CN108682812A - 一种MXene包覆硅的复合电极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MXene包覆硅复合电极材料及其制备方法，属于电池负极材料的制备技术领域。所述复合电极材料由MXene相材料和硅构成，且MXene相材料包覆在硅的表面；所述制备方法包括如下步骤：（1）先配置MXene相材料的水溶液，然后加入阳离子表面活性剂，搅拌；（2）向步骤（1）中的溶液中加入硅粉，搅拌、过滤、干燥，即可得MXene包覆硅的复合物。本发明将MXene材料包覆在了硅表面，克服了硅导电性差的问题，使本发明制备的硅导电性、循环稳定性更好，有效提升了电池的电化学性能和安全性。

Description

一种MXene包覆硅的复合电极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电池负极材料的制备技术领域，具体涉及一种MXene包覆硅的复合电极材料及其制备方法。
背景技术
锂电池由于其高的比能量、自放电小、绿色环保、循环寿命长等优点，已经作为电动汽车和电池产品最有前景的电源体系；目前锂电池常用的负极主要是石墨类材料，其理论容量只有372mAh/g，这严重限制了锂电池的性能的整体提高，所以开发新型的比能量高的负极材料尤为重要。
金属硅和锂可以形成硅锂合金(Li4.4Si)，其理论比容量达到了4212mAh/g，并且硅的储量丰富，来源广泛，是一种理想的锂电池负极材料。但是硅作为负极材料也有一些缺点：(1)价格昂贵，制备困难。通常纳米的硅通常是由高能球磨法或CVD法制得的，所用设备昂贵，产率低，成本高。(2)金属硅在储锂过程中体积膨胀，从而造成极片粉化脱落，导致电池性能衰减。(3)硅是一种半导体材料，导电性能较差，限制了其倍率性能。
将硅与一些高导电性材料复合是解决上述问题的有效方法。例如，专利201410064482.7公开了一种碳硅复合电极材料及其制备方法，其在含碳粒子与含硅粒子的表面分别包覆有机高分子修饰膜，以提升含碳粒子表面的含硅粒子的有效分散性。尽管这种方法既能解决硅存在的问题，又能提高硅的导电性，且成本低、具有良好电化学性能，能够有效的提高电池的能量密度。但是上述专利文献对硅的导电性能提升有限。因此，开发一种高导电性的电池负极材料尤为重要。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种MXene包覆硅的复合电极材料及其制备方法。本发明将MXene材料包覆在了硅表面，克服了硅导电性差的问题，使本发明制备的硅导电性、循环稳定性更好，有效提升了电池的电化学性能和安全性。
本发明的目的之一是提供一种MXene包覆硅复合电极材料。
本发明的目的之二是提供一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法。
本发明的目的之三是提供一种包含本发明复合电极材料的一种锂离子电池。
本发明的目的之四是提供MXene包覆硅复合电极材料及其制备方法、包含本发明复合电极材料的一种锂离子电池的应用。
为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种MXene包覆硅复合电极材料，所述复合电极材料由MXene相材料和硅构成，且MXene相材料包覆在硅的表面。
所述MXene相材料的分子式为Ma+1Xa，其中，M原子层六方密堆积，X原子填充在八面体空位形成MX层，M选自Ti、Zr、Nb、Cr、Mo、V、Ta中的一种或两种以上的混合物；X为C或/和N。
优选的，所述MXene相材料包括：Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN、Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN中的一种或两种以上的混合物。
其次，本发明公开了一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)先配置MXene相材料的水溶液，然后加入阳离子表面活性剂，搅拌；
(2)向步骤(1)中的溶液中加入硅粉，搅拌、过滤、干燥，即可得MXene包覆硅的复合物。
步骤(1)中，所述MXene相材料的分子式为Ma+1Xa，其中，M原子层六方密堆积，X原子填充在八面体空位形成MX层，M选自Ti、Zr、Nb、Cr、Mo、V、Ta中的一种或两种以上的混合物；X为C或/和N。
优选的，所述MXene相材料包括Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN、Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN等。
步骤(1)中，所述MXene水溶液的浓度是0.1-50wt％。
步骤(1)中，所述阳离子表面活性剂为四丁基氢氧化铵、十四烷基-二甲基吡啶溴化铵、十六烷基苯磺酸钠、二烷基乙醇胺酯甲基硫酸甲酯胺、三烷基氯化铵、三十六烷基甲基氯化铵、三烷基甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酸二乙胺基乙酯氯化铵、三乙醇胺双硬脂酸酯甲基硫酸甲酯铵中的一种或两种以上的混合物。
步骤(2)中，所述硅粉占复合物质量的1-90wt％。
步骤(2)中，所述干燥为真空干燥，干燥温度为60-150℃。
再次，本发明公开了一种锂离子电池，包括正极、负极、电解液，其特征在于：所述负极为本发明制备的MXene包覆硅的复合电极材料。
所述正极包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、锂镍钴氧、锂镍钴锰氧等。
