[發明專利]一種Si@MXene納米復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010870633.3
• 申請日: 2020-08-26
• 公開（公告）號: CN111969193B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 王慧奇;茍立;李瑩;王美;張錦芳;賈素萍;張會念;曹紅紅;胡勝亮
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 太原華弈知識產權代理事務所 14108
• 代理人: 馬秦鎖

本發明公開了一種Si@MXene納米復合材料及其制備方法，Si@MXene材料由MXenes和負載于其上的納米硅，以及表面包覆的硬碳層組成。所述Si@MXene是由三維MXene與改性納米硅溶液混合，滴加至有機聚合物溶液中，分離出固體產物并于惰性氣氛下退火處理得到的復合材料。本方法能將MXene改變為三維結構后與改性硅復合，制備出納米片孔隙和通道更大、層間距更大、活性位點更多的納米復合材料，將該復合材料作為鋰/鈉離子電池負極材料，可以進一步提高電池的容量及倍率。

技術領域

本發明涉及電池負極材料領域，具體涉及一種Si@MXene納米復合材料及其制備方法。

背景技術

MXene是一種類石墨烯材料，分子式為M_n+1X_n，其中M為前過渡金屬元素，至少包括Ti、Mo、Zr、V等元素中的一種。X為C或/和N。MXene原子間為混合鍵，因此導電性和導熱性優異。簡單的實驗條件下即可實現層間距的調控和材料維度的轉變，這將有利于離子的嵌入-脫出并減弱自堆疊現象。同時表面含有豐富的官能團，通過對其的調控，即可與其他材料復合而拓展應用領域。然而諸如石墨烯、過度金屬氧化物、MXene等二維材料均存在納米片層的團聚和堆疊現象，這些都不利于電解液的浸入和金屬離子的遷移，增大了電阻，限制了其在電化學儲能中的應用。

常用的電池負極材料有碳類負極、硅基負極和鋰金屬負極材料。其中，硅的理論容量高達4200mAh/g，超過石墨的372mAh/g的十倍以上，復合成復合材料后能有效地增強電化學性能，是目前發現的理論克容量最高的負極材料。然而單獨作為導電材料的硅導電性差、且充放電中存在明顯的體積膨脹，致使含硅材料在循環工作中硅脫離基體、材料粉化、結構被破壞，進而電池性能衰減，縮短使用壽命。目前常用的解決方法是直接使用硬碳類物質作為鈉電池負極材料，或利用噴膜等方法將硅簡單包覆后再復合或者復合后再包覆，能增加結構的穩定性。

有研究者試圖將MXene與硅復合，然而后續實驗操作和充放電工作中硅又易脫離MXene。并且還存在硅的體積膨脹致使MXene納米片碎裂，結構坍塌的問題。專利CN108682812A提供了一種MXene包覆硅的合成方法，使用陽離子表面活性劑將MXene片層改性成正電性，再包覆于硅顆粒的表面。有效地解決硅的存在問題并提升了導電性，對鋰離子電池容量的提升明顯。但是硅在充放電工作中體積膨脹導致的材料粉化結構破壞問題依舊存在，并且硅的負載量不高且分散不均勻，容易團聚。因此并沒有成功完善硅和MXene作為電池負極材料的應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種Si@MXene納米復合材料及其制備方法，將MXene轉變為三維結構后與改性硅復合，制備納米片孔隙和通道更大、層間距更大、活性位點更多的納米復合材料，提高提高電池的容量及倍率。

本發明所述Si@MXene納米復合材料，由MXenes和負載于其上的納米硅，以及表面包覆的硬碳層組成。

所述Si@MXene是由三維MXene與改性納米硅溶液混合，滴加至有機聚合物溶液中，分離出固體產物，200-500℃惰性氣氛下退火處理得到的復合材料。

其中，所述的三維MXene由MXene與過氧化氫在堿性水溶液中水熱反應得到。

制備Si@MXene納米復合材料的方法包括以下步驟：

將MXene均勻分散于堿性水溶液中，加入氧化劑過氧化氫進行水熱合成反應，反應產物干燥后得到三維MXene；

以分散劑分散所述三維MXene得到三維MXene分散液；

將改性納米硅溶液加入到所述三維MXene分散液中混合均勻得到復合溶液；

將所述復合溶液滴加至有機聚合物溶液中進行有機聚合物的包覆，分離出包覆產物并干燥；