一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料及其制备方法技术

技术编号:24803743 阅读:22 留言:0更新日期:2020-07-07 21:47
本发明专利技术涉及锂离子电池负极材料领域,公开了一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料及其制备方法。所述硅@碳/MXene三元复合材料为硅材料在其表面进行盐酸多巴胺自聚合反应形成聚多巴胺层后,与MXene进行液相混合、交联,通过高温处理得到的三元复合材料。该方法中硅材料表面聚多巴胺的仲胺基可以与MXene表面的羟基进行交联反应,形成共价键或氢键,从而抑制硅材料和MXene的团聚现象,改善硅材料的电化学性能。其中,硅材料的尺寸为20‑500nm,碳包覆层的厚度为3‑10nm,硅与MXene的质量比为(0.5‑4):1。所得硅@碳/MXene三元复合材料的孔容为0.05‑0.3cm

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池负极材料领域,尤其涉及一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料及其制备方法
技术介绍
锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池,由于其在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入或脱出,因此被形象地称为“摇椅电池”。锂离子电池具有储存能量密度高、使用寿命长、无记忆效应、绿色环保等优点,得到了越来越广泛的关注,已被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和航空航天等领域。然而目前商业化的锂离子电池的性能并不能满足人们对于高能量和高功率密度的需求,因此具有高容量的电极材料成为人们的研究热点。与商业石墨负极相比,硅基材料的理论容量高达4200mAhg-1,是石墨材料的10倍以上,因此硅基材料作为锂离子电池负极材料具有较大的潜力。但硅基材料在和锂的反应过程中表现出体积膨胀大和电导率差的弊端,导致其循环稳定性和倍率性能仍不能满足实际应用的需求。将硅与碳材料复合,一方面可以利用碳材料优异的导电性改善硅材料导电性差的问题,另一方面碳材料可以有效缓冲硅在电池充放电过程中的体积膨胀,从而改善硅材料的电化学性能。在众多碳基材料中,石墨烯由于具有较高的电导率、良好的机械柔性以及比表面积大等优点,成为和硅材料复合的热门材料。但通常石墨烯和硅材料的复合都需要经过氧化石墨烯热还原或者化学还原等步骤,从而使复合材料的成本大大增加。过渡金属碳化物或氮化物,也称MXene,是2011年被首次发现的新型二维材料,它具有石墨烯的高电导率和氧化石墨烯亲水性的特点,又具备组分灵活可调,表面官能团丰富等优势,在二次电池和超级电容器的电极材料的应用方面展现了巨大的潜力。MXene具有高电导率,可以弥补硅基材料电导率低的不足,同时其独特的二维纳米结构也可以用于缓冲硅基材料在充放电过程中的体积膨胀,因此,通过硅基材料和MXene复合有望获得性能较好的复合电极材料。近年来,人们在MXene和硅基材料的复合方面做了一些努力。但是,目前报道的制备Si/MXene复合材料的方法通常为简单的超声混合或真空抽滤等方法,MXene团聚严重,难以形成均匀分散的复合结构,制备效果较差。因此,如何将MXene和硅基材料均匀复合以制备高性能的复合电极材料还是一个有挑战性的难题。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题,本专利技术的目的之一在于提供了一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料,也即一种锂离子电池用碳包覆硅基材料与MXene形成的三元复合材料。所述硅@碳/MXene三元复合材料为硅材料在其表面进行盐酸多巴胺自聚合反应形成聚多巴胺层后,与MXene进行液相混合、交联,然后通过高温处理得到。所得到的硅@碳/MXene三元复合材料具有MXene片层与硅@碳材料相互交替形成的层状三维结构,硅@碳材料均一的分散于MXene层间,碳包覆在硅表面形成硅@碳材料,硅@碳材料均一的分散于MXene层间,其中,硅的尺寸为20-500nm,碳包覆层的厚度为3-10nm,复合材料的孔容为0.05-0.3cm3/g,比表面积为60-120m2/g。其中,硅材料的尺寸为20-500nm,碳包覆层的厚度为3-10nm。复合材料中,复合材料的孔容为0.05-0.3cm3/g,比表面积为60-120m2/g。本专利技术的目的之二在于提供一种制备上述锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料的方法,所述方法包括如下步骤:(1)将三羟甲基氨基甲烷(C4H11NO3)搅拌分散在去离子水中,配置成浓度为0.01-0.05mol/L的Tris缓冲液;(2)向Tris缓冲液中加入硅材料,超声10-30min进行分散,随后按照一定质量比加入盐酸多巴胺,室温下搅拌12-24h,在硅材料表面进行盐酸多巴胺的自聚合反应;(3)将反应后包覆有聚多巴胺的硅材料进行离心收集,随后重新分散在去离子水中,按照一定的质量比加入MXene分散液,搅拌1-2h后,真空抽滤收集产物;(4)将上述产物在真空烘箱中50-80℃处理6-12h,使聚多巴胺的仲胺基和MXene的羟基进行交联反应;(5)将交联后的产物在惰性气氛下高温处理1-3h,得到硅@碳/MXene三元复合材料。可选的,步骤(2)所述的质量比为硅:盐酸多巴胺=(0.5-4):1,优选(0.5-1):1。可选的,步骤(3)所述的质量比为硅:MXene=(0.25-4):1,优选(0.5-2):1。可选的,步骤(3)中的MXene材料包括Ti3C2Tx、Ti2CTx、Ti2NTx、V2CTx、Mo2CTx和Nb2CTx中的一种或多种。可选的,步骤(5)中所述的惰性气氛为氮气、氩气、氦气或氖气中的一种或几种。可选的,步骤(5)中所述的高温处理温度为400-700℃。本专利技术提供了一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料的制备方法;在本专利技术中盐酸多巴胺首先在硅材料表面发生自聚合反应形成聚多巴胺层,在和MXene混合之后,可以与MXene表面的羟基发生交联反应,形成共价键或氢键,将硅材料和MXene紧密结合起来,并抑制硅和MXene的团聚堆叠现象。本专利技术另外还提供前述方法得到的硅@碳/MXene三元复合材料,以及前述硅@碳/MXene三元复合材料作为锂电池负极材料的用途。本专利技术提供的一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料及其制备方法,具有如下有益效果:(1)本专利技术提供的锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料中,硅材料和MXene通过聚多巴胺衍生碳层与MXene之间的共价键或氢键结合起来,MXene优异的导电性使得硅@碳/MXene三元复合材料的导电性和作为电极时的大电流倍率性能得以大幅度改善;(2)本专利技术提供的锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料中,硅/碳颗粒通过共价键或氢键结合在MXene表面,避免了硅和MXene的团聚堆叠现象,提高了活性材料与电解液的接触反应面积,有利于提高作为锂离子电池电极时的比容量;(3)在循环过程中,碳层和MXene都能对硅的体积膨胀起到缓冲作用,这种双重缓冲作用有利于硅@碳/MXene三元复合材料表现出更为稳定的循环性能。附图说明图1所示为本专利技术实施例1制备的硅@碳材料的透射电子显微镜(TEM)图。图2所示为本专利技术实施例1制备的硅@碳/MXene三元符合材料的扫描电子显微镜(SEM)图。图3所示为本专利技术实施例1制备的硅@碳/MXene三元复合材料和对比例1制备的硅/碳材料作为锂离子电池负极材料的循环性能曲线图。图4所示为本专利技术实施例2制备的硅@碳/MXene三元复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图。图5所示为本专利技术实施例2制备的硅@碳/MXene三元复合材料作为锂离子电池负极材料的循环性能曲线图。图6所示为本专利技术实施例4制备的硅@碳/MXene三元复合材料作为锂离子电池负极材料的循环性能曲线图。具体实施方式实施例1(1)称取本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料,其特征在于,所述硅@碳/MXene三元复合材料具有MXene片层与硅@碳材料相互交替形成的层状三维结构,碳包覆在硅表面形成硅@碳材料,硅@碳材料均一的分散于MXene层间,其中,硅的尺寸为20-500nm,碳包覆层的厚度为3-10nm,复合材料的孔容为0.05-0.3cm