所述电解液为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、联苯(BP)，碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、1、3-丙磺酸内酯(PS)、1、4-丁磺酸内酯(BS)、1、3-(1-丙烯)磺内酯(PST)、亚硫酸乙烯酯(ESI)、硫酸乙烯酯(ESA)、环己基苯(CHB)、叔丁基苯(TBB)、叔戊基苯(TPB)和丁二氰(SN)中的任意一或几种与锂盐组成的混合液；
所述锂盐为四氟硼酸锂(LiBF4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、双三氟磺酰胺锂(LiN(SO2CF3)2)、双氟磺酰胺锂(LiFSI)、双乙二酸硼酸锂(LiBOB)、三氟甲磺酸锂(LiSO3CF3)中的一种或几种的混合物。
最后，本发明还公开了MXene包覆硅复合电极材料及其制备方法、锂离子电池在汽车、电动车中的应用。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)本发明将MXene材料包覆在了硅表面，克服了硅导电性差的问题，使本发明制备的硅导电性、循环稳定性更好，经测试，本发明制备的硅/Ti3C2复合物在循环50周后容量剩余2486mAh g-1，容量保持率为91.4％，而单纯的Si粉在200mA g-1的电流密度下，循环50周后容量仅剩余456mAh g-1，容量保持率为16.7％，可以看出，本发明极大地提高了Si粉的循环性能，能够有效提升电池的电化学性能和安全性。
(2)本发明的制备工艺简单、成本低，极大地提高了负极材料的生产效率高，能更好地满足工业化生产的需要，实现大规模生产，极具应用前景。
(3)本发明的制备方法简单、导电效率高、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为实施例1中Ti3C2的XRD图。
图2为实施例1中Si粉的XRD图。
图3为实施例1中硅/Ti3C2复合物的XRD图。
图4为实施例1中Ti3C2的SEM图。
图5为实施例1中Si粉的SEM图。
图6为实施例1中硅/Ti3C2复合物的SEM图。
图7为实施例1中Si粉的循环图。
图8为实施例1中硅/Ti3C2复合物的循环图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有的方法对硅的导电性能提升有限，无法使硅的潜能发挥出来，因此，本发明提出了一种MXene包覆硅复合电极材料及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取10g质量分数为10％的Ti3C2的水溶液，加入0.1g四丁基氢氧化铵，搅拌均匀；
(2)然后在步骤(1)的溶液中加入1g硅粉，搅拌，过滤，70℃真空箱干燥，即可得到硅/Ti3C2复合电极材料。
实施例2
一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取10g质量分数为20％的Ti2C的水溶液，加入1g四丁基氢氧化铵，搅拌均匀；
(2)然后在步骤(1)的溶液中加入0.5g硅粉，搅拌，过滤，80℃真空箱干燥，即可得到硅/Ti2C复合电极材料。
实施例3
一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取10g质量分数为40％的Ti3CN的水溶液，加入0.1g十四烷基-二甲基吡啶溴化铵，搅拌均匀；
(2)然后在步骤(1)的溶液中加入1g硅粉，搅拌，过滤，100℃真空箱干燥，即可得到硅/Ti3CN复合电极材料。
实施例4
一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取10g质量分数为40％的TiC的水溶液，加入1g十六烷基苯磺酸钠，搅拌均匀；
(2)然后在步骤(1)的溶液中加入1g硅粉，搅拌，过滤，100℃真空箱干燥，即可得到硅/TiC复合电极材料。
实施例5
一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取10g质量分数为50％的Nb4C3的水溶液，加入0.5g二烷基乙醇胺酯甲基硫酸甲酯胺，搅拌均匀；
(2)然后在步骤(1)的溶液中加入1g硅粉，搅拌，过滤，90℃真空箱干燥，即可得到硅/Nb4C3复合电极材料。
实施例6
一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取10g质量分数为20％的Nb2C的水溶液，加入0.2g三烷基氯化铵，搅拌均匀；
(2)然后在步骤(1)的溶液中加入1g硅粉，搅拌，过滤，100℃真空箱干燥，即可得到硅/Nb2C复合电极材料。
实施例7
一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取10g质量分数为0.1％的Ti3C2的水溶液，加入0.1g四丁基氢氧化铵，搅拌均匀；
(2)然后在步骤(1)的溶液中加入0.09g硅粉，搅拌，过滤，60℃真空箱干燥，即可得到硅/Ti3C2复合电极材料。
实施例8
一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取10g质量分数为1％的Ti2C的水溶液，加入1g四丁基氢氧化铵，搅拌均匀；
(2)然后在步骤(1)的溶液中加入0.001g硅粉，搅拌，过滤，150℃真空箱干燥，即可得到硅/Ti2C复合电极材料。
实施例9
一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取10g质量分数为30％的Ti3CN的水溶液，加入0.1g十四烷基-二甲基吡啶溴化铵，搅拌均匀；
