一种用于电池电极的抗氧化MXene/蒙脱石单分子膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于电池电极的抗氧化MXene/蒙脱石单分子膜及其制备方法，该膜是由MXene及蒙脱石片层复合而成。所述MXene是二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物层状类石墨烯材料，其与蒙脱石片层矿物具有相似的层间距，两者易于端面复合，形成杂化膜。本发明专利技术将MXene与蒙脱石进行复合，形成单分子膜。利用蒙脱石的稳定特性，提高了MXene的抗氧化性，增加了MXene在水面的成膜能力与界面结合。该单分子膜用于电池电极，有效防止电极的枝晶生成，防止电池短路，有效提升电池寿命与电极表面抗氧化能力。本发明专利技术所述单分子膜的制备方法简单，成本低廉，Langmuir

【技术实现步骤摘要】
一种用于电池电极的抗氧化MXene/蒙脱石单分子膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种用于抗氧化电池电极的MXene/蒙脱石单分子膜，具体涉及MXene/蒙脱石单分子膜的制备与其在水系离子电池电极的应用。

技术介绍

[0002]水系离子电池是一种新型的绿色电池。相较于传统电池，其具备快速充电优势，有良好的耐高温性，不易燃、不易爆，安全性良好，即使在严重变形时也表现出了极佳的稳定性。然而水系离子电池电解质采用水溶液，电池内部的正负极片通常是金属材料，是公认的疏水材料，这就导致了极片与电解质接触较差，不利于电池性能的发挥；水系离子电池极片的枝晶生长严重，经常会刺破隔膜导致电池短路。因此，制备一种性质稳定的超薄亲水膜，可以大大加速水系离子电池商业化进程。
[0003]MXene(Mn+1XnTz(M＝Ti，X＝C，Tz＝OH
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))作为一种新型二维层状类石墨烯材料，由MAX相(如Ti3AlC2)刻蚀得到，表面富有双亲性分子基团，具有优异的电导性能、光热性能、电磁屏蔽性能，且表面性质可调，具有轻质柔韧等优势，是一种很好的基质薄膜材料，能够在液体表面自发形成单分子膜，增加负载物质表面的亲水能力。但MXene易被空气中氧气以及水中溶解氧的氧化，形成金属氧化物(如TiO2)，从而降低其导电性及结构稳定性。蒙脱石是一种资源丰富，成本低廉，稳定性优异，且与环境相容性好的“绿色材料”。具有层状结构，易于剥离成为单层矿物，其悬浮性、造浆性良好。蒙脱石表面含有丰富的羟基基团，亲水性优异，且价格低廉。因此，将其用于MXene的抗氧化，易于形成单分子复合膜，可用于电极保护层。
[0004]现有的制备MXene薄膜及其复合薄膜的方法有真空过滤法(CN110171831B、CN112233914B)，旋涂法(CN112103388B)，甩胶法(CN109560195A)等。这些制膜方法虽然能够制备性能良好的各种复合薄膜，但是难以形成厚度可控的单分子膜。而Langmuir
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Blodgett方法则是利用材料的两亲性分子基团，在气液界面可以进行自组装进而自发形成一层稳定的单分子膜，利用简单的提拉即可附着在任意基底上。其成本低廉，绿色环保，工艺简单，利用该方法制备超薄亲水膜可以为水系离子电池的应用开辟一条新道路。
[0005]在本专利技术中，将MXene和蒙脱石复合制得MXene/蒙脱石单分子膜，将其沉积到锌电极，形成膜保护电极。MXene/蒙脱石单分子膜能够增强电极表面的亲水性，抑制锌电极的枝晶生长，延长电池寿命。蒙脱石与MXene结合之后，利于后者成膜，并提升MXene的抗氧化能力。由于蒙脱石与MXene的层间距相近，可通过表面的功能性基团实现二者在端面上的相互结合，得到的复合膜，具有紧密的组织结构，优异的亲水性和抗氧化性能。

