一种二维/三维杂化结构的MXene基钠金属负极沉积骨架及其制备方法技术

一种二维/三维杂化结构的MXene基钠金属负极沉积骨架。所述沉积骨架采用盐酸和氟化锂混合溶液刻蚀掉Ti3C2‑

【技术实现步骤摘要】
一种二维/三维杂化结构的MXene基钠金属负极沉积骨架及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种钠金属负极沉积骨架材料的制备方法和应用，属于储能电池领域。具体涉及一种二维/三维杂化结构的MXene基钠金属负极沉积骨架的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]由于钠金属拥有高理论容量(1165mAhg
‑1)、低氧化还原电位(
‑
2.71Vvs.标准氢电极)和价格低廉的优势，二次钠金属电池有望代替锂电池成为一种理想的储能装置。更令人瞩目的是，钠金属负极对下一代高能量密度的钠基电池(钠
‑
硫电池、钠
‑
氧电池、钠
‑
二氧化碳电池等)的发展产生了积极的影响。然而，在长期的电镀/剥离过程中，不可控的钠枝晶生长导致钠金属负极库伦效率低，循环稳定性差，枝晶过度生长甚至会刺穿隔膜，导致电池短路，引发严重的安全问题。
[0003]相关研究证明了构建负极沉积骨架能够有效调控金属钠的成核行为，实现无枝晶的钠沉积。新兴的二维层状材料MXene因拥有丰富的“亲钠”官能团和大的比表面积而备受关注，在稳定钠金属负极方面显示出了巨大的潜力，是作为金属钠沉积骨架的理想材料。它一般被表示为M
n+1
X
n
T
x
，M表示过渡金属，X表示碳或氮，T
x
表示MXene表面的官能团。然而，由于静电力的存在，MXene纳米片之间发生严重的堆积，层间距减小，导致其丧失大比表面积的优势，不能够有效降低局部电流密度，钠枝晶在较短的循环周期内便开始生长，导致电池的循环稳定性差。因此，缓解MXene纳米片之间的堆积和进一步提高比表面积是十分必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术通过Ti3C2‑
MXene在一定条件下反应后，打破纳米片之间的静电力，有效缓解Ti3C2‑
MXene纳米片之间的堆积，生成了一种具有独特结构的三维纳米球，进一步增加了材料的比表面积，有效降低了局部电流密度，抑制钠枝晶的生长。此外，纳米球表面生长着丰富的纳米带，能够引导金属钠的初始成核，实现无枝晶的钠沉积。部分未参与反应的Ti3C2‑
MXene纳米片提供了“亲钠”的官能团和优异的导电性能，能够调控金属钠的成核行为和实现钠离子的快速传输。
[0005]专利技术人意外的发现，低温分散和冷冻干燥的方式比普通的常温干燥方式，对于改善Ti3C2‑
MXene纳米片之间的堆积方式有一定的作用，冷冻干燥可以进一步提高堆积的规整性，减少局部堆积缺陷引起的局部电流密度异常，从而提高材料的电学性能。超声分散也有助于改善纳米片之间的分散性。
[0006]本专利技术的目的是提供一种二维/三维杂化结构的MXene基钠金属负极沉积骨架制备的方法与应用。
[0007]本专利技术的一个方面，提供一种二维/三维杂化结构的MXene基钠金属负极沉积骨架的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)用浓盐酸和氟化锂的混合溶液将Ti3C2MAX中的Al层刻蚀掉，用稀盐酸、去离子水洗涤至溶液PH＝6
‑
8，离心分离得到Ti3C2‑
MXene溶液；Ti3C2‑
MXene溶液在氩气氛围和冰水浴的环境下超声分散，然后离心分离并取上层悬浊液，得到单少层Ti3C2‑
MXene纳米片胶体溶液；
[0009](2)选取Ti3C2‑
MXene纳米片胶体溶液，加入碱性试剂和氧化剂，在磁力搅拌器上搅拌均匀；
[0010](3)将混合溶液转移至反应釜中，在100～160℃，压力为0.5～2MPa，反应5～15h；
[0011](4)将产物离心洗涤至PH值为6
‑
8，随后转移至冷冻干燥机中干燥，得到二维/三维杂化结构的MXene基钠金属负极沉积骨架。
[0012]步骤(1)中：制备Ti3C2‑
MXene的原料Ti3C2MAX、氟化锂和盐酸的比列为1g:1～1.6g:0.13～0.18mol，盐酸的摩尔浓度为9～12M；用于洗涤的稀盐酸摩尔浓度为0.1～0.2M。
