一种应用于锂离子电池负极的Ti3C2-Mxene材料制备方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于锂离子电池负极的Ti3C2‑

【技术实现步骤摘要】
一种应用于锂离子电池负极的Ti3C2‑
Mxene材料制备方法


[0001]本专利技术属于二维Mxene材料
，具体涉及一种应用于锂离子电池负极的Ti3C2‑
Mxene材料制备方法。

技术介绍

[0002]二维材料因其独特的结构和优异的性能而备受关注。2011年由Naguib等人首次制备的过渡金属碳化物和/或碳氮化物，扩大了2D材料的范围。由于其具有类石墨烯的2D结构，因此被称为MXene，其化学式为M
n+1
X
n
T
x
(n＝1,2,3)，其中M为早期过度金属元素，X为碳或氮元素，T为
‑
F、
‑
OH等表面链接的活性官能团。对MXene的结构和性能进行第一性原理计算表明，它具有独特的二维层状结构，比表面积大，导电性好，力学性能优良等特点，在复合材料、润滑剂、电池、超级电容器、吸附、催化等领域具有潜在的应用价值。
[0003]作为电池负极材料，MXene自身具有较高的比容量，Naguib等人于2012年首先尝试将Ti2AlC蚀刻为Ti2C
‑
MXene，在C/25电流密度下的比容量为225mAh g
‑1，并预测MXene家族在锂电池负极材料的应用前景十分广阔，Ti2C
‑
MXene材料在作为负极材料是也常常存在比容量低，循环稳定性差的缺陷。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种应用于锂离子电池负极的Ti3C2‑
>Mxene材料的制备方法，其制备方法包括以下步骤：
[0005]S1：将TiC、Ti和Al粉末混合加入到研钵中，其中TiC、Ti和Al三种粉末的摩尔比为(1.6～2.1):(1.1～1.35):(1.18～1.36)，然后加入无水乙醇将三种粉末搅拌成膏状，然后进行研磨至无水乙醇挥发后，再次加入无水乙醇使样品呈膏状，如此反复4～6次，然后在真空干燥箱中进行放电等离子烧结，冷却后得到Ti3AlC2前驱体。
[0006]S2：将LiF加入到含有氯盐的盐酸溶液中，搅拌均匀得到刻蚀液，将步骤S1中的Ti3AlC2前驱体粉碎过80～100目筛后加入到刻蚀液中，然后在温度为61～64℃下以转速420～480r/min的条件反应4～6h，其中LiF、盐酸溶液和Ti3AlC2前驱体的质量体积比为(1.54～1.69)g:(15～20)mL:(1.58～1.72)g。
[0007]S3：待步骤S2中的反应结束后，加入0.2～0.5mol/L的CTAB并持续搅拌20～30min，然后放置在
‑
40～
‑
65℃的条件下快速冷冻1～2h，然后取出待内部温度上升至1～5℃时，进行超声处理20～30min，然后再次冷冻
‑
超声操作，如此反复4～6次，加入去离子水静置分层，取下层液体进行冷冻干燥，得到前体。
[0008]S4：将步骤S3得到的前体平铺在坩埚舟上，表面撒适量的水，以润湿前体为限，然后再依次撒上一层锂离子吸附剂和一层碳酸锂粉末，盖上坩埚舟盖子，放入持续通入氩气的管式炉中，预先通入20～30min氩气置换空气，然后在400～500℃氩气气氛围下烧结3～6h后得到Ti3C2‑
Mxene材料，所述Ti3C2‑
Mxene材料有微量的锂元素掺杂。
[0009]其中在上述步骤中首先使用尿素或多巴胺作为锂离子吸附剂，主要是由于多巴胺
和尿素对锂离子有较强的吸附能力，然后再用碳酸锂在氩气氛围下煅烧使其分解，锂离子吸附剂的作用下使锂离子嵌入到Mxene材料的层状中，进而将该材料用作锂离子电池负极材料时，能够有效解决电池在充电过程中出现过充的问题，保护了磷酸铁锂作为锂离子电池正极时由于锂离子迁出而导致结构的坍塌，提高电池循环稳定性。
[0010]作为优选方案，上述步骤S1中所述的烧结过程中压强为32～36MPa，升温速率为3～6℃/min，烧结温度为1200～1350℃。
[0011]作为优选方案，步骤S2中所述的盐酸溶液的浓度为9.6～11.8mol/L，其中氯离子的浓度为14～18mol/L。
[0012]作为优选方案，上述步骤S2中所述的含有氯盐的盐酸溶液中，氯盐为氯化钠或氯化钾。
[0013]作为优选方案，上述所述的前体、锂离子吸附剂和碳酸锂的质量比为1:(0.22～0.43):(0.23～0.36)。
