金属复合电极材料及其制备方法、电池和交通工具技术

本发明专利技术公开了一种金属复合电极材料及其制备方法、电池和交通工具，其中该金属复合电极材料包括具有电化学活性的金属及MXene纳米卷，所述MXene纳米卷具有一维中空卷结构的MXene材料。MXene纳米卷结构有利于金属的吸附与封装，对于在空气中不稳定的金属，能够实现金属的稳定存储和释放，极大的简化了金属电池制造环境苛刻的难题，使得金属电池在空气环境下的制造能够实现；MXene纳米卷本身一维形貌具有单分散的特点，消除了二维片堆叠的现象，能够在金属中均匀分散，能够提高金属电池的电化学性能。化学性能。化学性能。

【技术实现步骤摘要】
金属复合电极材料及其制备方法、电池和交通工具


[0001]本专利技术是属于新材料和电池领域，特别是关于一种金属复合电极材料及其制 备方法、用途、电池和交通工具。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于具有高能量密度、大的输出功率、自放电小、对环境友好等 优点，自20世纪90年代研发成功以来得到了迅速的发展和广泛的应用。随着电 动汽车和便携式电子产品的高速发展，对锂离子电池的能力密度提出了更高的要 求，从而就需要开发更高储锂容量的负极材料。目前，锂离子电池的负极材料主 要还是碳材料，虽然其循环性能和安全性较好，但是其理论比容量严重限制了其 应用领域，不能满足人们对大比容量电池的追求；近几年，二维材料在电池储锂 方面的应用得到了广泛研究，典型的有MoS2、MXenes。MoS2材料由于具有纳 米层状结构和大的比表面积等，使得其储锂比容量可以达到800
‑
1000mAh/g，远 远高于石墨负极。
[0003]但是，由于其容易团聚并且导电性较差，导致其循环性能和倍率性能较差； 而MXenes片层材料虽然具有良好的导电性和丰富的表面官能团，但是其理论容 量较低，并且存在严重的片层堆叠现象，严重限制了其在储锂领域的应用。因此， 开发一种导电性好，理论容量高且高度分散，不易出现堆叠现象的储锂材料是推 动锂电池进一步广泛应用的关键。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于第一方面提供一种MXene纳米卷作为金属封装的用途， 该MXene纳米卷为具有一维中空卷结构的MXene材料。/>[0005]本专利技术第二方面提供一种金属复合电极材料，该金属复合电极材料包括具有 电化学活性的金属及上述MXene纳米卷。
[0006]在一些实施方式中，上述中空卷的内部填充有所述具有电化学活性的金属； 和/或，上述具有电化学活性的金属与所述MXene纳米卷的质量比介于(0.1～10):1。
[0007]在一些实施方式中，上述MXene纳米卷的两端为开口；和/或，上述MXene 纳米卷具有直线型的一维形貌；和/或，上述中空卷结构由单片的所述二维MXene 材料卷曲形成；和/或，上述中空卷结构由单层的所述二维MXene材料卷曲形成。
[0008]在一些实施方式中，上述MXene纳米卷的管壁的厚度介于0.3nm至50nm； 和/或，所述MXene纳米卷的长度介于0.1μm至100μm；和/或，所述MXene 纳米卷的管径介于10nm至200nm。
[0009]在一些实施方式中，上述具有电化学活性的金属选自于：锂、钠、钾、钙、 镁或锌中的至少一种；和/或，上述MXene纳米卷的化学式表示为M
n+1
X
n
T
x
，其 中，M包括：Ti、V、Nb、Cr、Ta、Hf、Mo、W、Fe、Mn、Y或Sc元素中的一 种、两种或多种；X选自碳、氮或硼元素中的一种、两种或三种；n为1、2、3、 或4；T
x
为官能团，所述官能团包括：第六主族和/或第七主族的元素。
[0010]本专利技术第三方面提供一种上述的金属复合电极材料的制备方法，步骤包括： 将具有电化学活性的金属转变为液态；将液态的所述金属与MXene纳米卷混合。
[0011]在一些实施方式中，上述的制备方法，还包括步骤：将MXene纳米卷制备 成薄膜状；再将所述薄膜与液态的金属接触。
[0012]本专利技术第四方面提供一种金属电池，含有上述的金属复合电极材料；或上述 的制备方法得到的金属电极材料。
[0013]本专利技术第五方面提供一种交通工具，含有上述的金属电池。
