[发明专利]一种三元金属氧化物复合MXene材料及其在锂硫电池中的应用

说明书

本发明涉及一种锂硫电池正极材料用三元金属氧化物复合MXene材料及其制备方法。在氢氟酸溶液中刻蚀处理得到MXene，通过水热反应制备NiCo₂O₄复合MXene材料，再经过球磨和热融法掺硫制备硫‑NiCo₂O₄‑MXene复合材料，即三元金属氧化物复合MXene材料。MXene的二维片层结构不仅利于电解质离子快速地在层间扩散，提供优异的倍率性能，而且为活性物质的储存提供了更多的空间，增加了电极的稳定性。而三元金属氧化物NiCo₂O₄的引入，促进表面的极性活性位点吸附多硫化锂，提高了对活性物质硫的利用率，并可以实现对MXene进行扩层，带来更大的体积膨胀缓冲空间以及更优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种高比容量的锂硫电池正极材料的制备方法，特别涉及一种通过水热反应制备三元金属氧化物复合MXene复合材料的方法，属于材料化学领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展和人民生活水平的提高，人们对二次锂电池的发展提出了更高的需求，尤其在高性能电动车方面，亟需拥有极高的储能和输能系统。锂硫电池由于拥有高的理论比容量(1675mAh·g^－1)和能量密度(2600Wh·kg^－1)，得到国内外学者广泛关注。硫元素特殊的结构及电化学性能，使其被广泛用作电池正极材料。硫分子是一个由八个硫原子组成的冠状结构，这导致它的热动力学性能十分稳定。硫元素高的充放电性能与S8分子中硫硫键长的断裂和重组有关，在放电过程中，每一个硫原子转移两个电子，电子转移数比金属离子还多。并且在自然界中储存了大量硫，硫也具有无毒和成本低等优点，使它成为一种最佳的电池正极材料。锂硫电池在理论上具有相当高的能量密度，但是其容量的衰减迅速，且锂硫电池存在硫正极电导率低、多硫化合物的“穿梭效应”、锂离子沉积以及在充放电过程中由于体积巨大变化产生的安全隐患等问题，束缚了它在实际中的运用。近年来，研究者们通过各种方法提升锂硫电池的性能，其中，正极材料的设计和改性起到非常明显的作用。

MXene材料是一种新型的二维层状材料,具有优异的导电性和较高的比表面积，已被报道用于能源储存材料,表现出优异的电容量和循环稳定性，有潜力用于大规模生产作为储能器件的电极材料。但目前单纯的MXene材料作为电极材料,比电容和电容量还有待提高。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术存在的不足，提供一种锂硫电池正极材料用三元金属氧化物复合MXene材料及其制备方法。以MAX相陶瓷粉体为原料在氢氟酸溶液中刻蚀处理得到MXene，通过水热反应制备NiCo₂O₄复合MXene材料，再经过球磨和热融法掺硫制备硫-NiCo₂O₄-MXene复合材料，即三元金属氧化物复合MXene材料。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种三元金属氧化物复合MXene材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤（1），制备MXene：

将研磨过的MAX相陶瓷粉体浸入HF溶液，升温至50～90℃，磁力搅拌12～24小时，之后离心分离取得产物，用去离子水洗涤至中性，置于烘箱中60～80℃干燥12～24小时即得MXene。

步骤（2），制备NiCo₂O₄-MXene复合材料：

取适量步骤（1）中制备的MXene、乙酸镍、乙酸钴，置于一定量的去离子水中，搅拌均匀，然后将混合溶液转移至200mL反应釜中，加热进行水热反应，冷却后，离心获得产物并用去离子水反复洗涤，再置于60℃烘箱中干燥12小时。经高温焙烧，冷却后即可获得NiCo₂O₄-MXene复合材料。