本发明专利技术涉及一种锂硫电池正极材料用三元金属氧化物复合MXene材料及其制备方法。在氢氟酸溶液中刻蚀处理得到MXene，通过水热反应制备NiCo2O4复合MXene材料，再经过球磨和热融法掺硫制备硫‑NiCo2O4‑MXene复合材料，即三元金属氧化物复合MXene材料。MXene的二维片层结构不仅利于电解质离子快速地在层间扩散，提供优异的倍率性能，而且为活性物质的储存提供了更多的空间，增加了电极的稳定性。而三元金属氧化物NiCo2O4的引入，促进表面的极性活性位点吸附多硫化锂，提高了对活性物质硫的利用率，并可以实现对MXene进行扩层，带来更大的体积膨胀缓冲空间以及更优异的电化学性能。
【技术实现步骤摘要】
一种三元金属氧化物复合MXene材料及其在锂硫电池中的应用
本专利技术涉及一种高比容量的锂硫电池正极材料的制备方法，特别涉及一种通过水热反应制备三元金属氧化物复合MXene复合材料的方法，属于材料化学领域。
技术介绍
随着科学技术的不断发展和人民生活水平的提高，人们对二次锂电池的发展提出了更高的需求，尤其在高性能电动车方面，亟需拥有极高的储能和输能系统。锂硫电池由于拥有高的理论比容量(1675mAh·g－1)和能量密度(2600Wh·kg－1)，得到国内外学者广泛关注。硫元素特殊的结构及电化学性能，使其被广泛用作电池正极材料。硫分子是一个由八个硫原子组成的冠状结构，这导致它的热动力学性能十分稳定。硫元素高的充放电性能与S8分子中硫硫键长的断裂和重组有关，在放电过程中，每一个硫原子转移两个电子，电子转移数比金属离子还多。并且在自然界中储存了大量硫，硫也具有无毒和成本低等优点，使它成为一种最佳的电池正极材料。锂硫电池在理论上具有相当高的能量密度，但是其容量的衰减迅速，且锂硫电池存在硫正极电导率低、多硫化合物的“穿梭效应”、锂离子沉积以及在充放电过程中由于体积巨大变化产生的安全隐患等问题，束缚了它在实际中的运用。近年来，研究者们通过各种方法提升锂硫电池的性能，其中，正极材料的设计和改性起到非常明显的作用。MXene材料是一种新型的二维层状材料,具有优异的导电性和较高的比表面积，已被报道用于能源储存材料,表现出优异的电容量和循环稳定性，有潜力用于大规模生产作为储能器件的电极材料。但目前单纯的MXene材料作为电极材料,比电容和电容量还有待提高。
技术实现思路
本专利技术的目的为针对当前技术存在的不足，提供一种锂硫电池正极材料用三元金属氧化物复合MXene材料及其制备方法。以MAX相陶瓷粉体为原料在氢氟酸溶液中刻蚀处理得到MXene，通过水热反应制备NiCo2O4复合MXene材料，再经过球磨和热融法掺硫制备硫-NiCo2O4-MXene复合材料，即三元金属氧化物复合MXene材料。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：一种三元金属氧化物复合MXene材料的制备方法，包括以下步骤：步骤（1），制备MXene：将研磨过的MAX相陶瓷粉体浸入HF溶液，升温至50～90℃，磁力搅拌12～24小时，之后离心分离取得产物，用去离子水洗涤至中性，置于烘箱中60～80℃干燥12～24小时即得MXene。步骤（2），制备NiCo2O4-MXene复合材料：取适量步骤（1）中制备的MXene、乙酸镍、乙酸钴，置于一定量的去离子水中，搅拌均匀，然后将混合溶液转移至200mL反应釜中，加热进行水热反应，冷却后，离心获得产物并用去离子水反复洗涤，再置于60℃烘箱中干燥12小时。经高温焙烧，冷却后即可获得NiCo2O4-MXene复合材料。步骤（3），制备硫-NiCo2O4-MXene复合锂硫电池正极材料：将步骤（2）中制得的NiCo2O4-MXene复合材料和纯相纳米硫粉按照质量比为1：2～5放入球磨罐内，使用行星式球磨机在转速为500～800r/min条件下混合处理3～5h，将球磨后得到的混合物放入管式炉中，在氮气保护下进行热处理，热处理8～24h，得到硫-NiCo2O4-MXene复合锂硫电池正极材料。步骤（1）中，所述MAX相陶瓷可为Ti3AlC2、Ti2AlC、Cr2AlC中的一种或几种；得到MXene材料可为Ti3C2Tx、Ti2CTx、Cr2CTx中的一种或几种，其中，Tx为-OH、-F等官能团。所述HF溶液的质量浓度为30％～50％，陶瓷粉末与HF溶液质量比为1:10-30。步骤（2）中，所述MXene的用量为1～2g，乙酸镍的用量为0.5～1g，乙酸钴的用量为0.5～1g，去离子水中为100～150mL。所述水热反应条件为150～180℃下，保温6h～12h。所述高温焙烧条件为：升温至400～600℃，保温1～3小时。步骤（3）中，所述热处理条件为100～200℃，热处理8～24h本专利技术的有益效果如下：本专利技术在制备锂硫电池正极材料时引入MXene，充分利用了MXene导电性好，利于电子的传输，和比表面积大，可提供更多的存储位点的特点，MXene的二维片层结构不仅利于电解质离子快速地在层间扩散，提供优异的倍率性能，而且为活性物质的储存提供了更多的空间，也为锂硫电池充放电过程中发生的体积膨胀提供了更多的缓冲空间，增加了电极的稳定性。本专利技术在制备锂硫电池正极材料时引入三元金属氧化物NiCo2O4，利用其表面的极性活性位点通过化学键的作用吸附锂硫电池放电过程中产生的多硫化锂，减少反应过程中活性物质的损失，提高了对活性物质硫的利用率。相比于常规的MXene来说，NiCo2O4复合MXene在一定程度上可以对MXene进行扩层，这会带来更多的反应活性位点，更大的体积膨胀缓冲空间以及更优异的电化学性能。