[发明专利]一种二维碳化钛-氧化锌复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种二维碳化钛‑氧化锌复合材料的制备方法及其应用，包括如下步骤：(1)将LiF和盐酸溶液混合均匀，再加入前驱体Ti₃AlC₂，其中的铝被原位生成的HF刻蚀，反应完后加入乙醇并离心若干次，获得沉淀，将该沉淀烘干后，获得表面带有封端基团的二维碳化钛Ti₃C₂T_x；(2)将乙酸锌和葡萄糖充分分散于无水乙醇中，获得混合溶液，然后加入二维碳化钛Ti₃C₂T_x，进行溶剂热反应，获得粗产物；(3)将粗产物煅烧，即得所述二维碳化钛‑氧化锌复合材料。本发明制得的二维碳化钛‑氧化锌复合材料中引入的低过电位的过渡金属氧化物促进了钠沉积的均匀性，减少枝晶的生成，增加了电极材料本身的稳定性，有望提高钠金属电池的性能。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，具体涉及一种二维碳化钛-氧化锌复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

过渡金属碳化物或氮化物(MXene)作为一种新型二维材料，因其导电性好、机械性能优异等优点，在电极材料领域展现出广阔的应用前景。通过刻蚀前驱体(Ti₃AlC₂)去除其中结合较弱的铝获得二维碳化钛(Ti₃C₂T_x)，这是一种典型的MXene材料，在刻蚀时其表面获得不定量(x)的各种官能团如-OH、-O、-F等(统一用T表示)，其优异的导电性、较好的亲水性和丰富可调的表面官能团，非常适合用于电极材料。近年来，随着移动设备、车辆电气化、电网存储、5G信息传输技术和可穿戴电子设备的快速发展，成熟商用锂离子电池中石墨负极理论容量偏低，已经难以满足高速增长的能量密度、功率密度需求。此外地球上的锂资源储量较稀少并且分布不均衡，75％以上的已探明储量都分布在我国域外，影响国家产业链安全和能源安全，因此，十分有必要开发不依赖于稀有资源且成本较低的储能材料及其关键技术。

钠和锂在元素周期表中位于同一族，具有相似的化学性质，因此理论上钠离子电池与锂离子电池具有类似的工作原理，而且钠元素在储量和成本方面具有更大的优势，如果能实现应用，将大幅度缓解因为锂资源储量有限、价格不断攀升带来的能源危机问题。然而钠离子相较于锂离子半径更大，嵌入活性材料时所需能量更高或者动力学特性较差，且嵌入后造成的体积膨胀更大，因此优秀活性材料仍然缺失，使得钠离子电池发展受到很大制约。因此考虑到金属钠高达1166mA h g^-1的理论比容量，和其-2.714V(标准氢电极)的低还原电势，业界逐渐将研发重心转移到直接将金属钠作为负极，且在相同体积的情况下，使用金属钠作为负极时可以匹配更多的正极活性材料，从而进一步提高电池(称为钠金属电池)的能量密度。

利用其环境友好、低成本等优势，钠金属电池有望在循环寿命、能量密度等方面优于现有的锂离子电池。然而当前钠金属负极倍率性能和循环稳定性还远达不到锂离子电池的水平，主要原因是钠金属负极容易失效：首先金属钠在反复充放电的过程中，在界面位置不均匀沉积易形成枝晶，随着枝晶的生长，有可能刺破隔膜形成电池短路导致安全问题；其次枝晶生长过长时容易断裂形成“死钠”不再参与充放电循环，引起不可逆的容量损失；再次形成的SEI膜不稳定容易破裂，新裸露的钠金属导致电解液持续分解；最后充放电过程中金属钠自身无骨架的特性会造成巨大的体积变化，导致负极结构的不稳定。这些问题会导致钠金属电池的循环寿命短、库仑效率低、能量密度低、甚至短路发生安全事故，阻碍了钠金属电池性能的进一步提升。解决这些挑战的策略之一是将合适的材料结合到金属钠骨架共同作为负极来提高钠沉积性能和电极结构稳定性。

发明内容

本发明目的在于提供一种二维碳化钛-氧化锌复合材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述二维碳化钛-氧化锌复合材料的应用，解决部分现有钠金属电池技术缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种二维碳化钛-氧化锌复合材料的制备方法，包括如下步骤：