具有手风琴MXene阵列的薄膜层及其制备方法、集流体、电极和电池技术

本发明专利技术公开了一种具有手风琴MXene阵列的薄膜层及其制备方法、集流体、电极和电池。其中该具有手风琴MXene阵列的薄膜层中含有手风琴MXene材料，且该手风琴MXene材料呈阵列状排列。本发明专利技术提供了一种简单有效制备有序或垂直排列结构基体的方法，利用手风琴MXene材料本身具有MXene片层定向排列和低曲率的特点，和液

【技术实现步骤摘要】
具有手风琴MXene阵列的薄膜层及其制备方法、集流体、电极和电池


[0001]本专利技术是属于新材料和电池
，特别是关于一种具有手风琴MXene阵列的薄膜层及其制备方法、集流体、电极和电池。

技术介绍

[0002]锂金属负极因其最高的理论比容量(3860mAh g
‑1)和最低的电化学电位(相对于标准氢电极
‑
3.04V)，被认为是最有潜力替代石墨负极(372mAh g
‑1)的材料。近几十年来，为了开发高性能锂金属电池(LMB)，锂金属负极用于与多种高容量正极配对，包括层状富镍正极、硫和氧，该些锂金属电池的能量密度通常是锂离子电池(LIB)的2～6倍。然而，锂金属负极中缓慢的离子扩散和较高的电荷转移电阻，尤其是在高倍率充放电条件下，会极大地加剧了锂枝晶的生长和体积变化，锂金属电池电解液迅速消耗，库仑效率降低和容量明显衰减。
[0003]为了提高锂金属负极中锂离子的扩散和电子转移能力，进而改善锂金属负极的电化学性能，研究者们开发了多种方法，例如：构建三维基体材料、设计人工固体电解质界面(SEI)和改性电解质等；其中，目前已报道的三维基体材料，包括石墨烯气凝胶、三维碳质电极、三维多孔金属结构等，已经得到了广泛的研究。具有多孔结构的三维基体材料可以吸附大量电解液，从而增加其中的局部离子浓度，降低高电流密度下的离子浓度极化。除此之外，三维结构还可以缓冲电极的体积变化，将电极整体体积变化局部化来提高电极稳定性，从而改善锂金属负极的电化学性能。
[0004]然而，已报道的这些三维基体材料通常较厚(超过100μm)以及结构上无序随机排列。根据扩散系数方程D
eff
＝D
×
ε/τ(其中，D
eff
为离子有效扩散系数，ε为孔隙率，τ为弯曲度)，导电路径由孔隙率和弯曲度之比决定。三维基体材料中的随机排列结构具有很高的弯曲度，导致有效电子扩散率低，离子传输缓慢，并且电极内部电场和锂离子通量分布不均匀。此外，高弯曲度将导致Li
+
/Li的氧化还原反应仅发生在有限的负极/电解质界面上，导致极低的倍率性能(<1mA cm
‑2)。基于Sand
’
time的锂离子电镀时间模型(t
Sand
＝πD
eff
(z
c
c0F)2/4(Jt
a
)2)，较厚的3D负极同时还存在高弯曲度，在高倍率充放电条件下，会加剧锂枝晶的生长，导致电池性能显著下降和安全隐患。可见，弯曲度在三维电极的离子扩散和电荷转移中起着非常重要的作用。
[0005]根据Bruggeman关系式，弯曲度(τ)与孔隙度(ε)和Bruggeman指数(α)有关：τ＝ε
α
。在这种情况下，弯曲度为1时，对应于具有最快离子传输的电极，可见，理想的电极应该是连续且垂直排列的，具有有序或垂直排列结构的三维基体对于促进离子传输、降低表观电阻、极大地提高锂金属负极的倍率性能和实用性至关重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对锂金属负极的存在缓慢的离子扩散和较高的电荷转移电
阻，尤其是在高倍率充放电条件下，会极大地加剧了锂枝晶的生长和体积变化，锂金属电池电解液迅速消耗，库仑效率降低和容量明显衰减的技术问题。
[0007]本专利技术第一方面提供一种具有手风琴MXene阵列的薄膜层，该薄膜层中含有手风琴MXene材料，且该手风琴MXene材料呈阵列状排列。
[0008]在一些实施方式中，上述手风琴MXene材料的化学式表示为M
n+1
X
n
T
x
，其中，M选择过渡金属元素中的一种或多种，X选自碳、氮、硼元素中的一种或多种，T
x
代表表面官能团。
[0009]在一些实施方式中，上述手风琴MXene材料中的M选自Ti、Ta、Nb、Cr、V、Mo元素中的一种或多种。
