CN111952568A - 一种三明治结构复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三明治结构复合材料及其制备方法和应用。包括Nb2C和氮掺杂碳纳米管(N‑CNT)，Nb2C为二维风琴状，N‑CNT夹在Nb2C片层之间。提高了Nb2C的导电能力，N‑CNT的***，避免了Nb2C片层结构之间的堆叠，N‑CNT提高了Nb2C的离子传输能力，提高了电化学反应面积。制备方法为：Nb2AlC经过刻蚀后得到Nb2C；Nb2C分散到水中后得到Nb2C胶体溶液；N‑CNT溶液与Nb2C胶体溶液混合进行自组装反应，得到三明治结构复合材料。具有优异的电学性能。

Description

一种三明治结构复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种三明治结构复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
电池等储能器件在移动设备中起着重要作用。包括锂、钠、钾离子电池在内的碱金属离子电池作为可二次充电电池被广泛地研究。它们的储能机理类似于摇椅电池，其中锂、钠、钾离子在正负极两端不断***脱出。锂离子电池的开路电压高，能量密度和功率较大，但锂金属本身价格昂贵，在地壳中的储量较少，制约着它的发展。钠和钾金属储量丰富，价格便宜，有潜力作为下一代电池的负极材料。但它们的开路电压较低，离子半径较大，所以很难找到合适的电极材料。而且，所有碱金属电池都受到枝晶生长的影响，会带来严重的性能下降和安全隐患。
石墨烯等二维材料的成功制备为寻找可充电电池合适的电极材料打开了新的思路。与一维和三维材料相比，二维材料可以有更多离子通道和巨大的比表面积，为反应提供了大量活性位点和离子储存空间，因此作为离子电池材料其电化学性能优良。最近，一种新的二维材料MXene引起了广泛关注。这是一种过渡金属的碳化物或氮化物，是由陶瓷MAX相进行选择性刻蚀掉其中的Al层制备得到的。Mn+1XnTx是其化学通式，其中M代表Ti,Nb,V,Cr,Mo等过渡金属元素，n＝1,2,或3.X＝C或N,T代表O,OH,F,Cl,S等末端基团。MXene材料的性质与石墨烯类似，其导电性良好。由于末端基团丰富，它与不同溶剂之间的融合性较好，但端基的存在也会对其导电性有一定损害。MXene导电能力较弱，该材料的片层容易在范德华力作用下再次堆叠，阻碍离子传输，减少了电化学反应面积。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种三明治结构复合材料及其制备方法和应用。通过MXene和碳纳米管复合，改善了MXene导电能力较弱的缺点。在MXene的片层之间装入碳纳米管，作为间隔物质，为材料提供了更多离子传输和储存位置，使得钾离子等半径较大的离子也可以轻松***其中。碳纳米管的氮掺杂过程可以在其管壁上加入外在缺陷，促进碱金属离子进入管内并为其增加存储空间。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种三明治结构复合材料(N-CNT@MXene)，包括Nb2C和氮掺杂碳纳米管(N-CNT)，Nb2C为二维风琴状，N-CNT夹在Nb2C片层之间。
Nb2C为Nb2AlC将Al层刻蚀之后得到的二维风琴状，二维风琴状为通过扫描电镜可以看到其具有多个片层间隔的形状，然后N-CNT***片层间隔中，形成了三明治结构复合材料。N-CNT提高了Nb2C的导电能力，N-CNT的***，避免了Nb2C片层结构之间的堆叠，N-CNT提高了Nb2C的离子传输能力，提高了电化学反应面积。
在本发明的一些实施方式中，Nb2C与N-CNT的质量比为1:0.08-0.12；优选为1:0.1。选择这个质量比范围内的原因为：N-CNT密度较小，如果添加质量过多的N-CNT的话Nb2C在其中起到的作用就微乎其微了。选择这个比例可以较好得形成N-CNT夹在Nb2C中间的三明治结构。
第二方面，上述三明治结构复合材料的制备方法，具体步骤为：
Nb2AlC经过刻蚀后得到Nb2C；
Nb2C分散到水中后得到Nb2C胶体溶液；
N-CNT溶液与Nb2C胶体溶液混合进行自组装反应，得到三明治结构复合材料(N-CNT@MXene)。
在本发明的一些实施方式中，Nb2AlC刻蚀的方法为将Nb2AlC利用HF溶液进行选择性刻蚀，去掉Al层，得到Nb2C。
