一种MXene包覆金属化合物正、负极材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种MXene包覆金属化合物正、负极材料及制备方法，该方法采用水溶液超声分散+冷冻干燥的方法，将大尺寸超薄MXene纳米片与锂/钠/钾碱金属离子电池金属化合物正、负极活性材料复合，形成MXene对活性材料全面包覆，可大幅提升电极活性材料颗粒之间电接触，同时抑制活性颗粒的体积膨胀，从而提升了活性材料的放电比容量、倍率和循环稳定性。倍率和循环稳定性。倍率和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种MXene包覆金属化合物正、负极材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种MXene包覆金属化合物正、负极材料及制备方法，属于节能环保


技术介绍

[0002]近年来，化石燃料的使用不断加剧着全球气候变暖等环境问题，可再生能源存在稳定性差、间歇性强等问题，因而受环境和气候影响较大，需要高效的储能设备。可充电二次电池和超级电容器具有能量密度高、使用寿命长、环保、无记忆效应等优点，被认为是最有效的电化学储能技术，目前已广泛应用于便携式电子设备和电动汽车，并逐步扩展到智能电网、微网储能、航空航天等领域。其中，锂离子电池(LIBs)因其能量密度高、循环稳定性好和环境友好性被广泛应用于便携式和智能电子设备，并得到了迅速发展。然而，锂在地壳中的储存仅为0.0065％，而且分布不均匀，约86％的锂储存于玻利维亚、智利、中国、阿根廷和澳大利亚。随着锂离子电池研究和应用的发展，锂资源将出现供不应求的局面，锂离子电池的成本也将大幅增加。
[0003]金属钾在地壳中的含量为2.09％，仅次于金属钠。此外，钾离子具有较低的去溶剂化能(119.2kJ mol
‑1)，相比于锂离子(215.8kJ mol
‑1)和钠离子(158.2kJ mol
‑1)，可以形成更小的溶剂化离子，使得钾离子在电解质/电极材料之间的扩散速度更快。同时，在有机非水电解质中，K/K
+
标准电极电位(
‑
2.93V)比Na/Na
+
(
‑
2.71V)更低，可以实现更高的工作电压和能量密度。此外，金属钾不会与铝发生合金化反应，因此在钾离子电池中，可以使用价格更为低廉的铝箔作为负极集流体，进一步削减了电池成本。
[0004]与碱金属离子电池中的正极活性材料、负极活性材料、隔膜和电解液等关键材料相比，导电添加剂所占比重通常比较小但却极为重要。一般而言，高电导率的材料都可以作为导电添加剂用于离子电池，如金属纤维、金属粉末、石墨粉末、碳基纳米材料等。与金属粉末、金属纤维等金属基导电添加剂相比，碳基导电添加剂具有质量轻，活泼性弱，比表面积大等优点，目前在离子电池中被广泛使用。常见碳基导电添加剂有导电炭黑(CB)、超级炭黑(SP)、乙炔黑(AB)、碳纳米纤维(VCF)、碳纳米管(CNTs)等。
[0005]自2004年曼彻斯特大学的海姆成功制备出石墨烯以来，二维材料因其独特的性能优势而获得了极大的关注，石墨烯的独特的分离方式已经成为所有二维材料的参考，并开辟了发现更多材料的可能性。如今，已有几十种二维材料，包括六方氮化硼(h
‑
BN)、过渡金属硫化物(TMDs)、石墨氮化碳(g
‑
C3N4)、层状金属氧化物、层状双氢氧化物(LDHs)、过渡金属氧化物、金属配位聚合物、二维金属有机框架、磷烯、硅烯、MXenes等被发现并受到越来越多的关注。MXenes是一类由过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物组成的二维层状材料，通式为M
n+1
X
n
T
x
，其中M代表过渡金属(如Sc、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo等)，X代表碳或氮，T
x
代表
‑
O、
‑
OH、
‑
Cl、
‑
