一种提升锂硫电池隔膜性能的MXene基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种提升锂硫电池隔膜性能的MXene基复合材料及其制备方法，属于电池隔膜技术领域。本发明专利技术将含氟盐和酸结合对Ti3AlC2进行刻蚀、插层处理，再经超声分层后得到二维Ti3C2T

【技术实现步骤摘要】
一种提升锂硫电池隔膜性能的MXene基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于电池隔膜
，尤其是涉及一种应用于锂硫电池隔膜性能提升的MXene基复合材料，以及这种复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着科技与社会的不断进步和发展，人们对能源的需求也在不断提高，但传统化石能源储量有限且在使用过程中会造成严重的环境污染，因此亟需开发可再生清洁能源。然而，诸如风能、水能这类清洁能源存在着间歇性问题且难以携带，需借助储能器件来完成能源的储存与转化，发展可充电电池被认为是应对以上问题的有效策略。目前，商用电池有限的能量密度难以满足愈发先进的科技设备需求，因此亟需开发高能量密度的电池体系。
[0003]锂硫电池的理论比容量和理论比能量分别高达1675mAh/g和2600Wh/Kg，且单质硫具有资源丰富、价格便宜以及环境友好的优势，因此锂硫电池有着广阔应用前景。然而，锂硫电池的初始放电产物为多硫化物，其在电解液中溶解度高，能够自由穿过隔膜，进而在正负极两侧形成严重的穿梭效应，损害电池性能。此外，多硫化物和金属锂的副反应会对负极造成腐蚀，破坏固态电解质界面膜的形成，并加剧锂枝晶的生长。因此，锂硫电池面临着循环稳定性和倍率性能差的问题，对其商业化应用造成了严重制约。
[0004]锂硫电池应用较为广泛的隔膜材料为聚烯烃类隔膜，由于其自身结构原因无法抑制多硫化物的穿梭效应以及锂枝晶的生长。因此选择合适的修饰材料，开发具有更高稳定性的隔膜是解决此类问题的关键。MXene有着独特的二维结构以及可调控的表面官能团，可以实现高的硫催化活性和高的亲锂性，但片层之间的范德华力很容易造成MXene的重新堆叠，造成活性表面积和表面官能团的减少，从而降低了对多硫化物的催化转化活性。
[0005]本专利技术提出制备一种过渡金属硫族化合物与MXene复合材料，提高复合材料的导电性和催化活性，加速多硫化物的转化，抑制锂枝晶形成，从而提高锂硫电池的充放电性能。