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料,其特征在于,所述硅@碳/MXene三元复合材料具有MXene片层与硅@碳材料相互交替形成的层状三维结构,碳包覆在硅表面形成硅@碳材料,硅@碳材料均一的分散于MXene层间,其中,硅的尺寸为20-500nm,碳包覆层的厚度为3-10nm,复合材料的孔容为0.05-0.3cm3/g,比表面积为60-120m2/g。


2.一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将三羟甲基氨基甲烷(C4H11NO3)搅拌分散在去离子水中,配置成浓度为0.01-0.05mol/L的Tris缓冲液;
(2)向Tris缓冲液中加入硅材料,超声10-30min进行分散,随后按照一定质量比加入盐酸多巴胺,室温下搅拌12-24h,在硅材料表面进行盐酸多巴胺的自聚合反应;
(3)将反应后包覆有聚多巴胺的硅材料进行离心收集,随后重新分散在去离子水中,按照一定的质量比加入MXene分散液,搅拌1-2h后,真空抽滤收集产物;
(4)将上述产物在真空烘箱中50-80℃处理6-12h,使聚多巴胺的仲胺基和MXene...

【专利技术属性】
技术研发人员:徐斌张鹏朱奇珍
申请(专利权)人:北京化工大学
类型:发明
国别省市:北京;11

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