[發明專利]MXene-硅復合負極材料、含其的電池及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110302648.4
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113066965A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 王曉陽;沈龍;范拯華;曾繁俊;潘福森;陳兵帥;張秀云
• 申請（專利權）人: 寧波杉杉新材料科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/58;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 王衛彬;黃益澍

本發明提供一種MXene?硅復合負極材料、含其的電池及其制備方法和應用。所述制備方法包括：將表面帶正電荷的納米硅粉與表面帶負電荷的Mxene在液相條件下混合，即得；其中，所述MXene與納米硅粉的質量比為1?10；所述納米硅粉的粒徑為10?150nm。本發明選擇MXene作為硅基負極材料的結構框架和包覆材料，形成層級結構的MXene?硅復合材料，提升硅基負極材料的整體導電性能，其可用于制備鋰電子電池，工藝簡單且利于大規模生產。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料領域，具體涉及一種MXene-硅復合負極材料、含其的電池及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池因為其能量密度高、自放電效應小、循環和倍率性能優異、綠色環保無污染而被廣泛的應用在社會的各行各業之中。近幾年以來隨著科技的發展，人們對以鋰離子電池為能量來源的3C產品和電動汽車的續航能力有了更高的要求，這對鋰離子電池帶來了機遇也帶來了挑戰。目前鋰離子電池商業化的負極材料主要為石墨，其比容量只有372mAh/g，這嚴重制約了鋰離子電池的發展，所以開發更高比容量的負極材料成為了提示聲鋰離子電池能量密度的關鍵。

硅在作為鋰離子電池負極材料時，其理論比容量可高達4200mAh/g，此外硅在地球上的儲量豐富，所以其被認為是下一代鋰離子電池負極材料。但是硅在應用過程中也存在著一些問題，最主要的問題是在電化學反應過程中其體積會發生較大的變化，從而導致活性物質從極片上脫落、電池的容量下降。此外，硅是一種半導體材料，其導電性較差，這限制了電池的倍率性能。目前解決這些問題的主要辦法是將硅納米化，稱為納米硅，其粒徑小于5nm但是較小的粒徑容易使材料團聚從而影響材料的性能。解決上述問題的主要方法是將硅與其他導電材料進行復合，在提升材料導電性的同時緩解其在脫嵌鋰時的體積變化。此外表面活性劑的加入可以在一定程度上解決納米材料團聚問題。

MXene是一種新型的二維無機化合物材料，由幾個原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構成。由于MXene材料表面有羥基或末端氧，這些基團使其表面呈負電性，同時該材料也具有過渡金屬碳化物的金屬導電性。通過濕法刻蝕制備合成的MXene具有類似手風琴的結構。因MXene具有高比表面積、高電導率和良好的親水性能等優點，廣泛應用在鋰離子電池、鈉離子電池、超級電容器、選擇性離子篩分、電磁屏蔽、生物醫學等領域中。但是，純MXene容易發生塌陷和堆垛，使用插層改性、摻雜處理或與其他材料復合等方法可以阻止其堆疊，減少離子擴散阻力，從而提高其電化學性能。

中國專利申請CN109346681A(公開日2019年2月15日)公開了一種硅基負極材料的制備方法，該專利將納米硅粉與MXene材料液相混合，之后再用瀝青將混合后的樣品進行包覆和碳化，最后獲得一種核殼結構的納米硅-MXene復合負極材料。但是該專利利用多種導電材料與硅進行復合，較長的制備流程不利于放大生產。此外，該制備過程仍然沒有解決納米硅粉的團聚問題。所以，需要開發一種制備工藝簡單、材料性能優異的鋰離子電池硅基負極材料。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是為了克服現有技術中缺少制備工藝簡單、材料性能優異的鋰離子電池硅基負極材料的不足，提供一種鋰電池的MXene-硅復合負極材料及其制備方法。本發明通過表面改性和靜電自組裝技術，在解決了納米硅粉團聚的同時，使納米硅粉和具有層狀結構的MXene靜電自組裝制備得到MXene-硅復合負極材料，制備工藝簡單，制得的MXene-硅復合負極材料結構穩定、循環性能優異。

本發明通過以下技術方案解決上述問題：

本發明的第一方面提供一種MXene-硅復合負極材料的制備方法，包括：將表面帶正電荷的納米硅粉與表面帶負電荷的Mxene在液相條件下混合，即得；

其中，所述MXene與納米硅粉的質量比為1-10；

所述納米硅粉的粒徑為10-150nm。

較佳地，所述MXene與納米硅粉的質量比為1-9；