[发明专利]一种Mxene柔性自支撑锂空电池正极材料、Mxene柔性复合膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Mxene柔性自支撑锂空电池正极材料、Mxene柔性复合膜及其制备方法。该方法包括：通过氢氟酸或氟盐‑盐酸混合液对MAX相陶瓷材料刻蚀、超声剥离、真空抽滤，得到Mxene柔性自支撑锂空电池正极；将制备的Mxene柔性电极进一步插层处理，得到CNT插层的Mxene/CNT复合柔性电极(Mxene柔性复合膜)。本发明制备的柔性电极具有独特二维层状结构，比表面积大，电子电导率高，电化学稳定性高，可为氧气的流通和电解液的传输提供通道；经过CNT插层处理后的复合电极有效减小Mxene材料的堆叠，为放电产物提供足够储存空间。在锂空电池中有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电池电极材料技术领域，具体涉及一种Mxene柔性自支撑锂空电池正极材料、Mxene柔性复合膜及其制备方法。

背景技术

随着化石能源消耗的日益加剧，对新型清洁能源的研究迫在眉睫。电化学能源由于比能量高、循环寿命长、能量转换效率高、无污染等优点，在新能源中脱颖而出。其中，锂空气电池具有超高理论比能量密度5210Wh kg^-1(考虑氧气质量)或11400Wh kg^-1(不考虑氧气)，是传统锂离子二次电池的5～10倍，有望代替汽油成为新一代动力能源。然而，在放电过程中，锂离子从阳极迁移到正极，并与正极中的氧气反应产生固体放电产物Li₂O₂。不溶性的Li₂O₂会积聚在正极表面或孔隙之中，阻碍氧气和锂离子进一步运输，同时造成正极活性反应位点减少，导致过电位持续升高、副反应加剧，进而大幅降低电池寿命。锂空电池正极材料是影响电池性能的首要因素，因此设计比表面积大、具有足够的反应物扩散通道的空气正极至关重要。

为解决以上问题，目前锂空电池正极材料主要采用比表面积大、电导率高、多孔结构的碳材料。中国发明专利CN 104282918 A公开了一种修饰碳材料锂空气正极的制备方法，该碳材料表面包含有杂原子或者杂原子基团增大正极—电解液—氧气三相界面，有利于提高放电容量；中国发明专利CN 103367765 A公开了一种多层石墨锂空正极的制备方法，利用惰性气体高温膨胀处理石墨材料，得到孔容积高达98％的多层石墨，解决了现有石墨材料孔容积低和放电比容量低的问题。但碳材料在电池循环过程中容易在3.5V以上发生分解并与放电产物反应形成Li₂CO₃，造成容量衰减和电池极化问题。因此，有必要使用非碳材料制备锂空电池正极。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种Mxene柔性自支撑锂空电池正极材料、Mxene柔性复合膜及其制备方法。

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种Mxene柔性自支撑锂空电池正极及其制备方法。此柔性自支撑电极结构独特，比表面积较大，可实现氧气及电解液的快速运输，且无需粘接剂、可塑性和柔韧性良好。

Mxene材料是新型过渡金属碳化物/氮化物，具有优异电化学性能，已被研究应用于超级电容器、锂离子电池和锂硫电池，但目前并无锂空电池的相关应用。Mxene材料具有类石墨烯的高比表面积、高电子电导率、高充放电电化学稳定性；其独特的二维层状结构可以为氧气和电解液的流通提供通道，同时也为反应中间物和产物提供反应位点和储存空间；且无需依靠粘接剂可单独成膜，柔韧性良好，可塑性强，使其在锂空电池正极材料方面具有巨大应用潜力。因此，本发明提出使用Mxene材料制备锂空电池正极。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的Mxene柔性自支撑锂空电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将MAX相陶瓷材料浸泡在酸性液体中进行刻蚀，洗涤，得到多层Mxene粉末材料；

(2)将步骤(1)所述多层Mxene粉末材料加入水中，超声剥离处理，离心取上清液，得到Mxene分散液(少层Mxene分散液)；