[发明专利]一种电池负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种电池负极材料及其制备方法和应用。本发明提供了一种电池负极材料，包括MXene和生长在所述MXene表面的NiFe‑LDH；所述NiFe‑LDH中Ni和Fe的总物质的量与所述MXene的物质的量之比为1：(0.5～2.5)。根据实施例的记载，本发明所述的电池负极材料具有较高的比容量、较好的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种电池负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源消耗和环境污染是当今社会人类面临的两大问题，在过去的十年中，中国一次性能源消耗的总量一直处于增长趋势，同时这些能源的消耗带来了一系列环境污染和生态问题。因此，发展可持续、清洁的新型能源，如太阳能、风能、潮汐能等非常重要。尽管可再生能源在过去10年取得了令人印象深刻的增长和发展，但这些能源分布不均匀、转化效率低、直接供应不稳定，受到时间和空间的限制，难以大规模推广和使用。因此，迫切需要新的绿色高效、大规模的能源转化和储存器件。锂离子电池作为一种新型储能材料具有很多独特的优势，如较高的电压、较长的使用寿命、环境友好性、无记忆效应等，这些使它在众多的能源储存技术中脱颖而出，在电动汽车和便捷式电子设备中有广泛的应用前景。作为锂离子电池的重要组成部分之一，电极材料在很大程度上影响锂离子电池的性能。因此设计和研发具有更稳定的结构和更高性能的锂离子电池负极材料并将其应用到锂离子电池中是非常必要的。目前商用石墨负极材料的理论比容量为372mAh/g，已经无法满足人们日益增长的需求，因此研发具有高容量、长寿命、环境友好的负极材料至关重要。

2011年美国德雷塞尔大学的Gogotsi教授和Barsoum教授共同报道了一种新型过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物(MXene)。MXene是通过选择性蚀刻MAX相中A层元素获得，MAX相是一类具有M_n+1AX_n通式的三元层状碳化物、氮化物或碳氮化物，其中M代表前过渡金属元素(如Ti、Sc、Zr、V、Nb、Cr、Mo等)，A代表ⅢA或ⅣA元素，X代表C或N，n为1、2或3。随着A元素的去除，M_n+1X_n层保留了其层状结构特征，且层间作用力明显减小，使其可以进一步被剥离成少层或单层的二维材料。在二维材料中，MXene有着独特的优势，一方面它们具有陶瓷的特性，在化学和机械上都很稳定；另一方面由于蚀刻后每个晶格的Ti有两个裸露配位，而反应体系在含HF的水溶液中进行，因此去除的A元素将被F、OH或O取代，它们吸附在MXene表面形成表面官能团，使得MXene具有表面亲水性。此外MXene还具有导电性好和结构开放等优点，非常适合制备电极材料，但在实际应用中还存在一些挑战。如MXene易发生自堆叠，导致导电率和比表面积严重下降，另一方面Gogotisi教授课题组通过DFT计算出Ti₃C₂ MXene的理论容量为320mAh/g，但由于表面官能团-OH或-F的存在，Ti₃C₂ MXene的容量仅为130或67mAh/g。因此，对MXene进行改性，是发展先进储能材料的有效策略。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电池负极材料及其制备方法和应用，所述电池负极材料具有较高的比容量和较好的循环稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种电池负极材料，包括MXene和生长在所述MXene表面的NiFe-LDH；

所述NiFe-LDH中Ni和Fe的总物质的量与所述MXene的物质的量之比为1：(0.5～2.5)。

优选的，所述NiFe-LDH的层间阴离子为SO₄^2-、Cl^-、OH^-、CO₃^2-和NO₃^-中的一种或几种。