一种应用于锂硫电池正极的氧化Mxene /S复合物的制备方法技术

一种应用于锂硫电池正极的氧化Mxene/S复合物的制备方法，涉及一种应用于锂硫电池正极的S复合物的制备方法。本发明专利技术是为了解决目前Mxene/S复合物的制备方法工艺复杂的技术问题。本发明专利技术：一、制备Mxene粉末；二、氧化；三、水浴法。本发明专利技术采用高导电性的氧化Mxene作为S载体，制备过程简单、安全、生产成本低、有望规模化生产，作为锂硫电池正极材料具有很高的比容量和循环稳定性。本发明专利技术应用于制备锂硫电池正极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于锂硫电池正极的氧化Mxene/S复合物的制备方法
本专利技术涉及一种应用于锂硫电池正极的S复合物的制备方法。
技术介绍
锂硫电池作为未来最有发展前景的替代传统锂离子二次电池的新体系之一，具有比容量高、能量密度大、原料来源充足等优点，但是也存在许多至关重要的问题亟待解决。由于正极活性材料S的低导电性，导致人们对锂硫电池应用前景期望过低。因此虽然提出来却一直没有得到应有的关注。2009年nazzer课题组首次将S通过融入浸渍的方法与介孔碳复合，制备正极材料，将人们的视线从新拉回到锂硫电池上。因为介孔碳不仅使硫以更小的颗粒尺寸参加电化学反应，而且碳骨架也提高了材料导电性能，进而增强电池正极活性。按照这个思路，可以从以下两个方面提高硫正极性能:1、将硫的尺寸降低；2、提高材料的导电性。除此之外，S与锂发生放电反应时逐级生成的中间产物多硫化锂的溶解问题，是研究者们更为关注的方向，由于在循环充放电过程中，多硫化锂溶液溶解到电解液中并产生穿梭效应，所以循环稳定性极差，这是阻碍锂硫电池发展的最重要原因。综上，选择具有高导电性、对S高度分散式限域、对多硫化锂具有吸附性的载体材料是改善锂硫电池性能的关键。目前对于S的改性研究大致分为以下几类：1、导电聚合物/S；2、碳材料/S；3、金属或金属氧化物/S。对于S的限制也从简单的物理限域到化学吸附的步骤展开。尤其是金属氧化物/S复合材料，对于多硫化物的润湿和吸附达到平衡状态，是目前研究的热点之一。但是金属氧化物大多数导电性不好需要与碳材料复合得到更高的导电性，因此倍率性能不好，反应效率也很低。且不易制备。采用Mxene作为导电材料，此材料不仅导电性极高、表面积大，而且表面丰富的基团能够有效地吸附多硫化物，利用制备过程中表面的基团，可以将S以极小的颗粒在表面均匀形核，同时达到高分散、高效率、化学吸附的目的。以Ti、Al、Si石墨粉等为原料，采用球磨混料工艺，无压烧结可以制备MAX粉体，然后用化学液相刻蚀法在室温下对合成的MAX粉体进行化学刻蚀就得到手风琴状的石墨烯二维Mxene材料，将手风琴状的Mxene在水中超声剥离，水溶液上清液过滤就得到了单片状的Mxene。例如Ti3AlC2是Ti-C层与Al原子层交替排列而成，当反应发生时，Al原子层就会从层间被腐蚀掉，相邻的Ti-C层就会相互分离开，被剥离开的Ti-C层都存在裸露的Ti，能满足合适的配体，而反应是在HF酸的水溶液中进行的，所以-OH和-F就与Ti-C层结合上了，使得生成的Mxene表面带有羟基与F等官能团。
技术实现思路
