合材料能够具有改善的电化学储锂或储钠，以及同时电化学储锂和储钠的性能，但是，其电化学储锂或储钠，以及电化学储锂和储钠的性能还具有进一步提升的空间。与MoS2/石墨烯和Bi2S3/石墨烯复合材料相比，本专利技术的Bi2S3-MoS2/石墨烯复合纳米材料具有更高的同时电化学储锂和储钠的可逆比容量和进一步显著增强的高倍率充放电特性。其电化学性能进一步增强的主要原因是：水热制备的MoS2微观形貌主要为典型二维层状纳米片，而水热制备的Bi2S3主要显示了颗粒较大的类似梭子或橄榄形的微观形貌，当在水热反应溶液中Bi(NO3)3和Na2MoO4同时存在时，水热反应过程中，MoS2和Bi2S3的成核和生长几乎同时或交替在进行，由于这两种不同硫化物成核和生长存在互相的干扰和影响，导致水热反应体系中微小区域反应条件的变化，使所生成的MoS2具有较少的层数和较多的边缘，同时生成的Bi2S3的粒径也变得更小，并与MoS2复合在一起，形成了Bi2S3-MoS2复合异质结构，再高度分散负载在水热还原氧化石墨烯上，最后形成了Bi2S3-MoS2/石墨烯复合纳米材料，由于其Bi2S3，MoS2，石墨烯三者之间形成的均匀的异质结构，以及Bi2S3-MoS2双金属硫化物具有更多的电化学锂化/去锂化和钠化/去钠化电极反应电对。因此，与用MoS2/石墨烯或Bi2S3/石墨烯复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时电化学储锂和储钠的复合电极，其特征在于，复合电极的同时电化学储锂和储钠的活性物质为Bi2S3‑MoS2/石墨烯的复合纳米材料。复合电极的组分及其质量之比为：Bi2S3‑MoS2/石墨烯复合纳米材料80％，乙炔黑10％，羧甲基纤维素5％，聚偏氟乙烯5％。

【技术特征摘要】
1.一种同时电化学储锂和储钠的复合电极，其特征在于，复合电极的同时电化学储锂和储钠的活性物质为Bi2S3-MoS2/石墨烯的复合纳米材料。复合电极的组分及其质量之比为：Bi2S3-MoS2/石墨烯复合纳米材料80％，乙炔黑10％，羧甲基纤维素5％，聚偏氟乙烯5％。2.一种权利要求1所述的同时电化学储锂和储钠的复合电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法的步骤如下：(1)将计量的Bi(NO3)3·5H2O、Na2MoO4·2H2O和L-半胱氨酸加入到去离子水中，并充分搅拌，得到均匀的混合溶液，水热反应溶液中Bi(NO3)3与Na2MoO4的物质的量之比为1∶4，L-半胱氨酸的物质的量为Bi(NO3)3与Na2MoO4的物质的量之和的5倍；(2)将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，得到均匀的悬浮液，在不断搅拌下将氧化石墨烯悬浮液滴加到上述混合溶液中，并继续搅拌2h，以碳的物质的量计算，氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：李靖，田庆山，罗秋月，宋文龙，陈卫祥，施璐，李丹，甄爱钢，高根芳，陈羽婷，
申请(专利权)人：天能电池集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33