一种金属二次电池负极用过渡金属碳/氮化物基集流体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种金属二次电池负极用过渡金属碳/氮化物基集流体及其制备方法和应用，所述方法可以较好地实现集流体表面和层间极性官能团含量的控制，且制备得到柔性、可弯曲的集流体。当所述集流体表面和层间的极性官能团原子百分比含量在43‑55％范围内时，能够诱导金属离子在充放电循环过程中均匀沉积，从而解决金属负极易产生枝晶的问题，提高金属二次电池的安全性与循环寿命。并且，所述集流体不含有金属，从而具有质轻的特点，这可以进一步提高金属负极的整体能量密度，采用上述集流体制备的二次金属负极与现有技术相比，具有长循环寿命，高安全性，高能量密度，可应用于柔性可穿戴设备中等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种金属二次电池负极用过渡金属碳/氮化物基集流体及其制备方法和应用
本专利技术属于电化学电源领域，具体涉及一种金属二次电池负极用过渡金属碳/氮化物基集流体及其制备方法和应用。
技术介绍
由于化石能源的不断消耗以及环境污染问题的日益突出，人们迫切需要研发出具有高能量密度、高安全性的电化学储能设备。以金属如锂、钠、钾、镁、和铝为负极的金属二次电池，因具有极高的能量密度，已成为下一代储能器件如电动汽车和储能网等领域的最佳选择。然而，以金属如锂、钠、钾、镁、和铝为负极的金属二次电池要想实现商业化应用，需要解决以下问题，(1)电池循环过程中枝晶的生长问题，(2)金属沉积析出过程中库仑效率低的问题，(3)金属沉积析出过程体积变化大的问题。
技术实现思路
本专利技术提出采用二维过渡金属碳/氮化物基集流体来解决金属负极，如金属锂存在的上述问题。所述集流体表面和层间富含极性官能团(如-F、-OH、＝O)，能够诱导锂离子在集流体表面和层间均匀分布，形成苔藓状锂沉积，提高电池的安全性。本专利技术还首次提出通过改变过渡金属碳/氮化物的刻蚀条本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集流体，其中，所述集流体由二维过渡金属碳/氮化物纳米片层层堆叠而成，所述集流体表面和层间含有极性官能团，所述极性官能团原子百分比含量为43％～55％。/n

【技术特征摘要】
1.一种集流体，其中，所述集流体由二维过渡金属碳/氮化物纳米片层层堆叠而成，所述集流体表面和层间含有极性官能团，所述极性官能团原子百分比含量为43％～55％。


2.根据权利要求1所述的集流体，其中，所述集流体由单层或少层二维过渡金属碳/氮化物纳米片层层堆叠而成，单层或少层二维过渡金属碳/氮化物纳米片的直径为200nm-1μm，单层或少层二维过渡金属碳/氮化物纳米片的厚度为1-10nm。
优选地，所述集流体中，二维过渡金属碳/氮化物纳米片的层间距为5-500nm。
优选地，所述二维过渡金属碳/氮化物纳米片孔径分布为小于等于10nm，例如小于等于5nm，所述纳米片孔径分布可以用于表征所述纳米片表面缺陷大小。
优选地，所述二维过渡金属碳/氮化物纳米片的化学式为Mn+1XnTy，其中n为1-3，M为过渡金属，X为C或N，T为极性官能团，y为表面极性官能团原子个数。


3.根据权利要求1或2所述的集流体，其中，所述二维过渡金属碳/氮化物纳米片是以过渡金属碳/氮化物为原料，经刻蚀后获得，所述过渡金属碳/氮化物(MAX)的化学式为Mn+1AXn，其中n为1-3，M为过渡金属，A为第IIIA族和第IVA族元素，X为C或N。
优选地，所述M为Sc、Ti、Zr、V、Nb、Cr或者Mo；A为Al，Si或Ga。
优选地，所述极性官能团为-F、-OH、＝O中的至少一种。
优选地，所述集流体的厚度为1-30μm，例如为1μm、3μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm或30μm。


4.权利要求1-3任一项所述的集流体的制备方法，包括以下步骤：
(1)以过渡金属碳/氮化物(MAX)为原料，通过氟化氢(HF)或者氟化物与强酸组合，对MAX进行刻蚀剥离，得到二维过渡金属碳/氮化物纳米片，即制备得到所述集流体。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述方法还包括如下步骤：
(2)对步骤(1)的集流体进行洗涤、超声、过滤。
优选地，步骤(1)中，所述氟化物例如可以是氟化锂(LiF)或氟化钠(NaF)。所述强酸例如可以是盐酸(HCl)或硫酸(H2SO4)。所述强酸的浓度为2-8M。
优选地，步骤(1)中，所述MAX与氟化氢(HF)的投料比为：(1-10g)：(10-60mL)；所述MAX：氟化物：强酸的投料比为(1-10g...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶欢，王操宇，曹菲菲，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42