[0014]作为优选方案，上述所述的锂离子吸附剂为尿素或多巴胺。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0016](1)本专利技术中，采用本专利技术方法制备的Ti3C2‑
Mxene材料具有良好的分层，分层效果明显，层间距均匀并且具有较大的比表面积，进一步使用尿素和多巴胺进行处理，Ti3C2‑
Mxene材料层间中嵌入锂元素。将本专利技术制备的材料应用于锂离子电池负极材料，具有较高的放电比容量和循环使用性能，而且还具有较低的电荷转移电阻，对锂离子的嵌入和迁出阻碍力较小。
[0017](2)本专利技术中，为了控制刻蚀进度，采用加入含有氯盐的盐酸溶液控制生成HF的速度，实现可控刻蚀，进而得到具有较好分层的Ti3C2‑
Mxene材料。
[0018](3)使用CTAB作为插层剂，进一步扩展材料的层间距，并且通过反复的快速冷冻
‑
超声处理，破坏材料的结构，提高插层处理的效果。
附图说明
[0019]图1为本专利技术实施例1所制备Ti3C2‑
Mxene材料的TEM图谱；
[0020]图2为本专利技术实施例1所制备Ti3C2‑
Mxene材料的SEM图谱；
[0021]图3为本专利技术实施例1所制备Ti3C2‑
Mxene材料的XRD图谱；
[0022]图4为本专利技术实施例1所制备Ti3C2‑
Mxene材料的77K氮气等温吸附图。
具体实施方式
[0023]下面对本专利技术实施例作具体详细的说明，本实施例在本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利技术的保护范围。
[0024]实施例1
[0025]一种应用于锂离子电池负极的Ti3C2‑
Mxene材料制备方法，具体包括如下步骤：
[0026]S1：将TiC、Ti和Al粉末混合加入到研钵中，其中TiC、Ti和Al三种粉末的摩尔比为1.6:1.1:1.18，然后加入无水乙醇将三种粉末搅拌成膏状，然后进行研磨至无水乙醇挥发
后，再次加入无水乙醇使样品呈膏状，如此反复4次，然后在真空干燥箱中进行放电等离子烧结，其中烧结过程中压强为32MPa，升温速率为3℃/min，烧结温度为1200℃，冷却后得到Ti3AlC2前驱体。
[0027]S2：将L本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于锂离子电池负极的Ti3C2‑
Mxene材料制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：S1：将TiC、Ti和Al粉末混合加入到研钵中，其中TiC、Ti和Al三种粉末的摩尔比为(1.6～2.1):(1.1～1.35):(1.18～1.36)，然后加入无水乙醇将三种粉末搅拌成膏状，然后进行研磨至无水乙醇挥发后，再次加入无水乙醇使样品呈膏状，如此反复4～6次，然后在真空干燥箱中进行放电等离子烧结，冷却后得到Ti3AlC2前驱体；S2：将LiF加入到含有氯盐的盐酸溶液中，搅拌均匀得到刻蚀液，将步骤S1中的Ti3AlC2前驱体粉碎过80～100目筛后加入到刻蚀液中，然后在温度为61～64℃下以转速420～480r/min的条件反应4～6h，其中LiF、盐酸溶液和Ti3AlC2前驱体的质量体积比为(1.54～1.69)g:(15～20)mL:(1.58～1.72)g；S3：待步骤S2中的反应结束后，加入0.2～0.5mol/L的CTAB并持续搅拌20～30min，然后放置在
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40～
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65℃的条件下快速冷冻1～2h，然后取出待内部温度上升至1～5℃时，进行超声处理20～30min，然后再次冷冻
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超声操作，如此反复4～6次，加入去离子水静置分层，取下层液体进行冷冻干燥，得到前体；S4：将步骤S3得到的前体平铺在坩埚舟上，表面撒适量的水，以润湿前体为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈九武，郭科委，
申请(专利权)人：陈九武，
类型：发明
国别省市：