一种自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质及其制备和应用，采用PEO聚合物作为基底材料，通过标准的刻蚀剥离得到单层的碳化钛(MXene)，然后将得到的碳化钛和PEO混合之后在锌片上自组装制备得到的凝胶，最后冻干得到自组装碳化钛填料的PEO聚合物固态电解质。与现有技术相比，本发明专利技术得到的无堆叠碳化钛片在PEO的基底中自组装均匀地分散，可以一步得到高性能复合聚合物固态电解质，具有成本低廉，工艺简单，条件温和，并具有高的可逆容量以及非常好的循环稳定性等优点。及非常好的循环稳定性等优点。及非常好的循环稳定性等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及电化学
，尤其是涉及一种自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质及其制备和应用。

技术介绍

[0002]随着汽车行业的发展和进步，人类的持续发展问题面临着巨大挑战。不可再生的燃料的燃烧会释放出各种废气，导致各种问题的出现。因此，寻求可再生和可持续资源储能设备显得尤为重要。其中可充放电池经济、环保、功率大、寿命长，相比于不可再生能源，可充放电电池实现了能源的持续利用。尤其是锂离子电池由于能量密度高，没有记忆效应，维护费用低、自放电低自放电效应小等优势，是目前最有发展前途的电化学储能电池技术之一。而成为了最重要的可充放电池之一。
[0003]聚合物固态电解质是一种新型电解质材料，它可以被用于锂离子电池等储能设备中，其具有良好的离子传输性能、高的化学稳定性和优异的安全性能。相对于传统的液态电解质，聚合物固态电解质可以解决液态电解质在高温或者外部压力作用下易燃、挥发和泄漏等问题，从而提高储能设备的安全性能。
[0004]聚合物固态电解质通常由离子导电的聚合物基质和锂离子等离子体的组成，其结构与性能的优化是制备高性能电池的关键。其中，聚合物基质可以采用多种不同的材料，如聚乙烯氧化物(PEO)、聚丙烯腈(PAN)等，通过不同的化学修饰、掺杂或者交联等方法来提高其离子传输性能。同时，为了提高固态电解质的锂离子导电性能和化学稳定性，常常需要通过添加锂盐、无机氧化物等添加剂来实现。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质及其制备和应用，该电解质成本低廉，工艺简单，条件温和，并具有高的较高的循环稳定性和倍率性能。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质的制备方法，具体步骤如下：
[0008]S1、制备单层碳化钛(MXene)；
[0009]S2、制备PEO聚合物溶液；
[0010]S3、将步骤S1中得到的单层碳化钛加入到步骤S2中得到的PEO聚合物溶液中超声，得到混合溶液A；
[0011]S4、将步骤S3中得到的混合溶液A冻干压制后得到自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质。
[0012]进一步地，步骤S1中，将碳铝化钛粉末通过刻蚀、剥离后得到二维单层的碳化钛(MXene)。
[0013]上述更进一步地，所述刻蚀的具体步骤为：将LiF加入至浓盐酸中，LiF溶解后再加
入Ti3AiC2，搅拌后得到混合溶液C，所述刻蚀的原理为通过强酸除去原料中的Al。
[0014]上述更进一步地，所述搅拌温度为30℃～40℃，优选为35℃。
[0015]上述更进一步地，所述浓盐酸的浓度为8～10mol。
[0016]上述更进一步地，LiF：Ti3AiC2：浓盐酸＝1～2g：1～2g：30ml。
[0017]上述更进一步地，所述剥离的具体步骤为：将混合溶液C洗涤，离心，超声后得到二维单层的碳化钛(MXene)。
[0018]上述更进一步地，所述洗涤方式为：去离子水洗涤6
‑
7次。
[0019]上述更进一步地，所述离心转速为4000
‑
6000rpm，优选为5000rpm，离心时间为10
‑
50min，优选为30min。
[0020]上述更进一步地，所述超声温度为
‑
10℃～10℃，所述超声时间为0.5h～1.5h。
[0021]进一步地，步骤S2中，将聚氧化乙烯(PEO)在去离子水中搅拌均匀，再加入锂盐，并充分溶解后得到PEO聚合物溶液。
[0022]上述更进一步地，所述锂盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSi)，聚氧化乙烯(PEO)为聚合物固态电解质的基底，主要是作为基底的作用，加入锂盐之后可以促进锂盐的分解，从而可以对锂离子进行传输。
[0023]上述更进一步地，所述聚氧化乙烯为粉末状。
[0024]上述更进一步地，所述聚氧化乙烯的数均分子量为600000～100000。
[0025]上述更进一步地，所述聚氧化乙烯在PEO聚合物溶液中的浓度为85％～95％，优选为90％。
[0026]上述更进一步地，所述锂盐与聚氧化乙烯的质量之比为1～1.5：10。
[0027]上述更进一步地，所述搅拌时间为12～24小时。
[0028]进一步地，步骤S3中，所述单层碳化钛与PEO聚合物溶液中的聚氧化乙烯的质量之比为1～2:10。
