一种二维层状钾离子电池负极材料制造技术

本发明专利技术属于钾离子电池负极材料的制备领域，具体涉及一种二维层状的钾离子电池负极材料。主要利用MXene的二维结构柔性较好，利用Co

【技术实现步骤摘要】
一种二维层状钾离子电池负极材料


[0001]本专利技术属于钾离子电池负极材料的制备领域，具体涉及一种二维层状的钾离子电池负极材料。

技术介绍

[0002]随着全球范围内环境和能源问题日益严峻，大力发展高能量密度、高安全、长寿命和低成本的多种二次电池对人类社会的发展至关重要。电极材料作为电池的重要组成部分之一，对电池的性能有重要影响，制备高能量密度和高安全的电极材料是未来二次电池发展的主要方向之一。锂离子电池(LIBs)作为具有较高的能量密度和优异的功率密度的电池被广泛应用在能源存储领域。然而，锂资源有限且分布不均，这不仅使LIBs成本较高，而且严重限制了LIBs的大规模应用。因此，急需开发新的、低成本能源存储装置。钾离子电池(PIBs)和LIBs工作原理相似，且钾资源储量丰富，成本较低，并且其氧化还原电位与锂十分接近(K
+
/K：
‑
2.93Vvs.Li
+
/Li:
‑
3.04V)。PIBs是LIBs的理想替代品之一，特别是在大规模储能领域。因此，开发低成本、可大规模制备且具有优异电化学性能的PIBs电极材料是推动PIBs发展的关键。但是，在发展钾离子电池过程中，高能量密度电极材料在实际应用中存在着一些关键问题：循环过程中大的体积变化导致活性物质的破碎粉化和电极结构的破坏，还导致固态电解质界面膜的不断破坏和重组，持续消耗电解液，导致容量的加速衰减、内阻增大和库伦效率降低，最终导致电化学性能失效；电极材料低的本征电导率会导致差的倍率性能；对于部分钾金属负极而言，不可控的枝晶生长严重影响电化学性能，并且可能会带来严重的安全隐患。
[0003]为了解决这些问题，本专利技术基于MXenes的二维材料制备高性能钾电负极。MXenes描述为化学式M
n+1
X
n
T
x
，其中M为过渡金属元素(如Ti、V、Mo等)，X表示C或N，n＝1、2或3，T
x
表示表面末端。理论上，外层过渡金属可以调控整个MXenes基面的电子结构，使其具有丰富的储K活性中心。然而，研究最多的Ti3C2T
x
MXene的电导率较低，在钾离子穿插过程中，不利于K
+
的结合，造成较大电阻。且目前市面上制备MXene的方法较为复杂，有的制备工艺还涉及有毒的原料和副产品，制备过程会加剧MXene的氧化，从而恶化MXene基纳米材料的电化学性能。因此，本专利技术采用改性的Ti3C2T
x
MXene的发方法制备了新的二维层状的钾离子电池负极材料就显得格外重要了。
[0004]锑(Sb)在钾离子负极材料中由于良好的化学稳定性，低的还原电势和高的理论容量等势受到广泛关注。Co基电极材料作为钾离子电池负极具有较高质量比容量，且Co与Sb具有相似的离子半径和成键率，可用于制备稳定的Co
‑
Sb电极。针对目前的研究工作中钾离子电池出现的体积膨胀和动力学迟滞的问题，本专利技术通过简单的Co和Sb盐原位共组装和热处理过程，将非晶(CoSb)2O5整合到褶皱的MXene纳米片上，制备了具有高比容量和高循环稳定性的MXene@(CoSb)2O5二维层状电极材料。