F等表面基团。MXenes的稳定性随n的增加而增加，同时，含C MXene比含N MXene更加稳定。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于针对上述现有技术的缺陷和不足，提出了一种MXene包覆金属化合物正、负极材料及制备方法，该方法采用水溶液超声分散+冷冻干燥，可将MXene与碱金属电池活性材料复合，MXene对活性材料形成致密包覆，能大幅提升电极活性材料颗粒之间电接触，同时抑制活性颗粒的体积膨胀，从而提升了活性材料的放电比容量、倍率和循环稳定性。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种MXene包覆金属化合物正、负极材料，该材料包括Bi
‑
Ti
‑
EG，Sb4O5Cl2，BiOCl，(BiSbCoInSn)O
x
，KxMnO2，Na
0.5
K
0.5
Ni
0.4
Fe
0.1
Co
0.1
Ti
0.15
Sb
0.25
O2，LiFePO4，LiNi
0.8
Co
0.1
Mn
0.1
O2和LiNi
0.8
Co
0.1
Al
0.1
O2等锂/钠/钾碱金属电池用过渡金属化合物正、负极材料。
[0008]本专利技术还提供了一种MXene包覆金属化合物正、负极材料的制备方法，该MXene片径为2
‑
10μm，片厚为1.0
‑
3nm，所述方法包括如下步骤：
[0009]步骤1：用20mL量筒量取15mL浓盐酸，加去离子水配制成2
‑
10mol L
‑
1HCl，加入到聚四氟乙烯反应釜中；
[0010]步骤2：再称取1
‑
2g LiF和0.1
‑
1g的NH4F，并将其缓慢加入到上述反应釜中，置于集热型磁力搅拌器中，于常温下，以600rpm的转速连续搅拌2
‑
10min；
[0011]步骤3：再称1
‑
5g Ti3AlC2，缓慢加入上述反应釜中，利用集热型搅拌器的加热功能将环境油浴加热到30
‑
50℃，并在该温度下以400rpm的转速持续搅拌油浴下连续反应刻蚀24h；
[0012]步骤4：利用高速离心机在5000
‑
10000rpm的离心转速下清洗三次，每次离心分离时长为5min；
[0013]步骤5：再次将离心清洗所得沉淀均匀分散于50mL去离子水中，后置于冰水浴中超声10min，均匀分散后，在5000rpm转速下离心5min并收集上清液，即得到MXene分散液；重复直至离心管底层只剩灰黑色MAX/MXene残留混合物；
[0014]步骤6：用天平称量并记录5mL小烧杯的质量，然后用移液器吸取1mL MXene分散液滴入小烧杯中，完全烘干小烧杯中液体后，称量小烧杯质量并计算MXene分散液浓度为0.1
‑
1mg mL
‑1。
[0015]进一步地，本专利技术MXene与金属化合物正、负极材料之间的质量比为0.01～5：100，所述包覆方法包括如下步骤：
[0016]步骤1：称取活性物质放置在小玻璃瓶中；
[0017]步骤2：用移液枪吸取MXene分散液滴入到小玻璃瓶后，在冰水浴中进行超声，并手动摇晃均匀得到混合溶液；
[0018]步骤3：将上述混合溶液进行冷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MXene包覆金属化合物正、负极材料，其特征在于：所述材料包括Bi
‑
Ti
‑
EG，Sb4O5Cl2，BiOCl，(BiSbCoInSn)O
x
，KxMnO2，Na
0.5
K
0.5
Ni
0.4
Fe
0.1
Co
0.1
Ti
0.15
Sb
0.25
O2，LiFePO4，LiNi
0.8
Co
0.1
Mn
0.1
O2和LiNi
0.8
Co
0.1
Al
0.1
O2等锂/钠/钾碱金属电池用过渡金属化合物正、负极材料。2.一种MXene包覆金属化合物正、负极材料的制备方法，其特征在于：所述MXene片径为2
‑
10μm，片厚为1.0
‑
3nm，所述方法包括如下步骤：步骤1：用20mL量筒量取15mL浓盐酸，加去离子水配制成2
‑
10mol L
‑1HCl，加入到聚四氟乙烯反应釜中；步骤2：再称取1
‑
2g LiF和0.1
‑
1g的NH4F，并将其缓慢加入到上述反应釜中，置于集热型磁力搅拌器中，于常温下，以600rpm的转速连续搅拌2
‑
10min；步骤3：再称1
‑
5g Ti3AlC2，缓慢加...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄镇东，庞大伟，章童，柏玲，李咏华，王石，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：