具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料的制备方法，是将二维层状MXene基底分散在液相中，加入亲钠金属材料相应的金属盐，经过长时间搅拌，而后进行液相反应得到复合前驱体，再经过高温退火，于二维MXene材料上原位生长金属或金属化合物得到具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料。将所述复合材料作为钠金属负极应用于钠金属电池，通过向MXene基体引入亲钠金属材料带来大量亲钠位点，引导钠金属沉积到特定的MXene二维结构内，使钠金属沉积/剥离更加均匀稳定，并减少钠枝晶的产生，进而增加钠金属电池的循环稳定性。池的循环稳定性。池的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于储能材料
，具体涉及一类具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]从便携式电子设备、电动汽车到能源存储系统，锂离子二次电池为我们的日常生活提供了巨大的便利。然而由于锂资源的稀缺和分布不均匀以及近十几年锂资源的大量消耗并日渐枯竭，锂离子电池的成本不断提高，以至于传统的锂离子电池难以满足全球日益增长的储能需求。而钠资源的储量比起锂资源更加丰富、生产成本更低，并且钠与锂处在同一主族，储能的机理类似。并且钠金属直接作为电池负极有着高理论比容量(1166mAh g
‑1)和低电极电位(
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2.71V对标准氢电极)。因此越来越多的研究者把目光投向钠金属电池的应用研究，期望钠金属电池在应用中可以接近或者逐步取代锂离子电池。
[0003]然而，钠金属电池因其钠金属负极自身的高反应活性、较差的机械强度和充放电过程的表面电场分布不均、离子传输动力学缓慢等特性，面临着充放电过程产气、SEI膜不稳定、严重的体积膨胀、以及钠枝晶无序生长导致电池失效等问题，这些问题会导致钠金属电池库仑效率低、循环寿命短，而且不可控的枝晶生长更是可能会造成电池内部短路引发安全事故。针对以上问题，相关研究者们已经提出了众多的解决策略，比如通过电解液改性来调控离子分布以及与钠金属负极反应生产更为稳定的SEI。人工构建稳定的、有较高机械强度以及离子电导的SEI。此外，钠金属因其自身机械强度低，在组装和循环过程中容易发生结构变化，所以有很多相关研究者利用石墨烯、碳纳米管、碳布等碳材料、各类合金以及新型二维、三维金属骨架等设计新型的钠金属负极集流体，对其进行空间限域。
[0004]针对于负极材料或者集流体的制备方面，要推进钠金属电池的应用，就必须寻找能够降低钠金属成核势垒、使其成核更均匀、沉积成膜更致密的新型负极材料，或者优化材料的结构设计，进一步提升亲钠界面的循环稳定性。而自2011年以来，新型二维材料MXene因其优异的物理化学性质引起了研究人员的广泛关注。其中，研究较为广泛的Ti3C2T
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层状MXene因其特定的二维结构、稳定的机械结构性能、良好的导电性以及丰富的表面末端基团等优势，在提供均匀导电网络、构建稳定离子通道、改善离子传输动力学、调控钠金属的局部沉积电流密度、优化沉积/剥离形貌等方面有望取得一定突破。然而，单纯的Ti3C2T
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二维材料因分层较差、缺乏亲钠的活性成核位点，作为钠金属负极材料时，钠金属在其上往往只沉积于多层结构的外表面，易于产生枝晶，难以达到均匀稳定。

技术实现思路

[0005]针对二维Ti3C2T
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材料直接作为钠金属电池负极所存在的问题，本专利技术提供了一类具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料的制备方法，其目的在于，通过原位生长的方法，在二维Ti3C2T
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材料上原位生长亲钠的金属以及金属化合物等材料来构造具有纳米
限域效应、高亲钠性的MXene基钠金属负极复合材料。本专利技术通用性较好，且制备得到的不同类型的相关复合材料均有着不错的电化学性能。
[0006]按照本专利技术的第一个方面，本专利技术提供了一类具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]1)将二维MXene材料、金属盐和溶剂混合并搅拌18～30h，使二维MXene材料分散于溶剂中得到悬浮液，通过液相反应得到MXene复合材料前驱体；所述金属盐包括可溶于所述溶剂的铁盐、钴盐、镍盐、铜盐、锌盐、银盐、镁盐、锡盐、锰盐、锆盐、铋盐、铬盐中的一种或多种；
[0008]2)将MXene复合材料前驱体在相应的气体氛围中煅烧退火，于二维MXene材料上原位生长金属或金属化合物得到具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料；所述气体氛围包括空气、氩气、氮气、氢氩混合气中的一种或多种；所述煅烧退火的温度小于1200℃。
