一种用于高性能钾离子电池的3D多孔Sb/Ti制造技术

本发明专利技术提供了一种用于高性能钾离子电池的3D多孔Sb/Ti

【技术实现步骤摘要】
一种用于高性能钾离子电池的3D多孔Sb/Ti3C2MXene复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种用于高性能钾离子电池的3D多孔Sb/Ti3C2MXene复合材料的制备方法，属于钾离子电池

技术介绍
近年来，钾离子电池(PIBs)由于其相对较低的成本，丰富的K资源和类似的“摇椅”机制，被认为是锂离子电池(LIBs)的有前途的替代品。特别是，由于K(-2.93Vvs标准氢电极(SHE))的标准氧化还原电位低于Na的(-2.71Vvs(SHE))，而更接近于Li(-3.04Vvs(SHE))的标准氧化还原电位，PIBs可以保证较高的工作电压和能量密度。此外，较大的K+半径相对于Li+和Na+可能带来较低的K+溶剂化(去溶剂化)能和较小的斯托克斯半径与Li+和Na+相比，因此在电解质和电极/电解质界面中显示出更高的K+迁移率。但是，较大的K+半径可能会在循环过程中引起较大的体积变化，这使得在重复的K+嵌入/脱出过程中很难找到合适的电极材料来适应较大的体积变化，从而难以进一步实现优异的电化学性能。目前已开发出用于钾离子电池的负极材料，包括碳基材料、合金基材料和硫族化物。其中，合金基材料(锡(Sn)，磷(P)，锑(Sb)，铋(Bi))由于其合适的电势和较高的理论容量而引起了广泛的关注。其中，Sb的合金电位低，理论容量高(660mAhg-1)，物理密度高(6.7gcm-3)。此外，Sb的电导率远高于P和Sn，使其成为PIBs极具吸引力的负极材料。然而，纯Sb负极在钾化/去钾化过程中会发生剧烈的体积变化(～300％)，这可能会导致断裂和粉碎，从而导致容量衰减和较差的循环性能。为了进一步提高Sb基材料的电化学性能，已经引入了几种策略来克服这些不足，例如将Sb粒子缩小到纳米尺度，或者与其他活性或非活性金属合金化，或者制备Sb/碳纳米复合材料。其中，制备Sb/碳纳米复合材料是克服这一缺点的有效方法，因为它不仅可以缓冲Sb纳米粒子的体积变化，防止其聚集和粉碎，而且可以显著提高电极的电导率。在层状材料中，二维MXene材料由于其丰富的表面氧化还原反应位点，高的金属电导率，可控的层间距，更稳定的层状结构以及比石墨烯(0.64eV)更低的K+扩散势垒(0.11eV)，已成为能量存储应用的理想选择。因此，将Sb基材料与MXene材料复合，制备具有高容量高稳定性的钾离子电池负极材料具有十分重要的意义。例如：中国专利文件CN108091862A提供了一种MXene-金属复合材料及其制备方法，制备方法包括步骤：(1)将金属盐颗粒与氢氟酸混合配成溶液，再将MAX原材料放入溶液中搅拌；(2)待反应完成后，对步骤(1)中反应液进行离心，对离心后得到的固体洗涤、真空干燥，即可得到MXene-金属复合的电极材料。但是，上述MXene-金属复合的电极材料中MXene的结构优势无法在块状复合材料中充分发挥，并且MXene表面的-F官能团含量高，限制了其电化学容量。中国专利文件CN108987674A提供了一种柔性MXene自支撑膜/金属复合材料及其制备方法、应用，该复合材料的制备方法包括步骤：(1)将MAX用氟化锂和盐酸腐蚀剥离，经离心、洗涤、振荡和再离心得到MXene悬浮液；(2)真空抽滤成柔性MXene自支撑膜；(3)以恒定电流或电压将MXene膜置于电镀液中电镀一层微/纳米级金属颗粒。但是上述柔性MXene自支撑膜/金属复合材料中少层甚至单层的MXene在K+嵌入/脱嵌过程中容易发生层片结构的破坏与塌陷，并且微米级的Sb颗粒与MXene的接触位点少，不利于充分发挥材料的优势。目前，现有的Sb/MXene复合材料的复合方式难以发挥出MXene材料与Sb材料各组分的优势，并且现有的Sb/MXene复合材料中MXene是二维结构，在钾离子嵌入/脱出过程中容易发生结构破坏，并且不能暴露更多的活性位点储钾，导致其可逆容量较低。因此，如何构建MXene材料与Sb材料有效的复合方式以及如何得到3D多孔结构的复合材料，是获得高性能复合电极材料的关键。为此，提出本专利技术。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于高性能钾离子电池的3D多孔Sb/Ti3C2MXene复合材料的制备方法。本专利技术的制备方法利用插层诱导剂使单分散的Ti3C2MXene材料发生褶皱、卷曲，形成3D多孔导电网络骨架，之后通过静电吸附和碳热还原过程，在3D多孔Ti3C2MXene骨架上均匀负载超小Sb纳米颗粒，制备得到3D多孔Sb/Ti3C2MXene复合材料。该方法可以使得Sb纳米颗粒以化学键的结合方式均匀且稳定的生长在3D多孔Ti3C2MXene骨架上，解决Sb基负极材料导电性差和体积膨胀的问题，从而显著提高钾离子电池的循环稳定性和比容量。本专利技术的3D多孔Sb/Ti3C2MXene材料结合3D多孔Ti3C2MXene结构和超小Sb纳米颗粒的优良特性的同时，克服传统单一材料存在的不足，得到具有高性能的钾离子电池负极材料。术语说明：室温：具有公知的含义，具体指25±5℃。本专利技术的技术方案如下：一种用于高性能钾离子电池的3D多孔Sb/Ti3C2MXene复合材料的制备方法，包括步骤如下：(1)向单分散的Ti3C2MXene纳米片悬浮液中加入预插层诱导剂，室温下进行反应，得到3D多孔Ti3C2MXene悬浊液；(2)向步骤(1)所得3D多孔Ti3C2MXene悬浊液中加入锑前驱体溶液，室温下进行反应；反应完成后，经离心、洗涤、干燥，得到3D多孔Sb3+/Ti3C2MXene前驱体；(3)将步骤(2)所得3D多孔Sb3+/Ti3C2MXene前驱体在惰性气氛下进行热处理，得到3D多孔Sb/Ti3C2MXene复合材料。根据本专利技术，优选的，步骤(1)中所述的Ti3C2MXene纳米片悬浮液的浓度为0.5～2.0mg/mL，进一步优选为0.8mg/mL。根据本专利技术，步骤(1)中所述的Ti3C2MXene纳米片是通过HCl和LiF作为刻蚀剂，选择性刻蚀Ti3AlC2，之后经超声剥离制备得到的，其可按现有技术制备得到；优选的，所述的Ti3C2MXene纳米片的制备方法，包括步骤：将LiF加入HCl溶液中，机械搅拌进行溶解，得到混合溶液，之后向上述混合溶液中缓慢加入粒度小于38μmTi3AlC2粉末，用时0.5h，在35℃下搅拌反应24h；用去离子水反复洗涤所得物，离心并倾析直至上清液的pH为6～7，得到粘土状沉淀物；将沉淀物分散在去离子水中并在氩气气氛下超声处理1h，以3500rpm速率离心1h，收集得到深绿色单分散的带负电的Ti3C2MXene纳米片悬浮液；所述HCl溶液的浓度为6～12mol/L，所述HCl溶液的体积与Ti3AlC2粉末的质量比为15～30mL:1g；所述LiF与Ti3AlC2的质量比为1～3:1；通过抽滤已知体积的悬浮液并冷冻干燥后测量膜的重量来计算其浓度。根据本专利技术，优选的，步骤(1)中所述的预插层诱导剂为NaBH4或KBH4；所述预插层诱导剂与Ti3C2MXene纳米片的质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高性能钾离子电池的3D多孔Sb/Ti

