一种用于锂硫电池的MXene@WS2异质结构材料及其应用制造技术

一种用于锂硫电池的MXene@WS2异质结构材料改性隔膜的制备方法。通过金属盐与酸发生反应，对Ti3AlC2材料进行刻蚀、插层处理，经洗涤干燥处理后得到类石墨烯状单层Ti3C2T

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂硫电池的MXene@WS2异质结构材料及其应用


[0001]本专利技术属于锂硫电池隔膜
，尤其涉及一种用于锂硫电池的MXene@WS2异质结构材料及其应用的制备方法，增加催化和吸附活性位点，从而加快反应动力学，促进多硫化物间的转化，抑制穿梭效应，显著提高锂硫电池的倍率性能与循环稳定性。

技术介绍

[0002]近年来，锂离子电池被广泛应用于日常生活中，例如手机、笔记本电脑、电动车、路灯备用电源、家用小电器等领域。但随着科技的发展与进步，现有的锂离子电池在能量密度等方面已难以满足人们急剧增长的能源需求，因此需要寻找一种新型高能量密度电池。锂硫电池由于具有高能量密度(1675mAh/g)、高理论容量(2600Wh/kg)、制备成本低廉以及环境友好等诸多优点，被认为是继锂离子电池之后下一代动力锂电池体系的发展方向。尽管锂硫电池具有诸多优点，其仍存在不足：(1)单质硫导电率较低，反应动力学较慢，活性材料利用率较低；(2)可溶性多硫化物存在“穿梭效应”，降低锂负极稳定性；(3)硫正极存在明显的体积变化易导致活性材料从导电基体上脱落。
[0003]因此研究开发新型锂硫电池电极材料来改善电池中LiPSs吸附和催化转化的策略已成为刻不容缓的热点研究。锂硫电池中间层不仅可以提高电池的导电性，还可以抑制多硫化物通过隔膜到达负极，对捕获的多硫化物进行再利用，从而提高电池的循环稳定性。通常，理想的中间层材料需具有良好的导电性、可控的多孔结构以及能够进行可逆的吸附/脱附，阻止锂枝晶的形成等特点。
[0004]MXene是一种由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成的具有类石墨烯结构的二维材料，将其用于锂硫电池中间层，不仅可以做为抑制LiPSs穿梭的屏障，还可以提供多位点有利于硫的负载，从而提高了电池的稳定性。与其它层间材料(如：碳材料、过渡金属化合物、聚合物)相比，MXene材料的高金属导电率、强化学吸附以及优异的催化效应，使得其做为中间层将具有更高效率。但由于范德华力与氢键的存在，其二维结构具有易堆叠的缺陷，将会降低材料的比表面积，不利于锂离子的扩散，使得材料内部实际可利用空间低于理论值。
[0005]为了解决上述问题，本专利技术将制备的MXene材料作为支撑材料，通过一步水热法在其表面原位生长WS2纳米片构建异质结，该工艺具有以下几点优势：(1)形成三维多孔结构，有利于抑制多硫化物的穿梭；(2)MXene优异的导电性确保锂硫电池的高比容量；(3)WS2杰出的催化活性可显著改善氧化还原反应动力学，加速多硫化物转化，提高活性材料利用率；(4)异质结构提供更多的催化/吸附活性位点，促进电子转移，有利于电化学性能的进一步优化。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中合成方法的不足，本专利技术提出一种用于锂硫电池的MXene@WS2异质结构材料及其应用的制备方法。该异质结构材料主要是采用氟化锂与盐酸反应产生氢氟
酸来刻蚀Ti3AlC2中的Al
3+
，增大层间距，将块状形貌变为二维单层褶皱片层，同时溶液中存在的Li
+
也可以起到插层的作用，达到进一步增大层间距的目的。由于MXene材料本身具有高金属导电性，因此将其应用于锂硫电池具有巨大的优势，但由于范德华力与氢键的作用，存在易堆叠的不足，不利于锂离子的传输，因此在其表面采用一步水热法原位生长WS2纳米片构建三维多孔结构，WS2中的金属离子由于受到本身带有大量负电荷的MXene材料的吸引，因此可以在其接触界面生成异质结构，这将有利于提高锂硫电池隔膜的催化转化与吸附能力。除此之外金属硫化物本身也具有良好的导电性与大量的催化活性位点。因此该改性隔膜材料不仅具有较高比电容，且由于存在多重催化与吸附的作用，将显著改善电池氧化还原反应动力学，加速多硫化物间的转化，提高活性材料利用率，使锂硫电池具有优异的倍率性能和杰出的循环稳定性。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0008]一种用于锂硫电池的MXene@WS2异质结构材料的制备方法，本专利技术利用MXene材料与WS2纳米片本身具有的高导电性与催化特性，来改善锂硫电池的电化学性能，同时在MXene材料表面采用一步水热法原位生长WS2纳米片的过程中，由于正负电荷的静电吸引作用，MXene与WS2界面之间被形成的S