(2)然后在步骤(1)的溶液中加入7g硅粉，搅拌，过滤，120℃真空箱干燥，即可得到硅/Ti3CN复合电极材料。
实施例10
一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取10g质量分数为50％的TiC的水溶液，加入1g十六烷基苯磺酸钠，搅拌均匀；
(2)然后在步骤(1)的溶液中加入5g硅粉，搅拌，过滤，140℃真空箱干燥，即可得到硅/TiC复合电极材料。
性能测试：
将实施例1制备的复合电极材料制备成负极材料，组装成锂电池，测试负极的循环性能，测试所用的是半电池，采用锂片作为对电极和参比电极，电解液用LiPF6/EC+DEC，
作为对比，本发明还组装了另一种锂电池，区别在于负极材料为未包覆Ti3C2的硅粉。
测试结果如图7和8所示，从图7中可以看出：硅粉在200mAg-1的电流密度下，循环50周后容量剩余456mAhg-1，容量保持率为16.7％，说明Si粉的循环性很差。由图8可以看出：硅/Ti3C2复合物200mAg-1的电流密度下，循环50周后容量剩余2486mAhg-1，容量保持率为91.4％，循环性相对于未包覆Ti3C2的硅粉提高了5.47倍，使硅粉的循环性能得到了大幅度提升。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MXene包覆硅复合电极材料，其特征在于：所述复合电极材料由MXene相材料和硅构成，且MXene相材料包覆在硅的表面。
2.如权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于：所述MXene相材料的分子式为Ma+1Xa，M选自Ti、Zr、Nb、Cr、Mo、V、Ta中的一种或两种以上的混合物；X为C或/和N；
优选的，所述MXene相材料包括Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN、Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN中的一种或两种以上的混合物。
3.一种MXene包覆硅复合电极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)先配置MXene相材料的水溶液，然后加入阳离子表面活性剂，搅拌；
(2)向步骤(1)中的溶液中加入硅粉，搅拌、过滤、干燥，即可得MXene包覆硅的复合物。
4.如权利要求3所述的复合电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述MXene相材料的分子式为Ma+1Xa，M选自Ti、Zr、Nb、Cr、Mo、V、Ta中的一种或两种以上的混合物；X为C或/和N；优选的，所述MXene相材料包括Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN、Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN。
5.如权利要求3所述的复合电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述阳离子表面活性剂为四丁基氢氧化铵、十四烷基-二甲基吡啶溴化铵、十六烷基苯磺酸钠、二烷基乙醇胺酯甲基硫酸甲酯胺、三烷基氯化铵、三十六烷基甲基氯化铵、三烷基甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酸二乙胺基乙酯氯化铵、三乙醇胺双硬脂酸酯甲基硫酸甲酯铵中的一种或两种以上的混合物。
6.如权利要求3所述的复合电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述干燥为真空干燥，干燥温度为60-150℃。
7.如权利要求3所述的复合电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述MXene水溶液的浓度是0.1-50wt％。
8.如权利要求3-7任一项所述的复合电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述硅粉占复合物质量的1-90wt％。
9.一种锂离子电池，包括正极、负极、电解液，其特征在于：所述负极为如权利要求1或2所述的MXene包覆硅的复合电极材料，或者如权利要求3-8任一项所述的复合电极材料的制备方法；
优选的，所述正极包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、锂镍钴氧、锂镍钴锰氧等；
优选的，所述电解液为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、联苯，碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、1、3-丙磺酸内酯、1、4-丁磺酸内酯、1、3-(1-丙烯)磺内酯、亚硫酸乙烯酯、硫酸乙烯酯、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯和丁二氰中的任意一或几种与锂盐组成的混合液；
优选的，所述锂盐为四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、双三氟磺酰胺锂、双氟磺酰胺锂、双乙二酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂中的一种或几种的混合物。
10.如权利要求1或2所述的MXene包覆硅的复合电极材料和/或如权利要求3-8任一项所述的复合电极材料的制备方法在汽车、电动车中的应用。
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