【技术特征摘要】
1.一种用于高性能钾离子电池的3D多孔Sb/Ti3C2MXene复合材料的制备方法，包括步骤如下：
(1)向单分散的Ti3C2MXene纳米片悬浮液中加入预插层诱导剂，室温下进行反应，得到3D多孔Ti3C2MXene悬浊液；
(2)向步骤(1)所得3D多孔Ti3C2MXene悬浊液中加入锑前驱体溶液，室温下进行反应；反应完成后，经离心、洗涤、干燥，得到3D多孔Sb3+/Ti3C2MXene前驱体；
(3)将步骤(2)所得3D多孔Sb3+/Ti3C2MXene前驱体在惰性气氛下进行热处理，得到3D多孔Sb/Ti3C2MXene复合材料。


2.根据权利要求1所述的3D多孔Sb/Ti3C2MXene复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的Ti3C2MXene纳米片悬浮液的浓度为0.5～2.0mg/mL，优选为0.8mg/mL。


3.根据权利要求1所述的3D多孔Sb/Ti3C2MXene复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的预插层诱导剂为NaBH4或KBH4；所述预插层诱导剂与Ti3C2MXene纳米片的质量比为0.4～2:1，优选为1～1.5:1。


4.根据权利要求1所述的3D多孔Sb/Ti3C2MXene复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的反应时间为0.5～1h。


5.根据权利要求1所述的3D多孔Sb/...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹龙卫，赵瑞正，王成祥，惠晓斌，赵丹阳，邸浩翔，张志薇，张芦元，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37