技术实现思路

[0005]针对以上问题，本专利技术利用MXene的二维结构柔性较好，利用Co
‑
Sb协同作用，制备出具有较高质量比容量和较高循环稳定性的MXene@(CoSb)2O5二维层状电极材料，具体合成步骤如下：
[0006]S1、Ti3C2T
x
MXene二维纳米片的制备：将1
‑
5gTi3AlC2粉末和2
‑
4gLiF加入到20
‑
80mL的9M盐酸中，然后在25
‑
40℃下搅拌24
‑
40h。在这个过程中，铝层被HF完全蚀刻出来。用超纯水离心洗涤最终的混合物，直到最终的上清液接近中性，得到多层m
‑
Ti3C2T
x
，将m
‑
Ti3C2T
x
超声剥离20
‑
30h后冷冻干燥制备出Ti3C2T
x
薄片。
[0007]S2、配制含Sb离子的溶液：将0.1
‑
0.4g的SbCl3或Sb3(SO4)2加入到4
‑
8mL无水乙醇中溶解。
[0008]S3、复合二维层状电极材料MXene@CoSb(OH)5的制备：将0.05
‑
0.4g步骤S1制备的Ti3C2T
x
薄片分散在24
‑
30mL的去离子水中，加入0.1
‑
0.3gCoCl26H2O和0.15
‑
0.35gC6H5Na3O72H2O搅拌1
‑
1.5h。将将步骤S2制备的含Sb离子的溶液混入其中，室温搅拌10
‑
20min，形成深红色悬浮液。然后，将1
‑
3ml的2M的NaOH滴加入暗红色悬浮液中，搅拌1h。在离心和洗涤黑红色沉淀物，然后干燥后，即可获得MXene@CoSb(OH)5。
[0009]S4、复合二维层状电极材料MXene@(CoSb)2O5的制备：在Ar的保护下，将步骤S3制备的MXene@CoSb(OH)5在200
‑
400℃下热退火2
‑
3h，即可获得MXene@(CoSb)2O5。
[0010]S5、将步骤S4制备的二维层状电极材料MXene@(CoSb)2O5电极材料：乙炔黑：聚四氟乙烯按照8：1：1的质量比混合均匀，然后均匀涂覆到铜箔上，将其作为负极片，用钾金属片作为正极片，在真空手套箱中组装成CR2032钾离子电池，并在蓝电工作仪上测试其性能。
[0011]本专利技术中每个实验制备成5个CR2032钾离子电池，以平均测试结果，减小实验的偶然性。
[0012]优选地：所述步骤S1中选用3g的Ti3AlC2粉；
[0013]优选地：所述步骤S1中选用3g的LiF；
[0014]优选地：所述步骤S2中选用0.3g的SbCl3；
[0015]优选地：所述步骤S2中选用0.3g的Sb3(SO4)2；
[0016]优选地：所述步骤S3中选用2ml的2M的NaOH滴加入暗红色悬浮液中；
[0017]优选地：所述步骤S4中退火温度为400℃；
[0018]优选地：所述步骤S4中退火时间为2h；
[0019]本专利技术的有益效果在于：
[0020]1、本专利技术制备的MXene@(CoSb)2O5二维层状电极材料中，锑纳米颗粒有助于增大与电解液的接触面积，缩短钾离子的扩散距离，形成快速的电荷输运通道，加速离子和电子的传输。
[0021]2、本专利技术制备的MXene@(CoSb)2O5二维层状电极材料是一种新型的二维过渡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维层状的钾离子电池负极材料，其特征在于：具体合成步骤如下：S1、将1
‑
5g Ti3AlC2粉末和2
‑
4g LiF加入到20
‑
80mL的9M盐酸中，然后在25
‑
40℃下搅拌24
‑
40h；在这个过程中，铝层被HF完全蚀刻出来；用超纯水离心洗涤最终的混合物，直到最终的上清液接近中性，得到多层m
‑
Ti3C2T
x
，将m
‑
Ti3C2T
x
超声剥离20
‑
30h后冷冻干燥制备出Ti3C2T
x
薄片；S2、配制含Sb离子的溶液：将0.1
‑
0.4g的SbCl3或Sb3(SO4)2加入到4
‑
8mL无水乙醇中溶解；S3、将0.05
‑
0.4g步骤S1制备的Ti3C2T
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薄片分散在24
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30mL的去离子水中，加入0.1
‑
0.3g CoCl26H2O和0.15
‑
0.35g C6H5Na3O72H2O搅拌1
‑
1.5h；将步骤S2制备的含Sb离...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹文博，
申请(专利权)人：曹文博，
类型：发明
国别省市：