[發明專利]一種基于MXene納米帶的復合鋰金屬負極及其制備方法

有效

• 申請號: 202010082823.9
• 申請日: 2020-02-07
• 公開（公告）號: CN111293276B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 王治宇;邱介山;孟祥玉;劉鈺昭
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/1395;H01M4/66;H01M10/052;H01M4/04
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;溫福雪

一種基于MXene納米帶的復合鋰金屬負極及其制備方法，屬于鋰電池領域。MXene納米帶由二維MXene納米片沿軸向交錯搭接而成。制備方法：利用靜電紡絲機制備核殼結構MXene/聚合物復合纖維，利用不同聚合物溶解度的差異性，采用水溶劑選擇性除去內核的高分子聚合物，同時殼層展開，即可獲得結構、尺寸可控的MXene納米帶結構。通過電沉積法將鋰金屬沉積到MXene納米帶組建的三維集流體的孔隙或空腔內得到復合鋰金屬負極。本發明制備的MXene納米帶結構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，MXene表面豐富的親鋰官能團能夠與鋰離子特異性結合，實現鋰的均勻形核，抑制鋰枝晶的產生，提高鋰金屬電池的安全性，解決困擾鋰金屬電池規模化生產的基礎性難題。

技術領域

本發明屬于鋰電池領域，涉及一種基于MXene納米帶的復合鋰金屬負極及其制備方法。

背景技術

傳統的鋰離子電池在智能手機、筆記本電腦及電動汽車等領域應用廣泛，但受限于有限的能量密度，其發展已經不能滿足目前對高能量密度儲能系統的需求。因此，開發新型高效的儲能系統尤為重要。

鋰金屬電池是一種新興的二次電池，金屬鋰具有高達3860mAh g^-1的理論比容量，-3.04V的低化學電勢。將金屬鋰負極與硫、氧氣等高容量正極材料匹配，組建的鋰硫電池和鋰空氣電池具有極高的能量密度。然而，鋰金屬負極在實際應用中面臨著諸多挑戰。在電池循環過程中，由于局部電流密度不均，導致金屬鋰不均勻沉積形成鋰枝晶，鋰枝晶生長會刺穿隔膜，引發電池短路失效，甚至發生爆炸。此外，如果鋰枝晶發生斷裂，則會形成電化學惰性的“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極在實際應用中面臨的最大障礙。目前，開發一種無枝晶的鋰金屬負極是實現鋰金屬電池走向實際應用的關鍵之一。

MXene是一種具有與石墨烯類似的二維結構的一種新型的過渡金屬碳化物或氮化物二維晶體，其化學式為M_n+1X_n，(n＝1、2、3，M為過渡金屬元素，X為碳或氮元素)。這類材料通過酸選擇性刻蝕層狀陶瓷材料MAX相獲得，具有優異的電學，力學，磁學等性能，在能源存儲、智能穿戴和電磁屏蔽等領域具有極大的應用潛力。MXene的表面富含-OH、-F、-O等親鋰化學官能團。可望通過構筑一種由二維MXene片交錯搭接形成二維MXene納米帶結構，從而實現新結構、高性能復合鋰金屬負極的設計構筑。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提出一種基于MXene納米帶的復合鋰金屬負極及其制備方法，所述的MXene納米帶由二維MXene片交錯搭接而成。該方法制備MXene納米帶結構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，MXene表面豐富的親鋰官能團能夠與鋰離子特異性結合，從而可以實現鋰的均勻形核，避免鋰枝晶的產生，提高鋰金屬電池的安全性，解決困擾鋰金屬電池規模化生產的基礎性難題。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種基于MXene納米帶的復合鋰金屬負極，所述復合鋰金屬負極由鋰金屬沉積到MXene納米帶組建的三維集流體的孔隙或空腔內制備得到；其中，所述MXene納米帶由二維MXene片沿納米帶軸向交錯搭接而成，MXene納米帶寬度在0.5-1μm之間，厚度在0.02-0.05μm之間。所述的MXene納米帶為結構通式為M_n+1X_n或(M₁,M₂)_n+1X_n或M_n+1(X₁,X₂)_n中的一種或兩種以上的組合。

所述的M_n+1X_n中，M＝Ti,Nb,V,Mo,Zr,Cr,W,Ta；n＝1,2,3；X＝C,N。