[发明专利]一种基于MXene气凝胶的复合锂金属负极及其合成方法

说明书

一种基于MXene气凝胶的复合锂金属负极及其合成方法，属于锂电池领域。该复合锂金属负极包括金属锂和MXene气凝胶，所述的MXene气凝胶由二维MXene片层交联组装而成，具有三维分级多孔结构，所述的MXene气凝胶孔隙中填充金属锂；所述的MXene气凝胶的厚度为300μm‑800μm。本发明制备得到的复合锂金属负极，其MXene气凝胶表面丰富的亲锂官能团能够与锂离子特异性结合，从而实现锂的均匀成核，抑制锂枝晶的生成，有效提高锂金属负极的库伦效率、安全性及循环寿命。

技术领域

本发明属于锂电池领域，涉及一种基于MXene气凝胶的复合锂金属负极及其合成方法。

背景技术

锂离子电池自上世纪90年代问世以来，在智能手机、笔记本电脑以及电动汽车等领域得到了广泛应用。然而，石墨负极材料的理论比容量只有372mAh g^-1，无法满足目前高能量密度的需求。因此，开发下一代锂电池负极材料势在必行。

金属锂由于其极高的理论比容量(3860mAh g^-1)、最低的电化学势(-3.04V)以及较小的密度(0.534g cm^-3)，被誉为锂电池负极材料的“圣杯”。以金属锂作为负极的锂金属电池，包括锂硫电池和锂空气电池等，拥有极高的能量密度。然而，锂金属负极在实际应用中面临着诸多挑战。在电池循环过程中，由于局部极化的因素，金属锂表面会产生锂枝晶，锂枝晶生长会刺穿隔膜，引发安全问题。此外，如果锂枝晶发生断裂，则会形成电化学惰性的“死锂”，造成电池容量的不可逆损失。因此，锂枝晶的生成是锂金属负极在实际应用中面临的最大障碍。目前，开发一种无枝晶的锂金属负极是实现锂金属电池规模化生产的关键之一。

MXene是一种具有类石墨烯结构的新型过渡金属碳化物或氮化物二维晶体。其化学式为M_n+1X_n，(n＝1、2、3，M为过渡金属元素，X为碳或氮元素)。此类材料通过酸选择性刻蚀层状陶瓷材料MAX相获得。MXene的表面富含-OH、-F、-O等亲锂化学官能团。但二维MXene片层极易在范德华力作用下发生不可逆堆叠及团聚，限制了其界面的高效利用。可望通过构筑一种三维MXene结构，抑制二维MXene片层的堆叠，从而实现新结构、高性能复合锂金属负极的设计构筑。

发明内容

针对现有的锂金属负极易产生锂枝晶、库伦效率低的缺点，本发明提供了一种基于MXene气凝胶的复合锂金属负极及其合成方法，制备得到的MXene气凝胶由二维MXene片层交联组装而成。MXene气凝胶具有三维多孔结构，能够有效降低电极局部电流密度，抑制金属锂的体积膨胀；同时，其表面丰富的亲锂官能团能够与锂离子特异性结合，从而可以实现锂的均匀形核，避免锂枝晶的产生，提高锂金属电池的安全性，解决困扰锂金属电池规模化生产的基础性难题。所得复合锂金属负极在电池循环过程中表现出了极高的库伦效率、极长的循环寿命且无锂枝晶形成。该合成方法绿色环保，能耗低、易控制且具有通用性，可用于规模化生产。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于MXene气凝胶的复合锂金属负极，以MXene气凝胶作为支撑材料，通过电沉积的方法将金属锂沉积到三维MXene气凝胶的孔隙中，得到复合锂金属负极。所述的MXene气凝胶由二维MXene片层化学交联而成，具备三维分级多孔结构。MXene气凝胶的孔径分布在2-100μm之间，三维MXene气凝胶的直径为14-18mm，厚度在300-800μm之间。此MXene气凝胶可直接作为复合锂金属负极的支撑材料，无需使用粘结剂制备电极。

一种基于MXene气凝胶的复合锂金属负极的合成方法，得到复合锂金属负极，具体包括如下步骤：

1)将MXene于常温常压条件下分散在水中制备分散液，分散液浓度为5-10mg mL^-1。