技术实现思路

[0006]基于上述技术背景，本专利技术人进行了锐意进取，结果发现：采用MAX相、蒙脱石通过盐酸刻蚀和超声剥离制得的MXene/蒙脱石复合材料，蒙脱石在MXene表面负载均匀，易于制
备单分子膜。本专利技术通过将蒙脱石与MXene复合，提高了MXene的稳定性和抗氧化性，制备的单分子膜有效提高了电极的亲水性，且该亲水膜制备方法简单，成本低廉，绿色环保。
[0007]本专利技术的第一方面在于提供一种MXene/蒙脱石单分子膜，其特征在于，由原料MAX相(Ti3AlC2)经刻蚀，并与蒙脱石复合反应生成MXene/蒙脱石剥离混合液，然后加入到充满水的LB拉膜仪的液槽中，在气液界面铺展成膜，按照设定的表面压力进行压缩，形成紧密Langmuir膜，在不同基片上进行提拉，得到MXene/蒙脱石单分子膜。
[0008]所述的MXene/蒙脱石单分子膜中MXene与蒙脱石质量比为(1～4)：1，优选地，质量比为(2～4)：1，更优选地，质量比为(3～4)：1。
[0009]所述蒙脱石选自钠基蒙脱石、钙基蒙脱石、钠基和钙基蒙脱石1:1混合物、钠基和钙基蒙脱石1:2混合物中的一种或几种，优选选自钠基蒙脱石、钙基蒙脱石、钠基和钙基蒙脱石1:1混合物中的一种或几种，更优选选自钠基蒙脱石、钙基蒙脱石中的一种或两种。
[0010]根据本专利技术，所述MAX相选自200目、400目、600目、800目MAX相中的一种或几种，优选选自200目、400目、600目中的一种或几种，更优选选自200目、400目中的一种或几种。
[0011]本专利技术的第二方面在于提供一种本专利技术第一方面所述的MXene/蒙脱石单分子膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0012]步骤1、将氟化锂与浓盐酸混合，搅拌均匀后加入MAX粉末，刻蚀后制得MXene；
[0013]步骤2、制备蒙脱石悬浊液；
[0014]步骤3、将MXene加入到蒙脱石悬浊液中，搅拌后制得MXene/蒙脱石混合悬浊液；
[0015]步骤4、利用MXene/蒙脱石混合悬浊液，超声后，进一步剥离MXene和蒙脱石片层，形成MXene/蒙脱石剥离混合液；
[0016]步骤5、将去离子水作为亚相，在Langmuir
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Blodgett槽中加入MXene/蒙脱石剥离混合液，形成MXene/蒙脱石单分子自组装Langmuir膜，通过基片(硅片、锌片等)进行提拉，在一定的表面压力下得到MXene/蒙脱石单分子膜。
[0017]更进一步的，步骤1所述MAX相与氟化锂的质量比为1:0.8～1.2：8，浓盐酸浓度为30％～38％，反应时间为20～24h，反应温度为20～35℃。
[0018]更进一步的，步骤2所述蒙脱石悬浊液浓度为1.0～4.0mg/mL。
[0019]更进一步的，步骤3所述MXene/蒙脱石混合悬浊液搅拌时间为1.0～2.0h。
[0020]更进一步的，步骤4所述超声时间为1.0～2.0h。
[0021]更进一步的，步骤5所述进行提拉时所选用的表面压力为15.0～25.0mN/m2。
[0022]本专利技术的第三方面在于提供一种本专利技术第二方面所述的制备方法制得的MXene/蒙脱石单分子膜用于水系离子电池极片的改善。
[0023]本专利技术提供的MXene/蒙脱石单分子膜的制备方法及其在电池极片改善领域的应用，具有以下优势：
[0024](1)本专利技术所述的MXene/蒙脱石单分子膜性质稳定，膜结构紧密，自身抗氧化性能好，亲水性优异。
[0025](2)本专利技术所述的MXene/蒙脱石单分子膜原料来源广泛，成本低廉，制备方法无有毒废弃物产生，过程绿色环保无污染，无需加热，耗能少，制备过程中的废物可以进行回收和循环利用。
附图说明
[0026]图1出示本专利技术实施例1制得MXene/蒙脱石单分子膜的X射线衍射图谱；
[0027]图2出示本专利技术实施例1制得MXene/蒙脱石单分子膜表面压力变化曲线图。
[0028]图3出示本专利技术实施例1制得MXene/蒙脱石单分子膜负载在锌箔前后锌箔的接触本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电池电极的抗氧化MXene/蒙脱石单分子膜，其特征在于，由原料MAX相(Ti3AlC2)经刻蚀形成MXene材料，与蒙脱石复合反应后通过自组装形成MXene/蒙脱石单分子膜。2.根据权利要求1所述的MXene/蒙脱石单分子膜，其特征在于，所述MXene与蒙脱石质量比为(1～4)：1。3.根据权利要求1所述的MXene/蒙脱石单分子膜，其特征在于，所述蒙脱石选自钠基蒙脱石、钙基蒙脱石、钠基和钙基蒙脱石1:1混合物中、钠基和钙基蒙脱石1:2混合物中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的MXene/蒙脱石单分子膜，其特征在于，所述MAX相可选自Ti3AlC2粉末，包括200目、400目、600目、800目粉体的一种或几种。5.一种用于电池电极的抗氧化MXene/蒙脱石单分子膜的制备方法，其特征在于，该复合膜制备包括以下步骤：步骤1、将氟化锂与浓盐酸混合，搅拌均匀后加入MAX粉末，刻蚀后制得MXene；步骤2、制备蒙脱石悬浊液；步骤3、将MXene加入到蒙脱石悬浊液中，搅拌后制得MXene/蒙脱石混合悬浊液；步骤4、利用MXene/蒙脱石混合悬浊液，超声后，进一步剥离MX...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗世顶，刘竞文，李静瑶，司集文，李述程，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：