[0014]本专利技术能够实现的有益技术效果在于，MXene纳米卷与金属复合电极表现 优异的电化学性能，可以归因于MXene纳米卷结构有利于金属的吸附与封装， 对于在空气中不稳定的金属，能够实现金属的稳定存储和释放，极大的简化了金 属电池制造环境苛刻的难题，使得在空气环境下的制造能够实现；MXene纳米 卷本身一维形貌具有单分散的特点，消除了二维片堆叠的现象，能够在金属中均 匀分散，能够提高金属电池的电化学性能。另外MXene纳米卷具有独特的卷状 结构，其管径能够调整，因而具有结构弹性，在金属电极中能够起到缓冲电极体 积变化的作用。
附图说明
[0015]图1为本专利技术实施例1中MAX相材料和二维MXene材料的XRD谱图 (a)；MAX相材料(b)和刻蚀物(c，d)的SEM照片；
[0016]图2为本专利技术实施例1正离子对试剂的质量浓度为1wt.％(a)、5wt.％ (b)、10wt.％(c)、20wt.％(d)并施加搅拌得到的样品的SEM照片；
[0017]图3本专利技术实施例1中正离子对试剂的质量浓度20wt.％但未施加搅拌得到 的样品的SEM照片；
[0018]图4为本专利技术实施例1中得到的MXene纳米卷的TEM照片(a)，管径分 布统计(b)；
[0019]图5为本专利技术实施例1中不同倍率下的MXene纳米卷的TEM照片(a和 b)，及HRTEM照片(c和d)；
[0020]图6为本专利技术实施例1中MXene纳米卷的元素分布图；
[0021]图7为本专利技术实施例2中MAX相材料和二维MXene材料的XRD谱图 (a)；MAX相材料(b)和二维MXene材料(c)的SEM照片；
[0022]图8为本专利技术实施例2中得到的MXene纳米卷的TEM照片(a)，管径分 布统计(b)；
[0023]图9为本专利技术实施例2中MXene纳米卷的TEM照片(a)，及不同倍率下 的HRTEM照片(b和c)，元素分布照片(e～j)；
[0024]图10为本专利技术实施例3中MAX相材料和二维MXene材料的XRD谱图 (a)；MAX相材料(b)和二维MXene材料(c)的SEM照片；
[0025]图11为本专利技术实施例3中二维MXene材料在搅拌时间为1min(a)、 10min(b)和30min(c)下的SEM照片；
[0026]图12为本专利技术实施例4中V2AlC和V2CT
x
的XRD谱图(a)、V2AlC的 SEM照片(b)、MXene纳米卷的SEM(c)、TEM(d)和HRTEM(e)照片；
[0027]图13为本专利技术实施例5中MXene纳米卷薄膜表面的SEM照片(a)和冲 压后的圆片的照片(b)；
[0028]图14为本专利技术实施例5中圆片刚放入熔融金属锂的照片(a)、3min后的 照片(b)、冷却至常温后的照片(c)和在空气中暴露一天后的照片(d)；
[0029]图15为本专利技术实施例5中金属锂复合电极材料表面不同倍率下的SEM照 片(a～c)；
[0030]图16为本专利技术实施例5中金属锂复合电极材料截面面不同倍率下的SEM 照片(a～c)；
[0031]图17为本专利技术实施例5中金属锂复合电极材料的HRTEM照片；
[0032]图18为本专利技术实施例5中金属锂复合电极材料放置一天后的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MXene纳米卷作为金属封装的用途，其特征在于，所述MXene纳米卷为具有一维中空卷结构的MXene材料。2.一种金属复合电极材料，其特征在于，所述金属复合电极材料包括具有电化学活性的金属及MXene纳米卷，所述MXene纳米卷具有一维中空卷结构的MXene材料。3.如权利要求2所述的金属复合电极材料，其特征在于，所述中空卷的内部填充有所述具有电化学活性的金属；和/或，所述具有电化学活性的金属与所述MXene纳米卷的质量比介于(0.1～10):1。4.如权利要求2或3所述的金属复合电极材料，其特征在于，所述MXene纳米卷的两端为开口；和/或，所述MXene纳米卷具有直线型的一维形貌；和/或，所述中空卷结构由单片的所述二维MXene材料卷曲形成；和/或，所述中空卷结构由单层的所述二维MXene材料卷曲形成。5.如权利要求2或3中任一项所述的MXene纳米卷，其特征在于，所述MXene纳米卷的管壁的厚度介于0.3nm至50nm；和/或，所述MXene纳米卷的长度介于0.1μm至100μm；和/或，所述MXene纳米卷的管径介于10nm至200nm。6.如权利要求2或...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树斌，赵麒，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：