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明：图1为实施例1所制得的硫-NiCo2O4-MXene复合锂硫电池正极材料的放电比容量循环图。图2为实施例1所制得的硫-NiCo2O4-MXene复合锂硫电池正极材料的倍率性能图。具体实施方式实施例1：（1）制备MXene：将研磨过的MAX相陶瓷粉体浸入质量分数为40％的HF溶液中，陶瓷粉末与HF溶液质量比为1:20，升温至80℃，磁力搅拌18小时，之后离心取得产物，用去离子水洗涤至中性，置于烘箱中70℃干燥18小时即得MXene。所述MAX相陶瓷为Ti3AlC2。得到MXene材料为Ti3C2Tx，Tx为-OH、-F等官能团。（2）制备NiCo2O4-MXene复合材料：取步骤（1）中制备的MXene1.5g，0.8g乙酸镍，0.8g乙酸钴，置于120mL去离子水中，搅拌均匀，然后将混合溶液转移至200mL反应釜中，升温至160℃，保温8小时。随炉冷却后，离心获得产物并用去离子水反复洗涤，在置于60℃烘箱中干燥12小时。随后将获得产物置于马弗炉中，升温至500℃，保温2小时，随炉冷却即可获得NiCo2O4-MXene复合材料。（3）制备硫-NiCo2O4-MXene复合锂硫电池正极材料：将步骤（2）中制得的NiCo2O4-MXene复合材料和纯相纳米硫粉按照质量比为1：3放入球磨罐内，使用行星式球磨机在转速为600r/min条件下混合处理4h，将球磨后得到的混合物放入氮气保护下的管式炉中，在180℃下热处理12h，得到硫-NiCo2O4-MXene复合锂硫电池正极材料。图1为实施例1制得的硫-NiCo2O4-MXene复合材料作为锂硫电池正极材料时在0.2C条件下的放电比容量循环图。由该图可见，在0.2C电流密度下，该锂硫电池正极材料在第一次循环中放电比容量高达1634mAh/g，随着循环的不断进行，电池比容量不断下降，循环100圈之后仍有1303mAh/g，反应出该正极材料具有卓越的电化学循环性能。图2为实施例1所制得的硫-NiCo2O4-MXene复合锂硫电池正极材料的倍率性能图。由图可见，即使在2C的高电流密度下，所制备得到的锂硫电池仍然表现出857mAh/g的容量，而当电流密度重新降至0.2C时，放电比容量又恢复至1506mAh/g，这表明该正极材料具有优异的倍率性能。实施例本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种三元金属氧化物复合MXene材料的制备方法，包括以下步骤：步骤（1），制备MXene：将研磨过的MAX相陶瓷粉体浸入HF溶液，升温至50～90℃，磁力搅拌12～24小时，之后离心分离取得产物，用去离子水洗涤至中性，置于烘箱中60～80℃干燥12～24小时即得MXene；步骤（2），制备NiCo2O4‑MXene复合材料：取步骤（1）中制备的MXene1～2g，0.5～1g乙酸镍，0.5～1g乙酸钴，置于100～150mL去离子水中，搅拌均匀，然后将混合溶液转移至200mL反应釜中，加热进行水热反应，冷却后，离心获得产物并用去离子水反复洗涤，再置于60℃烘箱中干燥12小时，经高温焙烧，冷却后即可获得NiCo2O4‑MXene复合材料；步骤（3），制备硫‑NiCo2O4‑MXene复合锂硫电池正极材料：将步骤（2）中制得的NiCo2O4‑MXene复合材料和纯相纳米硫粉按照质量比为1：2～5放入球磨罐内，使用行星式球磨机在转速为500～800r/min条件下混合处理3～5h，将球磨后得到的混合物放入管式炉中，在氮气保护下进行热处理，热处理8～24h，得到硫‑NiCo2O4‑MXene复合材料。...
【技术特征摘要】
1.一种三元金属氧化物复合MXene材料的制备方法，包括以下步骤：步骤（1），制备MXene：将研磨过的MAX相陶瓷粉体浸入HF溶液，升温至50～90℃，磁力搅拌12～24小时，之后离心分离取得产物，用去离子水洗涤至中性，置于烘箱中60～80℃干燥12～24小时即得MXene；步骤（2），制备NiCo2O4-MXene复合材料：取步骤（1）中制备的MXene1～2g，0.5～1g乙酸镍，0.5～1g乙酸钴，置于100～150mL去离子水中，搅拌均匀，然后将混合溶液转移至200mL反应釜中，加热进行水热反应，冷却后，离心获得产物并用去离子水反复洗涤，再置于60℃烘箱中干燥12小时，经高温焙烧，冷却后即可获得NiCo2O4-MXene复合材料；步骤（3），制备硫-NiCo2O4-MXene复合锂硫电池正极材料：将步骤（2）中制得的NiCo2O4-MXene复合材料和纯相纳米硫粉按照质量比为1：2～5放入球磨罐内，使用行星式球磨机在转速为500～800r/min条件下混合处理3～5h，将球磨后得到的混合物放入管式炉中，在氮气保护下进行热处理，热处理8～24h，得到硫-NiCo2O4-MXene复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方...
【专利技术属性】
技术研发人员：王新，王加义，
申请(专利权)人：肇庆市华师大光电产业研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44
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