[發明專利]基于MXene與過渡金屬氮氧化物復合結構的Li2

在審

• 申請號: 202110984729.7
• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113690444A
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 王治宇;夏匯儼;邱介山
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 楊植

本發明提供一種基于MXene與過渡金屬氮氧化物復合結構的Li₂S基電池正極材料及合成方法，屬于新材料技術領域。所述Li₂S基電池正極材料由表面均勻負載過渡金屬氮氧化物納米顆粒的手風琴狀MXene三維結構組成。制備方法：通過熔融鹽蝕刻的方法，將MXene、NaCl、KCl、無機金屬鹽混合研磨，并在高溫惰性氣體下煅燒處理，快速綠色無污染的制備MXene，取出后經過清洗除雜，最后在NH₃氛圍下高溫煅燒，得到表面均勻負載過渡金屬氮氧化物納米顆粒的手風琴狀MXene三維結構，其結構、成分均可調。本發明合成方法工藝簡單，綠色環保，能耗低、易控制且具有通用性，可用于大規模工業化推廣應用；所得正極材料在Li₂S基電池中表現出高比容量、優異的循環穩定性和倍率性能。

技術領域

本發明屬于新材料技術領域，涉及一種基于MXene與過渡金屬氮氧化物復合結構的Li₂S基電池正極材料及合成方法。

背景技術

近年來，鋰離子電池已經被廣泛應用于電子消費品、電動汽車，規?；瘍δ艿阮I域。但是其較低的能量密度已經難以滿足日益增長的儲能需求。在諸多電化學儲能體系中，鋰硫電池因為其高的理論比容量(1675mAhg^-1)和高的能量密度(2500Whkg^-1)脫穎而出，是傳統鋰離子電池的3-5倍。

在不同的富含硫的正極材料中，Li₂S是唯一的硫的完全鋰化態正極材料，這使得它具備很多優勢：(1)可以與各種無鋰負極材料(如石墨，硅，錫等)進行配對，從而組成全電池，可以避免很多由鋰金屬負極所帶來的安全以及反應不充分的問題；(2)較高的理論比容量1166(mAhg^-1)；(3)充放電過程中無體積膨脹效應，可以有限避免電極材料破碎造成電池失效，穩定性好；(4)熔點高(938℃)，能夠適應多種電極制備條件。

MXene是一種新型的過渡金屬碳化物或氮化物二維晶體，具有與石墨烯類似的二維結構。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)。最初的制備方法是使用HF除去A層金屬元素進行蝕刻，此方法具有一定的危險性，且制備時間較長。使用熔鹽法對于MXene進行蝕刻，可以大大減少蝕刻MAX相所需要的時間，并且全程無污染，綠色環保。并且通過調節熔融鹽的陰離子以及處理方法和時間，可以進一步調控MXene表面的官能團，為后續處理提供更多的可能。

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與過渡金屬氮氧化物復合結構的Li₂S基電池正極材料及合成方法，制備得到的電極材料總體結構為MXene未剝離前的手風琴狀結構，在其表面均勻分布著過渡金屬氮氧化物的納米顆粒。制備MXene的過程快速綠色環保無污染，制備MXene之后的處理過程中使用的強氧化性物質使得MXene表面富含-O化學官能團，其對于多硫化物吸附有著僅次于-S化學官能團的強度，并且可以顯著降低多硫化物的分解能壘。同時在后續氮化過程中引入的電負性的N原子可以與陽離子Li⁺相互作用，從而進一步增強對于多硫化物的吸附，兩者起到協同作用。所得到的正極材料在Li₂S基電池中表現出高比容量，優異的循環穩定性和倍率性能。該合成方法工藝簡單，綠色環保，易于控制且具有通用性，可用于大規模工業化的推廣應用。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種基于MXene與過渡金屬氮氧化物復合結構的Li₂S基電池正極材料，所述的Li₂S基電池正極材料由表面均勻負載過渡金屬氮氧化物納米顆粒的手風琴狀MXene三維結構組成；即該正極材料主體為MXene的手風琴結構，在手風琴結構表面均勻負載過渡金屬氮氧化物納米顆粒。

所述的過渡金屬氮氧化物包括鈮、鈦、釩的氮氧化物中的一種。