[0013]步骤(1)中：获得单少层Ti3C2‑
MXene纳米片胶体溶液的超声时间为1～3h，离心时间为0.5～1h，离心速率为3500～4000rpm；所述冰水浴的温度为0
‑
5℃。
[0014]步骤(2)中：选取的单少层Ti3C2‑
MXene胶体溶液的浓度为2.5～3mg/mL，碱液的摩尔浓度为0.1
‑
1mol/L，所述过氧化氢溶液的质量浓度为10
‑
30wt％；Ti3C2‑
MXene胶体溶液、碱液和氧化剂的体积比为30
‑
60:0.05
‑
0.15:0.02
‑
0.1，优选是40
‑
50:0.1
‑
0.12:0.05
‑
0.07。
[0015]步骤(2)中：碱性试剂为氢氧化钠、氢氧化锂和氢氧化钾中的一种；氧化剂为过氧化氢溶液。
[0016]步骤(3)中：反应釜内水热的反应温度为120～140℃，压力为1～1.5MPa，反应时间为8～12h；优选的，所述反应釜具有聚四氟乙烯内衬。
[0017]步骤(4)中：离心机的转速为3500～4000rpm，离心时间为3～5min；冷冻干燥的温度为
‑
30～
‑
70℃，冷冻干燥时间为5～15h；优选为
‑
40～
‑
50℃，冷冻干燥时间为8～12h。
[0018]本专利技术的另一方面，提供了一种如所述方法制备的钠金属负极沉积骨架材料。
[0019]本专利技术的另一个方面，公开了一种使用所述钠金属负极沉积骨架材料的钠离子电池。
[0020]说明书附图
[0021]图1中，a和b是实施例1制备产品的扫描电子显微镜(SEM)照片；c是对比例1制备产品的扫描电子显微镜(SEM)照片；
[0022]图2是实施例1、实施例5和对比例2制备的产品在1mAcm
‑2和1mAhcm
‑2测试条件下的库伦效率；
[0023]图3是实施例1制备的产品在1mAcm
‑2和1mAhcm
‑2测试条件下的充放电曲线；
[0024]图4是实施例5制备的产品在1mAcm
‑2和1mAhcm
‑2测试条件下的充放电曲线；
[0025]本专利技术的技术效果
[0026]本专利技术所述方法通过反应生成具有独特结构的三维纳米球，进一步增加了材料的比表面积，有效降低了局部电流密度，抑制钠枝晶的生长。纳米球表面生长着丰富的纳米带，能够引导金属钠的初始成核，实现无枝晶的钠沉积。部分未参与反应的Ti3C2‑
MXene纳米片提供了“亲钠”的官能团和优异的导电性能，能够调控金属钠的成核行为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维/三维杂化结构的MXene基钠金属负极沉积骨架及其制备方法，包括以下步骤：(1)用浓盐酸和氟化锂的混合溶液将Ti3C2MAX中的Al层刻蚀掉，用稀盐酸、去离子水洗涤至溶液PH＝6
‑
8，离心分离得到Ti3C2‑
MXene溶液；Ti3C2‑
MXene溶液在氩气氛围和冰水浴的环境下超声分散，然后离心分离并取上层悬浊液，得到单少层Ti3C2‑
MXene纳米片胶体溶液；(2)选取Ti3C2‑
MXene纳米片胶体溶液，加入碱性试剂和氧化剂溶液，在磁力搅拌器上搅拌均匀；(3)将混合溶液转移至反应釜中，在100～160℃，压力为0.5～2MPa，反应5～15h；(4)将步骤(3)得到的产物离心洗涤至PH值为6
‑
8，随后转移至冷冻干燥机中干燥，得到二维/三维杂化结构的MXene基钠金属负极沉积骨架。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中：Ti3C2MAX、氟化锂和盐酸的比例为1g:1～1.6g:0.13～0.18mol，其中盐酸的摩尔浓度为9～12M；用于洗涤的稀盐酸摩尔浓度为0.1～0.2M。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中：获得单少层Ti3C2‑
MXene纳米片胶体溶液的超声时间为1～3h，离心时间为0.5～1h，离心速率为3500～4000rpm；所述冰水浴的温度为0
‑
5℃。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：楚晨潇，孟维松，王利明，蔡飞鹏，秦显忠，王波，
申请(专利权)人：山东省科学院能源研究所，
类型：发明
国别省市：