[發(fā)明專利]一種空位三元金屬MAX相的制備方法及其應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN111977655B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王詩文;丁軍偉;吳詩德;方少明;張勇;王恒;韓莉鋒;羅河偉;楊許召;郭東杰;韓光魯;平丹
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州輕工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C01B32/90
• 分類號: C01B32/90;H01M4/58;H01M10/36
• 代理公司: 鄭州優(yōu)盾知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 41125
• 代理人: 張志軍

本發(fā)明涉及一種空位三元金屬MAX相的制備方法及其應(yīng)用，該材料以三元金屬MAX相（V₂TiAlC₂、V₂Ti₂AlC₃、Mo₂VAlC₂和Mo₂V₂AlC₃）為原料，通過在水系鋅離子電池中首次原位充電活化法制備而成；在首次原位充電活化過程中三元金屬MAX相中的鈦和鋁或鉬和鋁不發(fā)生變化，而三元金屬MAX相中的釩由于會發(fā)生溶解，進而產(chǎn)生釩空位。通過控制首次充電過程中的電流密度和充電時間實現(xiàn)三元金屬MAX相中釩空位的數(shù)量的可控調(diào)節(jié)；同時鈦和鋁或鉬和鋁具有支撐整個空位三元金屬MAX相晶格框架的作用，該空位三元金屬MAX相用作鋅離子電池正極材料時，比容量高于400mAh/g，且具有良好的循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空位三元金屬MAX相的制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋅離子電池采用水系電解液體系，其具有安全、環(huán)保、成本低廉等優(yōu)異性能吸引了研究人員們的越來越多的注意力。其主要使用具有層狀結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)、尖晶石結(jié)構(gòu)的釩基和錳基化合物作為正極材料，以鋅作為負極，含有鋅離子水溶液作為電解液。通過鋅離子在正極結(jié)構(gòu)中的可逆嵌入和脫出來實現(xiàn)電池的充放電。釩基化合物作為鋅離子電池正極材料，具有高的儲鋅比容量，倍率性能優(yōu)異等顯著的優(yōu)點，且釩在地殼中的儲量豐富，價格低廉。但釩基正極材料同樣存在著一些問題，如晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致晶格塌陷進以及電池容量的衰減。

近年來，空位特別是陽離子空位已被廣泛用于有效儲存鋰離子、鈉離子和鉀離子，空位結(jié)構(gòu)具有大的離子儲存空間，而且陽離子空位周圍負電荷環(huán)境，有利于陽離子的快速穩(wěn)定儲存，從而有助于性能的提高和循環(huán)穩(wěn)定性的增強。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中三元金屬MAX相晶格結(jié)構(gòu)中排列堆積緊密，不能作為有效鋅離子電池正極材料的不足，提供一種通過在水系鋅離子電池中首次原位充電活化制備空位三元金屬MAX相的方法，進而用于鋅離子電池正極材料。

為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

一種空位三元金屬MAX相的制備方法，以雙金屬三元金屬MAX相（V₂TiAlC₂、V₂Ti₂AlC₃、Mo₂VAlC₂或Mo₂V₂AlC₃）為原料，通過在水系鋅離子電池中首次原位充電活化制備；根據(jù)本發(fā)明的一個具體和優(yōu)選方面，所述空位三元金屬MAX相的制備方法包括如下步驟：

（1）三元金屬MAX相、乙炔黑和聚偏二氟乙烯以8:1:1的質(zhì)量比用氮甲基吡咯烷酮為分散劑均勻涂在鈦箔或鈦網(wǎng)上，在80℃~120℃下真空干燥12小時，而后用壓機在5~10 兆帕下壓1~2分鐘，得到壓實的三元金屬MAX相電極片，面負載量為1~15 mg /cm²；

（2）以三元金屬MAX相電極片為正極，鋅片為負極，三氟甲烷磺酸鋅或硫酸鋅水溶液為電解液，組成鋅離子電池，在10~500mA/g的電流密度下，首次恒流充電時間為1~100小時，經(jīng)過首次原位充電活化即可得到具有釩空位的三元金屬MAX相。

進一步地，所述步驟（1）中三元金屬MAX相為V₂TiAlC₂、V₂Ti₂AlC₃、Mo₂VAlC₂或Mo₂V₂AlC₃中的一種。