一种采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料，该少层Mxene的层间距为10～16

【技术实现步骤摘要】
一种采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于电池正极材料制备领域，具体涉及一种采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的进步和社会的发展，锂离子电池已经广泛的应用在军工、交通、电子设备、大型储能等领域。然而，正极材料的能量密度仍然难以满足人们日益增长的需要。富锂锰基的比容量高达300 mAh g
‑1，能提供约1000 Wh kg
‑1的能量密度。此外，富锂锰基的主要原料是Mn，来源广泛，价格低廉，相比于目前常用的高镍材料更具有成本优势。然而，富锂锰基在高电压下不可逆的O氧化还原导致了较低的首次库伦效率，组分中导电性较差的Li2MnO3恶化了倍率性能，不稳定的表面结构将导致循环性能衰退和电压衰减。上述缺陷严重阻碍了富锂锰基的推广和应用。
[0003]CN112164792A公开了一种MXene包覆镍钴锰三元正极材料的制备方法，制备时首先制备出MXene分散液，MXene的制备是以MAX相为原料，利用酸刻蚀的方法制备出风琴状MXene，借助超声剥离手段将其制备成MXene单片分散液，所制备的MXene分散液基于其表面的含氧官能团，使其带负电荷。利用阳离子表面活性剂处理镍钴锰三元正极材料使三元正极表面带正电荷，利用静电吸附自组装，使MXene片层包覆在镍钴锰三元正极材料的表面。MXene包覆层的存在有效的隔绝了三元正极材料与电解液的直接接触，有效的避免了直接接触副反应的发生。本专利技术制备方法简单，流程短，步骤易于操作，且材料加工性能与电化学性能优异，降低了电池的阻抗，提高了材料的高倍率性能和循环稳定性。尽管其提到能够改善倍率性能，但是从结果看改善倍率性能的效果并不理想，制备的复合材料在大倍率（5C）下电化学性能仍然不佳，仅为40 mAh g
‑1。
[0004]CN112103504A公开了一种三元材料负载少层/棒状MXene复合材料及其制备方法，包括以下步骤：取预设质量的多层二维MXene粉末加入到插层剂中，通过磁力搅拌均匀，完全反应后，进行离心处理，取下层沉淀；将下层沉淀加入到三颈烧瓶中，倒入去离子水，在气体氛围下通过超声处理预设时间后，进行离心处理，取上层液，冷冻干燥后得到少层/棒状MXene；将少层/棒状MXene与三元材料混合制成电极浆料，涂覆在铝箔上进行真空干燥，形成三元材料负载少层/棒状MXene复合材料。该专利技术由于添加的MXene还可以抑制较高电压下的M
‑
H2相变并吸收Ni/Co/Mn原子，能够降低金属枝晶的产生率，从而增强并稳定了富镍正极结构并使其保持出色的倍率和循环性能。然而，其
技术实现思路
中少层/棒状Mxene主要作为电极制作过程的添加剂与三元材料混合，与三元材料表面结合不紧密，难以改善表面结构不稳定的缺点，且其电化学性能提升效果不明。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上不足，提供一种采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料及其制备方法，本专利技术正极材料具备较高的首效，同时改善富锂锰基表面
结构不稳定和导电率差的问题，提升倍率性能和循环稳定性；本专利技术制备方法工艺简单，原料成本低。
[0006]基于Mxene材料能够改善正极材料循环性能和倍率性能的特性，本专利技术人尝试采用该材料来改性富锂锰基正极材料，然而，专利技术人发现采用常规Mxene材料改性的富锂锰基正极材料的倍率性能改善有限，而且其存在的首次库伦效率低等缺陷。针对这一技术问题，本专利技术人经大量研究开发出新的技术方案，通过制备出层间距为10～16
Å
的少层Mxene，并对富锂锰基正极材料进行改性，该少层Mxene可在放电过程中约2.2V处提供一个嵌锂电压平台，因而能够有效提高首次库伦效率，而且在长循环过程中，该平台能够长久保持，能够削弱富锂锰基材料的电压衰减和容量衰退，进而能够明显改善倍率性能，以及循环性能。经分析，这可能是因为对刻蚀后的Mxene前驱体进行超声处理时加入乙醇后，乙醇不仅能够起到洗涤的作用，而且能够明显增大少层Mxene的层间距，得到被乙醇明显拓宽层间距的少层Mxene，其能提供Li的存储位点，可以在放电过程中约2.2V处提供一个稳定的嵌锂电压平台，进而明显改善材料的首效、倍率性能以及循环性能。
