[發(fā)明專利]一種基于MXene氣凝膠的復(fù)合鋰金屬負(fù)極及其合成方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910630387.1
• 申請(qǐng)日: 2019-07-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110429242A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-11-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫渝峰;王治宇;邱介山
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/134
• 分類號(hào): H01M4/134;H01M4/1395;H01M4/04;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/0525
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種基于MXene氣凝膠的復(fù)合鋰金屬負(fù)極及其合成方法，屬于鋰電池領(lǐng)域。該復(fù)合鋰金屬負(fù)極包括金屬鋰和MXene氣凝膠，所述的MXene氣凝膠由二維MXene片層交聯(lián)組裝而成，具有三維分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，所述的MXene氣凝膠孔隙中填充金屬鋰；所述的MXene氣凝膠的厚度為300μm?800μm。本發(fā)明制備得到的復(fù)合鋰金屬負(fù)極，其MXene氣凝膠表面豐富的親鋰官能團(tuán)能夠與鋰離子特異性結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)鋰的均勻成核，抑制鋰枝晶的生成，有效提高鋰金屬負(fù)極的庫(kù)倫效率、安全性及循環(huán)壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰電池領(lǐng)域，涉及一種基于MXene氣凝膠的復(fù)合鋰金屬負(fù)極及其合成方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池自上世紀(jì)90年代問(wèn)世以來(lái)，在智能手機(jī)、筆記本電腦以及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，石墨負(fù)極材料的理論比容量只有372mAh g^-1，無(wú)法滿足目前高能量密度的需求。因此，開(kāi)發(fā)下一代鋰電池負(fù)極材料勢(shì)在必行。

金屬鋰由于其極高的理論比容量(3860mAh g^-1)、最低的電化學(xué)勢(shì)(-3.04V)以及較小的密度(0.534g cm^-3)，被譽(yù)為鋰電池負(fù)極材料的“圣杯”。以金屬鋰作為負(fù)極的鋰金屬電池，包括鋰硫電池和鋰空氣電池等，擁有極高的能量密度。然而，鋰金屬負(fù)極在實(shí)際應(yīng)用中面臨著諸多挑戰(zhàn)。在電池循環(huán)過(guò)程中，由于局部極化的因素，金屬鋰表面會(huì)產(chǎn)生鋰枝晶，鋰枝晶生長(zhǎng)會(huì)刺穿隔膜，引發(fā)安全問(wèn)題。此外，如果鋰枝晶發(fā)生斷裂，則會(huì)形成電化學(xué)惰性的“死鋰”，造成電池容量的不可逆損失。因此，鋰枝晶的生成是鋰金屬負(fù)極在實(shí)際應(yīng)用中面臨的最大障礙。目前，開(kāi)發(fā)一種無(wú)枝晶的鋰金屬負(fù)極是實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池規(guī)模化生產(chǎn)的關(guān)鍵之一。

MXene是一種具有類石墨烯結(jié)構(gòu)的新型過(guò)渡金屬碳化物或氮化物二維晶體。其化學(xué)式為M_n+1X_n，(n＝1、2、3，M為過(guò)渡金屬元素，X為碳或氮元素)。此類材料通過(guò)酸選擇性刻蝕層狀陶瓷材料MAX相獲得。MXene的表面富含-OH、-F、-O等親鋰化學(xué)官能團(tuán)。但二維MXene片層極易在范德華力作用下發(fā)生不可逆堆疊及團(tuán)聚，限制了其界面的高效利用。可望通過(guò)構(gòu)筑一種三維MXene結(jié)構(gòu)，抑制二維MXene片層的堆疊，從而實(shí)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)、高性能復(fù)合鋰金屬負(fù)極的設(shè)計(jì)構(gòu)筑。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有的鋰金屬負(fù)極易產(chǎn)生鋰枝晶、庫(kù)倫效率低的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種基于MXene氣凝膠的復(fù)合鋰金屬負(fù)極及其合成方法，制備得到的MXene氣凝膠由二維MXene片層交聯(lián)組裝而成。MXene氣凝膠具有三維多孔結(jié)構(gòu)，能夠有效降低電極局部電流密度，抑制金屬鋰的體積膨脹；同時(shí)，其表面豐富的親鋰官能團(tuán)能夠與鋰離子特異性結(jié)合，從而可以實(shí)現(xiàn)鋰的均勻形核，避免鋰枝晶的產(chǎn)生，提高鋰金屬電池的安全性，解決困擾鋰金屬電池規(guī)模化生產(chǎn)的基礎(chǔ)性難題。所得復(fù)合鋰金屬負(fù)極在電池循環(huán)過(guò)程中表現(xiàn)出了極高的庫(kù)倫效率、極長(zhǎng)的循環(huán)壽命且無(wú)鋰枝晶形成。該合成方法綠色環(huán)保，能耗低、易控制且具有通用性，可用于規(guī)模化生產(chǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于MXene氣凝膠的復(fù)合鋰金屬負(fù)極，以MXene氣凝膠作為支撐材料，通過(guò)電沉積的方法將金屬鋰沉積到三維MXene氣凝膠的孔隙中，得到復(fù)合鋰金屬負(fù)極。所述的MXene氣凝膠由二維MXene片層化學(xué)交聯(lián)而成，具備三維分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。MXene氣凝膠的孔徑分布在2-100μm之間，三維MXene氣凝膠的直徑為14-18mm，厚度在300-800μm之間。此MXene氣凝膠可直接作為復(fù)合鋰金屬負(fù)極的支撐材料，無(wú)需使用粘結(jié)劑制備電極。

一種基于MXene氣凝膠的復(fù)合鋰金屬負(fù)極的合成方法，得到復(fù)合鋰金屬負(fù)極，具體包括如下步驟：

1)將MXene于常溫常壓條件下分散在水中制備分散液，分散液濃度為5-10mg mL^-1。