一种金属-硫原位共掺杂MXene电极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属

【技术实现步骤摘要】
一种金属
‑
硫原位共掺杂MXene电极材料的制备方法


[0001]本专利技术属于导电材料
，具体涉及的一种金属
‑
硫原位共掺杂MXene电极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]为了满足日益增长的电动汽车和电网应用的需要，高能量密度可充电电池，特别是锂离子电池得到了广泛的应用。然而，由于锂资源的高成本和可用性，人们对锂电池产生了担忧。室温钠硫电池、锂硫电池因其高理论能量密度、钠锂硫的大储量、低成本等优点而很有发展前景。然而，钠硫电池、锂硫电池存在可逆容量低、自放电和循环性能差等缺点，阻碍了其广泛应用。单质硫的天然绝缘性限制了其作为活性材料的应用，导致阴极的电化学过程动力学缓慢。同时，还原后的多硫化钠在充放电过程中的溶解度比多硫化锂还要严重，加剧了多硫化钠的不可控穿梭效应，导致钠硫电池电池循环寿命较差。由于其二维结构、功能面、高导电性和电池的化学耐久性，MXenes在可充电电池、超级电容器、催化剂、电磁屏蔽、电致变色材料、天线等方面具有广阔的应用前景。特别是在高倍率锂硫电池、电容器和钠电池等领域。
[0003]钠硫电池、锂硫电池使用了储量丰富的元素，为目前使用的电池提供了一个有吸引力的替代选择，但它们需要更好的含硫材料来与锂离子电池竞争容量和循环能力。本专利技术提出了一种原位硫掺杂策略，通过将异原子硫从MAX前驱体，共掺杂金属（M）引入MXene结构来功能化MXene纳米薄片。采用真空冷冻干燥法制备了具有高比表面积的三维褶皱MXene纳米结构。在室温钠硫电池、锂硫电池中，采用特制的皱缩硫掺杂MXene (M,S
−
MXene)纳米片作为电极主体材料。M,S
−
MXene与多硫化钠和多硫化锂呈高极性，限制了多硫化钠和多硫化锂的扩散。
[0004]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一目的在于提供一种金属
‑
硫原位共掺杂MXene电极材料，所述的MXene电极材料既可以作为正极材料，也可以作为负极材料，应用于电池领域具有提高比容量、稳定电池性能、提高电池寿命等优点。
[0006]本专利技术的第二目的在于提供MXene电极材料的应用，该应用非常广泛，包括用于可穿戴器件的电源、微型超级电容器、金属离子电池（包括锂，钠，钾，铝，锌离子电池）、锂硫电池、钠硫电池、固态电池、半固态电池等，本专利技术对其应用并不限制。
[0007]为了实现本专利技术的上述第一目的，特采用以下技术方案：一种金属
‑
硫原位共掺杂MXene电极材料的制备具体过程如下：首先将钛、铝、石墨、硫以一定的原子比混合来合成多晶硫掺杂的MAX粉末。粉末混合物在流动的氩气中于的高温管式炉中烧结。将制成的MAX产品研磨并通过200目筛网过筛。获得了硫掺杂的MAX相粉末。
[0008]为了合成金属
‑
硫原位共掺杂MXene，首先将硫掺杂的MAX与路易斯熔融盐按摩尔比混合。在手套箱中，在氮气保护下，用研钵将原料充分混合。然后将所得混合物粉末从手套箱中取出，并放入氧化铝坩埚中。将氧化铝坩埚装入管式炉中，并在惰性气氛保护下煅烧。反应后，将产物用去离子水洗涤以除去残留的熔融盐，并将最终产物干燥。最后，获得金属
‑
硫原位共掺杂MXene材料。
[0009]优选地，所述MAX相包含并不仅限于Ti2AlC、Ti2AlN、V2AlC、V2AlN、Nb2AlC、NbAl2N、Ta2AlC、Ti3AlC2、Ti3AlN2、V3AlC2、Ta3AlC2、Ta3AlN2、 Ti4AlC3、Ti4AlN3、Ta4AlC3、Ta4NAl3、Nb4AlC
3 中的任意一种或两种以上的MAX相陶瓷组合；优选地，所述MXene包含Sc2C、Sc2N、Ti2C、Ti2N、V2C、V2N、Cr2C、Cr2N、Zr2C、Zr2N、Nb2C、Nb2N、Hf2C、Hf2N、Ta2C、Mo2C、Ti3C2、Ti3N2、V3C2、Ta3C2、Ta3N2、Mo3C2、(Mo4V)C4、(Cr
2/3
Ti
1/2
)3C2、Ti4C3、Ti4N3、V4C3、V4N3、Ta4C3、Ta4N3、Nb4C3，或其组合；优选地，所述烧结管是高温管式炉的石英管，煅烧温度可达到1650
°