本专利技术是为了解决目前Mxene/S复合物的制备方法工艺复杂的技术问题，而提供一种应用于锂硫电池正极的氧化Mxene/S复合物的制备方法。本专利技术的应用于锂硫电池正极的氧化Mxene/S复合物的制备方法是按以下步骤进行的：一、制备Mxene粉末：将MAX相与HF溶液混合，搅拌6h～40h，自然静置分层，然后将沉淀离心，用去离子水和酒精重复抽滤洗涤至滤液为中性，干燥后得到手风琴状Mxene粉末；所述的MAX相的质量与HF溶液的体积比为1g:(50mL～200mL)；所述的HF溶液的质量浓度为10％～40％；二、氧化：将手风琴状Mxene粉末在Ar和O2的混合气氛和温度为100℃～900℃的条件下热处理2h～20h，在Ar和O2的混合气氛下冷却至室温，得到表面氧化的Mxene粉末；所述的Ar和O2的混合气氛中氧气的体积分数为1％～10％；三、水浴法：将表面氧化的Mxene粉末加入到含S源的水溶液中，搅拌均匀，滴加盐酸溶液，依次经过离心、洗涤和干燥，即得到氧化Mxene/S复合物；所述的表面氧化的Mxene与含S源的水溶液中S源的质量比是1:(1～10)；所述的含S源的水溶液的浓度是0.05mol/L～2mol/L；所述的盐酸溶液浓度是0.1mol/L～3mol/L；所述的S源与盐酸溶液中HCl的物质的量的比为1:(2.5～12)。本专利技术的应用于锂硫电池正极的氧化Mxene/S复合物的另一种制备方法是按以下步骤进行的：一、制备Mxene粉末：将MAX相与HF溶液混合，搅拌6h～40h，自然静置分层，然后将沉淀离心，用去离子水和酒精重复抽滤洗涤至滤液为中性，干燥后得到手风琴状Mxene粉末，将手风琴状Mxene粉末分散在水中，超声0.5h～10h，静置，取上层悬浊液进行离心，烘干，得到片状Mxene粉末；所述的MAX相的质量与HF溶液的体积比为1g:(50mL～200mL)；所述的HF溶液的质量浓度为10％～40％；二、氧化：将片状Mxene粉末在Ar和O2的混合气氛和温度为100℃～900℃的条件下热处理2h～20h，在Ar和O2的混合气氛下冷却至室温，得到表面氧化的Mxene粉末；所述的Ar和O2的混合气氛中氧气的体积分数为1％～10％；三、水浴法：将表面氧化的Mxene粉末加入到含S源的水溶液中，搅拌均匀，滴加盐酸溶液，依次经过离心、洗涤和干燥，即得到氧化Mxene/S复合物；所述的表面氧化的Mxene与含S源的水溶液中S源的质量比是1:(1～10)；所述的含S源的水溶液的浓度是0.05mol/L～2mol/L；所述的盐酸溶液浓度是0.1mol/L～3mol/L；所述的S源与盐酸溶液中HCl的物质的量的比为1:(2.5～12)。本专利技术方法的优势在于提供一种简单、安全、低成本的制备氧化Mxene/S复合物的方法，且所制备的材料能有效地吸附聚硫化锂、提高电极导电性，且作为正极的锂硫电池具有高比容量、高循环稳定性和长的寿命。本专利技术的氧化Mxene/S复合物是一种以氧化Mxene为载体，通过创新的原位水浴化学负载S的方法，制备锂硫电池正极材料。所述复合物包含氧化Mxene和单质硫，其中氧化Mxene是手风琴状或者单片状，其表面含有大量的-OH和F-离子；氧化Mxene与硫复合是通过原位水浴方法合成的，硫呈纳米级别均匀分散在氧化Mxene表面，复合物中S的质量含量为10％～80％。本专利技术利用于水浴法，采用S源溶液和HCl在氧化Mxene的F(氟)终端即时原位形核的方式可以成功制备出氧化Mxene/S复合物，氧化Mxene不仅导电性极高、表面积大(5002/g～1600m2/g)，而且表面丰富的基团能够有效地吸附多硫化物，利用制备过程中表面的基团，可以将S以极小的颗粒在表面均匀形核，同时达到高分散、高效率、化学吸附的目的。本专利技术采用离子交换在氧化Mxene表面复合含硫基团，然后通过氧化反应将硫原位链接在氧化Mxene表面。本专利技术的Mxene材料经过氧化处理后，材料结构更稳定，导电性也进一步提高了，更有利于提高材料的电化学活性。本专利技术的氧化Mxene是手风琴状或者单片状的二维层状化合物，M代表过渡金属元素，X代表碳或氮。