[0010]在一些实施方式中，上述T
x
包括
‑
F、
‑
Cl、
‑
Br、
‑
I、
‑
S、
‑
O、
‑
NH4中的至少一种。
[0011]在一些实施方式中，上述手风琴MXene材料中的M中含有Nb元素。
[0012]在一些实施方式中，上述手风琴MXene材料中的X为C和/或N元素。
[0013]在一些实施方式中，上述薄膜层的厚度介于1μm至100μm。
[0014]本专利技术第二方面提供一种上述的薄膜层的制备方法，步骤包括：将手风琴MXene材料加入液
‑
液两相体系中，使该手风琴MXene材料分散于液
‑
液两相的界面层形成手风琴阵列膜；将该手风琴阵列膜转移至一介质的表面，得到上述的薄膜层。
[0015]在一些实施方式中，上述的制备方法更具体的实施方式，包括：将上述手风琴MXene材料的分散液加入至水
‑
油两相体系中。
[0016]在一些实施方式中，上述的制备方法更具体的实施方式，包括：将上述界面层设置一介质层，通过拉动该介质层，使上述手风琴阵列膜转移至该介质层的表面，得到上述薄膜层。
[0017]在一些实施方式中，上述水
‑
油两相体系中的油相选自二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷。
[0018]在一些实施方式中，上述手风琴MXene材料的分散液中的溶剂为水。
[0019]在一些实施方式中，上述介质层为金属箔。
[0020]在一些实施方式中，上述金属箔的材质包括铜、镍、不锈钢中的一种或多种。
[0021]本专利技术第三方面提供一种集流体，包括导电层，该导电层的表面上述的具有手风琴MXene阵列的薄膜层；或，如上述的制备方法得到的薄膜层。
[0022]在一些实施方式中，上述导电层为金属箔。
[0023]在一些实施方式中，上述金属箔的材质包括铜、镍、不锈钢。
[0024]本专利技术第四方面提供一种电极，该电极包括具有电化学活性的金属和上述的集流体；
[0025]在一些实施方式中，上述具有电化学活性的的金属选自金属锂、钠、锌、钙、钾中的至少一种。
[0026]本专利技术第五方面提供一种上述的电极的制备方法，步骤包括：将所述金属电镀至上述集流体上。
[0027]本专利技术第六方面提供另一种上述的电极的制备方法，步骤包括：将所述金属或所述金属的合金加热熔融后，与上述的集流体复合。
[0028]本专利技术第七方面提供一种电池，该电池含有上述的集流体；或，上述的电极。
[0029]本专利技术的有益技术效果在于：
(c)高电流密度下的循环性能。
[0042]图10为本专利技术实施例5中0.2C下TiNbC
‑
MXene
‑
Li//LFP、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有手风琴MXene阵列的薄膜层，其特征在于，所述薄膜层中含有手风琴MXene材料，且所述手风琴MXene材料呈阵列状排列。2.如权利要求1所述的薄膜层，其特征在于，所述手风琴MXene材料的化学式表示为M
n+1
X
n
T
x
，其中，M选择过渡金属元素中的一种或多种，X选自碳、氮、硼元素中的一种或多种，T
x
代表表面官能团；优选地，所述M选自Ti、Ta、Nb、Cr、V、Mo元素中的一种或多种；优选地，所述T
x
包括
‑
F、
‑
Cl、
‑
Br、
‑
I、
‑
S、
‑
O、
‑
NH4中的至少一种。3.如权利要求2所述的薄膜层，其特征在于，所述M中含有Nb元素；和/或，所述X为C和/或N元素。和/或，所述薄膜层的厚度介于1μm至100μm。4.一种如权利要求1至3中任一项所述的薄膜层的制备方法，其特征在于，步骤包括：将手风琴MXene材料加入液
‑
液两相体系中，使所述手风琴MXene材料分散于液
‑
液两相的界面层形成手风琴阵列膜；将所述手风琴阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树斌，曹振江，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：