C；优选地，所述惰性气氛为氩气；优选地，所述硫掺杂为钛、铝、石墨、硫按不同原子比混合均匀的混合物；优选地，所述硫掺杂的MAX相粉末与路易斯熔融盐按化学计量摩尔比1：1~1：10混合；优选地，所述MXene嵌入金属包含Ni、Co、Zn、Cd、Fe、Cu、Ag；优选的，所述反应离心具体为在速度为3000~6000rpm下离心5~15min；优选的，所述反应干燥具体为在30~80℃下真空干燥6~24h。
[0010]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：（1） 在锂硫电池阴极材料的制造过程中，将硫掺入阴极主体，该主体本身具有很高的电子电导率，出色的机械柔韧性以及丰富的化学相互作用位点。在循环时在坚固的导电阴极上原位形成保护阻挡层以固定多硫化物穿梭不仅会提高硫的利用率，而且会大大简化制造过程；（2） 硫掺杂MXene电极材料可有效缓解锂硫电池的循环性能差和活性材料利用率低，多硫化物和体积膨胀限制了锂硫电池、钠硫电池在实际应用中的使用问题；（3） Ni、Co等金属原子嵌入制备的单层二维MXene材料有明显增强的的电化学性能，可应用于电化学领域，例如金属离子电池（包括锂，钠，钾，铝，锌离子电池）、锂硫电池、固态电池、半固态电池等，拓宽了MXene材料的应用领域。
附图说明
[0011]图1为金属粒子均匀分散在Ti3C2上的SEM图。
[0012]图2为不同的电极材料实物图，（a）金属
‑
硫原位共掺杂MXene油墨和粘土；（2）柔性电极材料；（3）镍电极材料。
具体实施方式
[0013]下面将对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。
[0014]实施例1制备一种金属
‑
硫原位共掺杂MXene电极材料
首先将钛、铝、石墨、硫以一定的原子比混合来合成多晶硫掺杂的MAX粉末（Ti3AlC2S
x
）。粉末混合物在流动的氩气中于1650
°
C的高温管式炉中烧结。加热速率为5
°
C/ min。将制成的MAX产品研磨并通过200目筛网过筛。获得了硫掺杂的MAX相粉末（Ti3AlC2S
x
）（粒度<74μm）。为了合成金属嵌入MAX相，首先将MAX与CoCl2熔融盐摩尔比1：6混合粉末作为起始原料。在手套箱中，在氮气保护下，用研钵将原料充分混合。然后将所得混合物粉末从手套箱中取出，并放入氧化铝坩埚中。将氧化铝坩埚装入管式炉中，并在氩气保护下于700 ℃热处理24 h。反应后，将产物用去离子水洗涤以除去残留的CoCl2，并将最终产物在40℃下干燥。最后，获得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属
‑
硫原位共掺杂MXene电极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：首先将钛、铝、石墨、硫以一定的原子比混合来合成多晶硫掺杂的MAX粉末，粉末混合物在流动的氩气中于的高温管式炉中烧结，将制成的MAX产品研磨并通过200目筛网过筛，获得了硫掺杂的MAX相粉末；为了合成金属
‑
硫原位共掺杂MXene，首先将硫掺杂的MAX与路易斯熔融盐按摩尔比混合，在手套箱中，在氮气保护下，用研钵将原料充分混合，然后将所得混合物粉末从手套箱中取出，并放入氧化铝坩埚中，将氧化铝坩埚装入管式炉中，并在惰性气氛保护下煅烧，反应后，将产物用去离子水洗涤以除去残留的熔融盐，并将最终产物干燥，最后，获得金属
‑
硫原位共掺杂MXene材料。2.根据权利要求1所述的一种金属
‑
硫原位共掺杂MXene电极材料的制备方法，其特征在于，所述的MAX相包含并不仅限于Ti2AlC、Ti2AlN、V2AlC、V2AlN、Nb2AlC、NbAl2N、Ta2AlC、Ti3AlC2、Ti3AlN2、V3AlC2、Ta3AlC2、Ta3AlN2、 Ti4AlC3、Ti4AlN3、Ta4AlC3、Ta4NAl3、Nb4AlC
3 中的任意一种或两种以上的MAX相陶瓷组合，Mxene的化学通式为 M
n+1
X
n
T
x
，其中M是元素周期表中第3、4、5、6或7族中的至少一者，其中每个X是C、N或其组合 n=1、2、3或4，T
x
为表面封端（基团），所包括的Mxene材料为其表现形式为M
n+1
X
n
，包含Sc2C、Sc2N、Ti2C、Ti2N、V2C、V2N、Cr2C、Cr2N、Zr2C、Zr2N、Nb2C、Nb2N、Hf2C、Hf2N、Ta2C、Mo2C、Ti3C2、Ti3N2、V3C2、Ta3C2、Ta3N2、Mo3C2、(Mo4V)C4、...

【专利技术属性】
技术研发人员：何青，胡慧慧，章冬雯，
申请(专利权)人：苏州北科纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：