技术实现思路

[0006]为解决上述背景中存在的问题，本专利技术提供一种MXene基复合材料，以解决过渡金属硫族化合物结构稳定性差和MXene自堆积问题，将其修饰聚烯烃隔膜表面提升锂硫电池性能。
[0007]本专利技术的目的在于，提供所述的一种提升锂硫电池隔膜性能的MXene基复合材料的制备方法。该方法通过剥离MAX相材料得到MXene，并加入钼源、锡源和硫源通过水热法生长形成复合结构，然后经过多巴胺聚合及碳化处理后得到MXene/MoS2/SnS@C材料；最后，将该复合材料涂覆在商业化聚烯烃基膜上，得到性能增强的锂硫电池隔膜。
[0008]本专利技术提出的技术方案为：
[0009]一种提升锂硫电池隔膜性能的MXene基复合材料及修饰隔膜制备方法，包括以下
步骤：
[0010](1)将含氟盐溶于酸溶液中，然后加入Ti3AlC2粉末持续搅拌。
[0011](2)将溶液离心分离，用稀盐酸清洗三次，再用去离子水反复清洗至上清液pH为6。
[0012](3)收集沉积物先后分散于无水乙醇、去离子水中，然后在氮气环境下冰浴超声，离心后取上清液冷冻干燥，得到少层MXene(Ti3C2T
x
)。
[0013](4)将MXene分散到去离子水中，并在搅拌状态下加入葡萄糖、二水合钼酸钠、四水合锡酸钠、硫脲，搅拌均匀后放入反应釜进行水热反应，对产物进行离心、反复清洗、冷冻干燥，得到MXene/MoS2/SnS复合材料。
[0014](5)配置三羟甲基氨基甲烷盐酸盐(Tris
‑
HCl)缓冲溶液，将(4)得到的复合材料与盐酸多巴胺按照1∶(0～1)比例混合并充分搅拌，然后离心、清洗、冷冻干燥处理。
[0015](6)干燥后的粉末在惰性气体保护下经高温热处理一定时间后得到最终产物MXene/MoS2/SnS@C。
[0016]作为优选的方案，步骤(1)中，所述含氟盐包括氟化锂和氟化钠；所述酸溶液包括6～12M的盐酸和6～9M的硫酸；所述含氟盐与Ti3AlC2粉末的质量比为1∶1。
[0017]作为优选的方案，步骤(4)中，所述MXene、葡萄糖、二水合钼酸钠、四水合锡酸钠、硫脲的质量比为1∶(1～5)∶(3～5)∶(2～8)∶(5～10)。
[0018]作为优选的方案，步骤(4)中，所述水热反应温度为160～190℃，反应时间10～20h。
[0019]作为优选的方案，步骤(6)中，所述高温热处理的最佳温度为300～600℃，升温速度为2～5℃/min，热处理时间为2～4h。
[0020]与现有技术相比，本专利技术技术的优点在于：
[0021](1)MXene二维材料具有优异的导电性，提供了大量的亲锂官能团和高比表面积，对多硫化物具有较好的吸附效果，而过渡金属硫化物的引入能够给材料提供更多的活性位点，抑制穿梭效应，加速多硫化物的催化转化。
[0022](2)过渡金属硫化物纳米片与MXene形成复合材料可以抑制少层MXene的堆叠，构建起三维异质结构，再经聚多巴胺包覆碳化处理，能够大大提高循环稳定性。
[0023](3)本专利技术复合材料修饰的隔膜具有优异导电性和电解液浸润性，增强了电荷转移能力，同时强吸附多硫化锂防止其穿梭至负极导致锂枝晶的生成，极大提升了电池稳定性和安全性。
附图说明
[0024]图1为实施例1制备的MXene与MXene/MoS2/SnS@C材料的扫描电镜(SEM)图。
[0025]图2为实施例1、例2、例3的XRD对比图。
[0026]图3为实施例1、例2、例3和空白对照组的吸附实验效果图。
[0027]图4为实施例4制备的MXene/MoS2/SnS@C修饰隔膜的扫描电镜图(SEM)。
[0028]图5为实施例4制备的MXene/MoS2/SnS@C修饰隔膜的宏观图片。
[0029]图6为实施例4制备的MXene/MoS2/SnS@C修饰隔膜与商业PP膜的接触角测试结果。
[0030]图7为实施例7、例8、例9组装的锂硫电池在0.5C充放电倍率下的充放电曲线图。
[0031]图8为实施例7、例8、例9组装的锂硫电池在不同充放电倍率下的充放电曲线图。
具体实施方式
[0032]以下结合具体实施例以及附图对本专利技术作更全面的描述，但本专利技术不限于此。
[0033]下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
[0034]下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0035]实施例1
[0036]MXene/MoS2/SnS@C复合材料的制备
[0037](1)将2.0g氟化锂溶于40mL浓度为12M盐酸水溶液中，冰浴条件下15～20min内加入2.0g Ti3AlC2，然后在35℃下搅拌。刻蚀后经1M盐酸清洗3次，再用去离子水洗涤至上层离心液pH为6，此时沉淀为多层MXene。将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升锂硫电池隔膜性能的MXene基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将含氟盐溶于酸溶液中，然后加入Ti3AlC2粉末持续搅拌。(2)将溶液进行离心分离，用稀盐酸离心清洗三次，再用去离子水反复清洗至上清液pH为6。(3)收集沉积物先后分散于无水乙醇、去离子水中，然后在氮气环境下冰浴超声，离心后取上清液冷冻干燥，得到少层MXene(Ti3C2T
x
)。(4)将MXene分散到去离子水中，并在搅拌状态下加入葡萄糖、二水合钼酸钠、四水合锡酸钠、硫脲，搅拌均匀后放入反应釜进行水热反应，对产物进行离心、反复清洗、冷冻干燥，得到MXene/MoS2/SnS复合材料。(5)配置三羟甲基氨基甲烷盐酸盐(Tris
‑
HCl)缓冲溶液，将(4)得到的复合材料与盐酸多巴胺按照1∶(0～1)比例混合并充分搅拌，然后离心、清洗、冷冻干燥处理。(6)干燥后的粉末在惰性气体保护下经高温热处理一定时间后得到最终产物MXene/MoS2/SnS@C。2.根据权利要求1所述的一种提升锂硫电池隔膜性能的MXene基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐少春，崔玉琛，周晓亚，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：