[发明专利]一种二维碳化物晶体基聚酰亚胺有机正极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种二维碳化物晶体基聚酰亚胺有机正极材料的制备方法，采用结构的二维碳化物晶体(MXene)作为基底材料，通过溶剂热的方法在MXene基底上原位聚合聚酰亚胺(PI)，然后在氮气氛围下通过碳化得到二维碳化物晶体基聚酰亚胺有机正极材料。通过此方法得到的PI均匀地负载在MXene基底上，具有工艺简单，条件温和，成本低廉等优点。本发明所制备的二维结构的碳化物基聚酰亚胺有机正极材料作为锂离子电池正极显示了优异的电化学性能，在50mA·g^‑1的充放电流下，容量可达到150mAh·g^‑1，在500A·g^‑1下容量为30mAh·g^‑1的优异的倍率性能，在0.5A·g^‑1下的1000次循环后容量保持率超过70％的超长循环寿命。该方法为MXene与有机材料在电化学领域的研究和应用提供了很好的实验数据和理论支持。

技术领域

本发明属于材料科学和电化学技术领域，尤其是涉及一种二维碳化物晶体基聚酰亚胺有机正极材料的制备方法。

背景技术

随着汽车行业的发展和进步，人类的持续发展问题面临着巨大挑战。不可再生的燃料的燃烧会释放出各种废气，导致各种问题的出现。因此，寻求可再生和可持续资源储能设备显得尤为重要。其中可充放电池经济、环保、功率大、寿命长，相比于不可再生能源，可充放电池实现了能源的持续利用。尤其是锂离子电池由于能量密度高，没有记忆效应，自放电效应小等优势，而成为了最重要的可充放电池之一。

锂离子电池由正负极材料、电解质、隔膜等四个最重要的部分组成。锂离子电池正极材料均是一些地球储量少的过渡态金属基无机材料(如钴、镍、锰等)，这类材料正极材料原料贵、导电性差、容量低是锂离子电池发展的主要瓶颈之一。因此，有机材料，尤其是富含羰基官能团的聚酰亚胺，因为其结构简单(碳、氢、氧、氮等原子组成)、可设计，容量高、环境友好等特点，而成为未来最有可能取代无机正极的材料之一。但是有机材料依然存在导电性差的缺点，导致其电化学性能不佳，在解决上述问题方面，研究人员已开展了诸多研究。研究发现，通过与一些高导电性的基底材料(如石墨烯、炭纤维、二维碳化物晶体)的复合可以有效提高有机材料的导电性。

二维碳化物晶体(MXene)是一种新型二维材料，属于过渡金属碳/氮化物，其前驱体是MAX-相。MAX-相是一系列三元层状化合物的总称，其中M代表过渡族金属元素，A为主族元素，X为碳和/或氮在MAX相中，X原子填充到由M原子紧密堆垛形成的八面体结构中，而A原子则位于MX的层间，由于A原子层与MX原子层的结合力相对较弱，可以通过选择性刻蚀A原子层来得到MX，由于MX产物具有“类石墨烯”的结构和性能，因此被命名为MXene。在2011年科学家发现了这种外观酷似三明治，由氧化物、碳及金属填充物构成的二维碳化物晶体纳米材料MXene，作为一类全新的二维材料，由MAX-相刻蚀过程中产生的官能团赋予MXene良好的亲水性，且并不显著影响其导电性。因而，MXene因其本征的二维纳米层状结构、良好的亲水性、优异的导电性和力学性能，使Mxene基材料广泛用于能源存储与转化领域的电极材料复合，在锂离子电极、超级电容器、光(电)催化剂电极等众多领域具有广阔的应用前景。对于MXene的制备一般利用化学液相刻蚀法，但是只能获得表面带有F、OH等官能团的MXene，并不能获得纯净的MXene，这有可能导致MXene的性能发生改变。而且将MXene作为正极材料时F、OH的存在会增加锂离子的扩散阻力，降低存储容量。这也是目前需要解决的技术问题。所以，如何制备纯净的MXene仍是一个亟待解决解决的问题。。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种二维碳化物晶体基聚酰亚胺有机正极材料的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种二维碳化物晶体基聚酰亚胺有机正极材料的制备方法，解决二维材料的复合构筑问题，包括以下几个步骤：首先将MXene原料除水，溶入NMP溶剂中；然后将萘四甲酸酐和乙二胺加入到MXene溶液中，经过溶剂热原位聚合，在氮气氛围中还原后得到二维碳化物晶体基聚酰亚胺有机正极材料。