[发明专利]一种MXene-金属复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种MXene‑金属复合材料及其制备方法，本发明采用的技术方案为：（1）将金属盐颗粒与氢氟酸混合配成溶液，再将MAX原材料放入溶液中搅拌。（2）待反应完成后，对步骤1）中反应液进行离心，对离心后得到的固体洗涤、真空干燥，即可得到MXene‑金属复合的电极材料。本发明对利用MAX制备MXene过程中的氢废气进行了充分利用，制备的MXene‑金属复合电极材料具有分散均匀、比能量高、循环性好、工艺简单等有优点，同时，对反应过程中产生的废气进行了有效利用，降低了生产工序和成本，生产效率高，能更好地满足工业化生产的需要，实现大规模生产，极具应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种MXene-金属复合材料及其制备方法。

背景技术

目前锂离子电池的负极材料主要是石墨类电极材料，其理论比能量只有372mAh/g，限制了锂电池整体性能的提高，急切需要开发新型的高比能负极材料体系；并且由于石墨的嵌锂电位比较低，容易导致电解液的分解以及枝晶锂的析出，引发一系列的安全问题。因此，需要寻找比碳材料嵌锂电位更高、廉价易得、安全可靠的新型负极材料。MXene是一种新型过渡金属碳(氮)化物二维晶体，具有和石墨烯类似的结构，化学式为M_n+1X_n，其中n＝1，2或3，M为早期过渡金属元素，X为碳或者氮元素，这一类材料可以通过氢氟酸解离层状陶瓷材料MAX(A为主族元素)获得，非常适合作为锂离子电池或钠离子电池负极材料。

目前，已有将MXene材料用作锂电池负极材料发热报道，例如，专利CN106025236A公开了一种S-SnO₂/Ti₃C₂二维纳米粒离子电池负极材料的制备方法。以Ti₃AlC₂，SnCl₄·5H₂O和硫代乙酰胺为原料，通过氢氟酸刻蚀，混合超声，快速搅拌，水洗烘干等工艺，制得了S-SnO₂/Ti₃C₂纳米复合材料，有效提高了电容量，但这种制备工艺较为复杂，成本较高。

专利CN106025200A公开了一种氮掺杂MXene电池负极材料的制备方法，该种方法以Ti₃AlC₂和N₂等氮源为原料，通过氢氟酸刻蚀和氮源热处理制得以氮掺杂MXene的电池负极材料。该方法使MXene表面具有大量的缺陷，容量进一步提高，相比于未进行氮掺杂的MXene材料，比容量增长能够达到45％；但经循环多次后比容量仅约为300mAh/g，其循环性能还有待于进一步改进。

专利CN107161999A公开了一种基于Ti₂C MXene的电池电极材料的制备方法，该方法以Ti₃AlC₂和三氯化铁等插层剂原料，通过氢氟酸刻蚀和搅拌烘干等工艺制备得到Ti₂CMXene薄膜材料；但其多次循环后体积比容量仅为290-315mAh/g。

另外，金属元素Sb和Bi也可应用在锂电池中，一般以薄膜或者以细小颗粒分布在负极材料或者形成金属间化合物或合金成为电池负极材料，因为两种金属元素具有潜在的充放锂特性，可逆容量理想，导电性能优良，且嵌锂能力高于石墨，有利于提高电池的安全性能，但锑/铋以上述形式存在时容易引起粉化或团聚的问题，影响锂电池的性能。

综上可知，现有技术中MXene负极材料的制备还存在很多问题需要解决：(1)制备方法复杂、成本高、效率低，不易规模化生产；(2)电极的放电容量低、比容量小、第一次循环后可逆性差；(3)对MAX制备MXene的过程中产生的氢废气缺乏利用。因此，需要探索一种工艺简单、成本低、性能好的MXene材料及其制备方法，并将其用于锂离子电池的负极材料，对锂电池性能的进一步提高具有重要意义。

发明内容