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1、采用高导电性的氧化Mxene作为S载体，制备过程简单、安全、生产成本低、有望规模化生产；2、氧化Mxene材料表面带有羟基基团，与液态S有很好的润湿性，便于浸渍S，且表面的F-与S源引入发生离子交换或吸附，能够将S和氧化Mxene载体进行化学链接，使其能够有效地吸附放电中间产物聚硫化锂，减少穿梭效应；3、本专利技术制备的氧化Mxene/S复合物不仅导电性极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于锂硫电池正极的氧化Mxene/S复合物的制备方法，其特征在于应用于锂硫电池正极的氧化Mxene/S复合物的制备方法是按以下步骤进行的：一、制备Mxene粉末：将MAX相与HF溶液混合，搅拌6h～40h，自然静置分层，然后将沉淀离心，用去离子水和酒精重复抽滤洗涤至滤液为中性，干燥后得到手风琴状Mxene粉末；所述的MAX相的质量与HF溶液的体积比为1g:(50mL～200mL)；所述的HF溶液的质量浓度为10％～40％；二、氧化：将手风琴状Mxene粉末在Ar和O2的混合气氛和温度为100℃～900℃的条件下热处理2h～20h，在Ar和O2的混合气氛下冷却至室温，得到表面氧化的Mxene粉末；所述的Ar和O2的混合气氛中氧气的体积分数为1％～10％；三、水浴法：将表面氧化的Mxene粉末加入到含S源的水溶液中，搅拌均匀，滴加盐酸溶液，依次经过离心、洗涤和干燥，即得到氧化Mxene/S复合物；所述的表面氧化的Mxene与含S源的水溶液中S源的质量比是1:(1～10)；所述的含S源的水溶液的浓度是0.05mol/L～2mol/L；所述的盐酸溶液浓度是0.1mol/L～3mol/L；所述的S源与盐酸溶液中HCl的物质的量的比为1:(2.5～12)。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于锂硫电池正极的氧化Mxene/S复合物的制备方法，其特征在于应用于锂硫电池正极的氧化Mxene/S复合物的制备方法是按以下步骤进行的：一、制备Mxene粉末：将MAX相与HF溶液混合，搅拌6h～40h，自然静置分层，然后将沉淀离心，用去离子水和酒精重复抽滤洗涤至滤液为中性，干燥后得到手风琴状Mxene粉末；所述的MAX相的质量与HF溶液的体积比为1g:(50mL～200mL)；所述的HF溶液的质量浓度为10％～40％；二、氧化：将手风琴状Mxene粉末在Ar和O2的混合气氛和温度为100℃～900℃的条件下热处理2h～20h，在Ar和O2的混合气氛下冷却至室温，得到表面氧化的Mxene粉末；所述的Ar和O2的混合气氛中氧气的体积分数为1％～10％；三、水浴法：将表面氧化的Mxene粉末加入到含S源的水溶液中，搅拌均匀，滴加盐酸溶液，依次经过离心、洗涤和干燥，即得到氧化Mxene/S复合物；所述的表面氧化的Mxene与含S源的水溶液中S源的质量比是1:(1～10)；所述的含S源的水溶液的浓度是0.05mol/L～2mol/L；所述的盐酸溶液浓度是0.1mol/L～3mol/L；所述的S源与盐酸溶液中HCl的物质的量的比为1:(2.5～12)。2.根据权利要求1所述的一种应用于锂硫电池正极的氧化Mxene/S复合物的制备方法，其特征在于所述的MAX相为Ti2AlC、Ti3AlC2或Ti3SiC2。3.根据权利要求1所述的一种应用于锂硫电池正极的氧化Mxene/S复合物的制备方法，其特征在于所述的S源为硫代硫酸钠或硫化钠。4.一种应用于锂硫电池正极的氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄小萧，潘虹，温广武，钟博，夏龙，张涛，张晓东，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23