‑
Ti
‑
C键连接，生成异质结构。该结构不仅没有破坏MXene与WS2本身的片层形貌与高导电性以及优异的催化性能；还由于构建三维多孔结构，对多硫化物起到物理限域的屏障作用，抑制“穿梭效应”的发生；除此之外接触界面具有大量催化和吸附的活性位点，可以促进电子的传输，从而进一步提高电池的催化性能。包括以下步骤：
[0009]第一步：制备类石墨烯状单层Ti3C2T
x
材料
[0010]将氟化锂(LiF)溶于浓度为9
‑
16M盐酸(HCl)溶液中，冰浴条件下充分搅拌后加入Ti3AlC2材料，在35
‑
45℃温度下继续搅拌24
‑
96min，进行刻蚀、插层，离心后经多次酸洗、水洗除去溶液中过量的LiF，将得到的MXene材料沉淀溶于去离子水中，在惰性气体存在的情况下进行超声处理，离心后将溶液进行冷冻干燥得到类石墨烯状单层Ti3C2T
x
材料；所述的每30
‑
50mL盐酸溶液中，加入3
‑
4g氟化锂、1
‑
3g Ti3AlC2材料。
[0011]第二步：制备MXene@WS2异质结构材料
[0012]将氯化钨(WCl6)溶于50mL去离子水中，冰浴条件下充分搅拌得到0.0225
‑
0.1124mmol/mL的溶液，加入第一步得到的MXene材料进行超声搅拌分散，再加入0.0114
‑
0.0568mol的硫代乙酰胺(TAA)，充分搅拌溶解后，将混合溶液置于100mL反应釜中进行水热反应，水热反应温度为255
‑
275℃，时间为12
‑
36h，水热反应后将产物经多次水洗、真空抽滤后进行冷冻干燥，得到MXene@WS2异质结构材料；第二步所述的MXene与WCl6的摩尔比为1:1
‑
1:15。
[0013]进一步的，第一步所述的离心转速为3000
‑
8000r/min，时间为10
‑
60min。
[0014]进一步的，第一步所述的超声时间为2
‑
16h，超声功率为150
‑
300W。
[0015]进一步的，第二步所述的搅拌时间均为5
‑
60min。
[0016]一种用于锂硫电池的MXene@WS2异质结构材料的应用，将制备得到的MXene@WS2异质结构材料用于修饰商业化锂硫电池PP隔膜，得到改性隔膜，应用于锂硫电池，具体操作步骤为：
[0017]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂硫电池的MXene@WS2异质结构材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：制备类石墨烯状单层Ti3C2T
x
材料将氟化锂LiF溶于盐酸溶液中，冰浴条件下充分搅拌后加入Ti3AlC2材料，其中每30
‑
50mL盐酸溶液中，加入3
‑
4g氟化锂、1
‑
3g Ti3AlC2材料；在35
‑
45℃温度下继续搅拌24
‑
96min，进行刻蚀、插层，离心后经多次酸洗、水洗除去溶液中过量的LiF，将得到的MXene材料沉淀溶于去离子水中，在惰性气体存在的情况下进行超声处理，离心后将溶液进行冷冻干燥得到类石墨烯状单层Ti3C2T
x
材料；第二步：制备MXene@WS2异质结构材料将氯化钨WCl6溶于50mL去离子水中，冰浴条件下充分搅拌得到0.0225
‑
0.1124mmol/mL的溶液，加入第一步得到的MXene材料进行超声搅拌分散，再加入0.0114
‑
0.0568mol的硫代乙酰胺TAA，充分搅拌溶解后，将混合溶液置于100mL反应釜中进行水热反应，水热反应温度为255
‑
275℃，时间为12
‑
36h，水热反应后将产物经多次水洗、真空抽滤后进行冷冻干燥，得到MXene@WS2异质结构材料；第二步所述的MXene与W...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凤祥，王倩，乔少明，雷达，史晓珊，张强，黄春宏，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：