超声辅助超临界二氧化碳制备类石墨烯MoS2自支撑柔性电极及其储能机理的研究

Graphene analogue molybdeum disulfide (MoS2), as an ideal anode material for lithium or sodium ion batteries due to the very high theoretical capacity, has attracted wild attention recently, especially in the field of flexible energy storage. However, the difficulty of producing high-quality mono- or few-layered MoS2 that is vulnerable to agglomeration holds it back from such applications. This project aims at taking advantages of two techniques: 1) supercritical carbon dioxide (scCO2) which has low viscosity, low interfacial tension, high diffusion coefficients, excellent solubility as well as outstanding expandability companying vaporization, and 2) ultrasonic irradiation which exhibits multi-functions such as dispersion, crushing, activation and initiation associated with the ultrasonic cavitation, to realize the exfoliation of MoS2 and the in-situ composition between MoS2 and graphene or polyaniline (PAN) simultaneously. This will greatly reduce the agglomeration of MoS2, and its layers will be well dispersed in the MoS2/graphene and MoS2/PAN nanocomposites. They can be further applied to the fabrication of flexible electrodes. The novel two-dimensional heterostructure of MoS2/graphene nanocomposite and three-dimensional hierarchical porous structure of MoS2/PAN nanocomposite endow them excellent conductivity, flexibility and improved electrochemical performances. This will promote a new technique for preparation of flexible electrode materials, and broaden applications of functional polymer composites in flexible lithium ion batteries.

本项目以新一代高比容量锂离子或钠离子电池的理想电极材料类石墨烯二硫化钼（MoS2）为研究对象，针对目前单层或少数层MoS2难制备、易团聚的难题，结合国民经济发展对柔性锂离子电池的迫切需求，创新性的提出利用超临界二氧化碳（scCO2）与超声辐照的协同作用，即scCO2低粘度、零张力、流动性好、溶解力强、易气化膨胀的气液二相性，和超声空化独特的分散、粉碎、活化和引发等多重功能，同时实现MoS2的高效剥离和与石墨烯或导电聚合物的原位纳米复合，防止MoS2片层再团聚，一步法制备片层分散稳定的MoS2/石墨烯或MoS2/导电聚苯胺纳米复合材料及其柔性电极。这两种复合电极可分别形成层层堆砌的二维异质结构和三维多级孔结构，结构新颖，既赋予材料良好的导电性、柔性、成膜性，又有利于柔性电极电化学性能的进一步提高。研发具有自主知识产权的柔性锂离子电池新材料，拓宽功能高分子复合材料在柔性锂离子电池中的应用。

新能源技术被认为是21世纪世界经济发展中具有决定性影响的五大技术领域之一，受到世界各国的高度重视。锂离子电池是重要的化学储能电源，综合性能优良，具有十分广阔的应用前景。同时，随着人们对便携式电子设备、可穿戴智能设备、清洁能源等方面的需求日益增长，柔性锂离子电池成为国民经济发展的关键需求，是全球新能源材料的研究热点之一。本项目以新一代高比容量锂离子电池的理想电极材料类石墨烯二硫化钼（MoS2）为研究对象，针对目前单层或少数层MoS2难制备、易团聚的难题，结合国民经济发展对柔性锂离子电池的迫切需求，创新性的利用超临界二氧化碳（scCO2）与超声辐照的协同作用，即scCO2低粘度、零张力、流动性好、溶解力强、易气化膨胀的气液二相性，和超声空化独特的分散、粉碎、活化和引发等多重功能实现了MoS2的高效剥离，通过调控超声功率、时间，及 scCO2压力、辅助溶剂选择等研究了 scCO2和超声辐照协同作用机制，得到了分散均匀的少数层MoS2；同时利用一步法原位制备了MoS2/导电材料纳米复合材料，实现了 MoS2与导电基体良好分散、原位复合，形成层层堆砌的二维异质结构或三维多级孔结构，获得了兼具良好导电性、柔性、成膜性和高比容量、良好循环稳定性等优异电化学性能的MoS2柔性锂离子电池电极材料；研究了MoS2/导电材料纳米复合电极的原位合成、复合原理和储锂机制，为柔性锂离子电池科学、超临界流体科学提供了新材料、新理论和新方法。此外，还建立了一种自主研发的绿色环保、可规模化制备MoS2/石墨烯纳米复合材料的固相力化学技术。项目共发表学术期刊论文（标注基金资助）24篇，其中SCI/EI收录21篇；申请中国发明专利3项（授权2项）和PCT专利1项；培养博士后1名，博士、硕士研究生5名。