[0009]由于二维MXene材料表面往往带有大量的O、F、OH等带负电的基团，长时间搅拌可使相应的金属离子均匀吸附结合在二维MXene片层材料表面。
[0010]可选的，所述溶剂包括水、乙醇、甲醇、乙二醇、异丙醇、丙酮中的一种或多种。
[0011]可选的，所述二维MXene材料通过以下方法制备：按照质量体积比，将2～4gNaF溶于50～80mL浓度为9mol/L的浓盐酸中，再缓慢向溶液中加入1～3g Ti3AlC2；将该混合悬浮液在60～70℃下加热搅拌反应40～55h，搅拌完成后进行离心洗涤处理，离心转速3000～5000rpm，每次离心时间3～7min，使用去离子水和无水乙醇分别洗涤后，将得到的沉淀物置于60～80℃中真空干燥即得到表面带有末端基团的二维碳化钛Ti3C2T
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粉末。
[0012]可选的，所述液相反应是将所述悬浮液与配体溶液混合搅拌后静置陈化2～5h进行配合反应，再通过离心洗涤处理得到所述MXene复合材料前驱体；所述煅烧退火是在非氧氛围内形成金属单质。
[0013]可选的，所述配体溶液的配体包括下述的一种或几种：咪唑及其衍生物、乙二胺四乙酸(EDTA)、乙二胺、甘氨酸、乳酸、聚乳酸、四氢呋喃、二羧酸基配体及其衍生物、三羧酸基配体及其衍生物。
[0014]可选的，所述金属盐：二维MXene材料：配体的质量比为0.5～4∶1∶0.5～4。
[0015]进一步，按照下述质量体积比，将0.05～0.15g硝酸锌和0.3～0.5g硝酸钴溶解于15～30mL甲醇中得到混合溶液。再向上述溶液加入0.1～0.3g二维碳化钛Ti3C2T
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粉末，搅拌18～30h使其均匀分散得到混合悬浮液。同时将0.5～0.6g二甲基咪唑溶于15～30mL甲醇中得到二甲基咪唑甲醇溶液。将二甲基咪唑溶液迅速加入到混合悬浮液中，剧烈搅拌后静置陈化2～5h，再进行离心洗涤处理，离心转速2000～3000rpm，离心时间3～7min，使用无水乙醇洗涤后60～80℃真空干燥得到MOF
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Ti3C2T
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前驱体，再将MOF
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Ti3C2T
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前驱体在氩气氛围中退火1.5～2.5h(升温速率1～3℃/min，最高温750～850℃)，自然降温后得到氮掺杂碳包覆锌、钴单质
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二维碳化钛复合材料。
[0016]可选的，所述液相反应是向所述悬浮液中加入氧源混合后在100～200℃下进行水热反应2～24h，再通过离心处理得到所述MXene复合材料前驱体；所述煅烧退火是在有氧氛围内形成金属氧化物；煅烧退火的温度不超过500℃。
[0017]可选的，所述氧源包括葡萄糖、尿素中的一种或多种。
[0018]可选的，所述金属盐：二维MXene材料：氧源的质量比为0.5～2∶1∶1～4。
[0019本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一类具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将二维MXene材料、金属盐和溶剂混合并搅拌18～30h，使二维MXene材料分散于溶剂中得到悬浮液，通过液相反应得到MXene复合材料前驱体；所述金属盐包括可溶于所述溶剂的铁盐、钴盐、镍盐、铜盐、锌盐、银盐、镁盐、锡盐、锰盐、锆盐、铋盐、铬盐中的一种或多种；2)将MXene复合材料前驱体在相应的气体氛围中煅烧退火，于二维MXene材料上原位生长金属或金属化合物得到具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料；所述气体氛围包括空气、氩气、氮气、氢氩混合气中的一种或多种；所述煅烧退火的温度小于1200℃。2.根据权利要求1所述的具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述溶剂包括水、乙醇、甲醇、乙二醇、异丙醇、丙酮中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述液相反应是将所述悬浮液与配体溶液混合搅拌后静置陈化2～5h进行配合反应，再通过离心洗涤处理得到所述MXene复合材料前驱体；所述煅烧退火是在非氧氛围内形成金属单质。4.根据权利要求3所述的具有纳米限域效应的MXene基钠金属负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述配体溶液的配体包括下述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿佰华，李志鹏，郑玲玲，张一鸣，崔景芹，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：