[0029]进一步地，步骤S3中，将步骤S1中得到的单层碳化钛加入到步骤S2中得到的PEO聚合物溶液中磁力搅拌并超声，得到混合溶液A。
[0030]上述更进一步地，所述磁力搅拌的时间为12～24h。
[0031]上述更进一步地，所述超声时间为10～15h。
[0032]进一步地，步骤S4中，将步骤S3中得到的混合溶液A涂布至锌片上一定时间，再冻干压制后得到自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质。
[0033]上述更进一步地，所述锌片为打磨光滑的锌片。
[0034]上述更进一步地，步骤S3中得到的混合溶液A在锌片上保持1～3小时。
[0035]本专利技术还提供一种自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质，采用上述自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质的制备方法制备得到。
[0036]进一步地，所述自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质整体为表面平整的薄膜，并且二维单层的碳化钛均匀分散在其中。
[0037]此外，本专利技术还提供一种锂离子电池，包括上述自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质。
[0038]进一步地，所述锂离子电池为锂对称电池或纽扣式全电池，所述锂对称电池正负极均为纯锂片，所述纽扣式全电池正极为磷酸铁锂，负极为纯锂片。
[0039]本专利技术的原理如下：
[0040]碳化钛(MXene)是一种有潜力的填料，可以被用于聚合物固态电解质中。当被填入PEO固态电解质中时，由于碳化钛具有高的电导率，可以作为添加剂来提高聚合物固态电解质的离子传输性能，从而提高电池的性能表现。此外，碳化钛具有高的化学稳定性，可以有效地防止电解质的分解和氧化，提高电解质的稳定性和耐久性。但是另一方面，碳化钛的添加量需要控制，过高的碳化钛添加量会导致电解质的粘度增加，影响电池的充放电效率。碳化钛的分散性不易控制，会导致电解质的均匀性和稳定性下降。所以把二维碳化钛作为填料加入PEO固态电解质中主要需要解决以上问题。因而，MXene因其本征的二维纳米层状结构、良好的亲水性、优异的导电性和力学性能，使Mxene基材料广泛用于能源存储与转化领域的电极材料复合，在锂离子电池、超级电容器、光(电)催化剂电极等众多领域具有广阔的应用前景。
[0041]本专利技术通过加入单层碳化钛(MXene)，在通过自组装后获得的复合聚合物固态电解质材料，能够改善原本不足的循环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：S1、制备单层碳化钛；S2、制备PEO聚合物溶液；S3、将步骤S1中得到的单层碳化钛加入到步骤S2中得到的PEO聚合物溶液中超声，得到混合溶液A；S4、将步骤S3中得到的混合溶液A冻干压制后得到自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质。2.根据权利要求1所述的一种自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤S1中，将碳铝化钛粉末通过刻蚀、剥离后得到二维单层的碳化钛。3.根据权利要求2所述的一种自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，所述刻蚀的具体步骤为：将LiF加入至浓盐酸中，LiF溶解后再加入Ti3AiC2，搅拌后得到混合溶液C，所述刻蚀的原理为通过强酸除去原料中的Al；所述搅拌温度为30℃～40℃，所述浓盐酸的浓度为8～10mol，LiF：Ti3AiC2：浓盐酸＝1～2g：1～2g：30ml；所述剥离的具体步骤为：将混合溶液C洗涤，离心，超声后得到二维单层的碳化钛，所述洗涤方式为：去离子水洗涤6
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7次，所述离心转速为4000
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6000rpm，离心时间为10
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50min，所述超声温度为
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10℃～10℃，所述超声时间为0.5h～1.5h。4.根据权利要求1所述的一种自组装碳化钛掺杂聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤S2中，将聚氧化乙烯在去离子水中搅拌均匀，再加入锂盐，并充分溶解后得到PEO聚合物溶液。5.根据权利要求4所述的一种自组装...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金虎，马健，刘婷婷，马杰，马瑾，董田，周辰，陆航，田泽怡，陈卢，孟朔，廖柯璇，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：