[0007]本申请的技术方案如下：一种采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料，包括富锂锰基材料和少层Mxene，所述少层Mxene为纳米片结构，所述少层Mxene的层间距为10～16
Å
。少层Mxene通常为3～5层。
[0008]富锂锰基材料为(1
‑
x)Li2MnO3·
xLi(Ni
a
Co
b
Mn
c
)O2，其中，a+b+c=1。
[0009]作为优选，所述富锂锰基材料和Mxene的质量比为100:1～5，Mxene含量过少无法充分提高发挥其优势，而Mxene含量过高又会反过来降低复合材料的能量密度；所述富锂锰基材料的粒径为5～15μm，所述Mxene的长度为3～10μm。过小的富锂锰基粒径导致副反应剧烈，过大的富锂锰基粒径会使得与Mxene复合不紧密。同样地，Mxene的长度过小会导致无法形成有效的复合，Mxene长度过大又会导致自身容易团聚堆积。
[0010]作为一个总的专利技术构思，本申请还提供一种采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料的制备方法，包括：S1、使用LiF和浓盐酸对Mxene前驱体进行刻蚀，经清洗后，采用无水乙醇进行超声处理，经离心和固液分离后得到多层Mxene分散液；S2、向多层Mxene分散液中加入去离子水，进行离心处理，取上清液，得到少层Mxene分散液；S3、将富锂锰基材料与所述少层Mxene分散液分散在溶剂中，经搅拌和超声处理后过滤、干燥，得复合材料；S4、将所得复合材料进行真空烧结，即得所需富锂锰基复合材料。
[0011]本技术方案中，在LiF和HCl的腐蚀过程中，Li
+
还起插层剂作用。
[0012]作为优选，步骤S1中，所述刻蚀的条件为：温度为40～50℃，搅拌时间为24～30h，浓盐酸的浓度为8～10 mol/L，Mxene前驱体与LiF的质量比为1:1～3，LiF与浓盐酸的摩尔比为1:8～12。通过优化刻蚀条件能确保可以温和地进行刻蚀，而不过度破坏Mxene本身的结构。
[0013]作为优选，步骤S4中，所述真空烧结的温度为150～220℃，烧结时间为4～18 h，真空压力为10
‑4～10
‑2Pa。通过真空烧结可以有效提升富锂锰基与少层Mxene的结合程度，并
最大程度地防止Mxene被氧化，通过优化的真空烧结条件能够在提高复合材料的结合程度的同时避免Mxene结构被破坏。
[0014]作为优选，步骤S2中，所述离心的时间为60～80min，离心转速为3200～3500r/min。离心转速不宜过高，否则上清液的纳米片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料，其特征在于，包括富锂锰基材料和少层Mxene，所述少层Mxene为纳米片结构，所述少层Mxene的层间距为10～16
Å
。2.如权利要求1所述的采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料，其特征在于，所述富锂锰基材料和Mxene的质量比为100:1～5；所述富锂锰基材料的粒径为5～15μm，所述Mxene的长度为3～10μm。3.一种采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括：S1、使用LiF和浓盐酸对Mxene前驱体进行刻蚀，经清洗后，采用无水乙醇进行超声处理，经离心和固液分离得到多层Mxene分散液；S2、向多层Mxene分散液中加入去离子水，进行离心处理，取上清液，得到少层Mxene分散液；S3、将富锂锰基材料与所述少层Mxene分散液分散在溶剂中，经搅拌和超声处理后过滤、干燥，得复合材料；S4、将所得复合材料进行真空烧结，即得所需富锂锰基复合材料。4.如权利要求3所述的采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述刻蚀的条件为：温度为40～50℃，搅拌时间为24～30 h，浓盐酸的浓度为8～10 mol/L，Mxene前驱体与LiF的质量比为1:1～3，LiF与浓盐酸的摩尔比为1:8～12。5.如权利要求3所述的采用Mxene优化的富锂锰基复合正极材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑俊超，韦韩信，汤林波，罗玉红，黄英德，李沛垚，贺振江，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：