优选的，Nb2AlC刻蚀前先进行粉碎。优选的，HF的质量分数为35-45％。优选的，Nb2AlC和HF溶液混合进行刻蚀的时间为20-30h；进一步优选的，刻蚀的时间为24-25h。优选的，混合物分离得到Nb2C的方法为：离心、收集沉淀、清洗、干燥。进一步优选的，离心转速为3000-5000rpm。
在本发明的一些实施方式中，Nb2AlC的制备方法为：将Nb，Al和NbC混合后球磨，并在惰性氛围下反应得到Nb2AlCMAX相。
优选的，Nb，Al和NbC的质量比为2:1-1.5:1；优选为2:1.2:1。优选的，球磨的时间为20-40min。
优选的，反应的温度为1300-1500℃，反应的时间为1.5-3h；优选的，反应的温度为1350-1450℃，反应的时间为2-3h。
在本发明的一些实施方式中，Nb2C胶体溶液的制备方法为：在常温下，将Nb2C分散至去离子水中，超声分散、离心处理、收集上层液态即为Nb2C胶体溶液。Nb2C分散至去离子水中之后，经过超声分散，提高分散的效果，离心处理将一些的层数较多的Nb2C和层数较少的Nb2C进行了分离，上层液态中保留的是一些层数较少的Nb2C。由于Nb2C是一种多层的结构，如果层状越多，就会质量越大，经过离心部分会沉到底部。保留层数较少的Nb2C的目的为：方便让N-CNT夹在尽量每两层Nb2C中间，最大化地发挥三明治结构的优势。
优选的，Nb2C胶体溶液的浓度为4-6mg/mL。优选的，Nb2C分散至去离子水中的过程中在惰性气氛下进行，惰性气氛为氩气或氮气。
在本发明的一些实施方式中，N-CNT溶液的溶剂为表面活性剂，表面活性剂可以为溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)或聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)。优选的，N-CNT溶液中N-CNT与表面活性剂的质量比为5-8；优选为6-7。优选的，N-CNT溶液中N-CNT的质量浓度为0.04-0.06g/mL。
在本发明的一些实施方式中，N-CNT溶液和Nb2C胶体溶液的体积比为9-11:1。
在本发明的一些实施方式中，自组装反应的温度为常温，自组装反应先进行超声分散然后进行静置，超声分散的时间为0.5-1.5h，静置的时间为4-6h。先经过超声分散使N-CNT溶液和Nb2C胶体溶液进行充分的混合，经过自组装反应的过程得到N-CNT@MXene。
第三方面，上述三明治结构复合材料在电极材料领域中的应用。
第四方面，一种电极材料，包括上述的三明治结构复合材料。
在本发明的一些实施方式中，电极材料还包括聚偏氟乙烯和乙炔黑，三明治结构复合材料、聚偏氟乙烯和乙炔黑的质量比为7-9:1:1；优选为8:1:1。
第五方面，一种电池，包括负极和正极，正极包括上述的电极材料，负极为锂、钠、钾或液态钠钾合金。
在本发明的一些实施方式中，液态钠钾合金的制备方法为：将固态钠和钾进行物理接触并施加外力后，二者互溶形成钠钾合金。
在本发明的一些实施方式中，钠钾合金负极的制备方法为：将钠钾合金加热后，合金自动吸附于泡沫镍得到钠钾合金负极。优选的，加热的温度为400-450℃。
第六方面，上述电池在储能器件领域中的应用。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
N-CNT@Nb2C是N-CNT和Nb2C的复合，N-CNT***到Nb2C的层状结构中。提高了Nb2C的导电性能，避免Nb2C的层状结构在范德华力的作用下再次堆叠，提高了离子传输能力，提高了电化学反应面积，提高了结构的稳定性。为材料提供了更多离子传输和储存位置，使得钾离子等半径较大的离子也可以轻松***其中。碳纳米管的氮掺杂过程可以在其管壁上加入外在缺陷，促进碱金属离子进入管内并为其增加存储空间。
N-CNT@Nb2C复合材料在锂、钠、液态钠钾合金、钾离子电池中的电化学性能优良，包括循环性能、倍率性能、电化学阻抗性能都具有较好的效果。N-CNT@Nb2C复合材料将为碱金属离子电池提供更好的电极材料选择并促进其商业化发展。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为N-CNT@Nb2C的制备流程图及每一阶段产物对应的扫描电镜图片，其中，a和e为块体的MAX相(Nb2AlC)，b和f为Nb2C，c和g为Nb2C单片层胶体溶液，d和h为自组装之后；
图2为Nb2AlC MAX相,Nb2C MXene,N-CNT,N-CNT@Nb2C的XRD图谱；
图3为N-CNT@Nb2C MXene的透射电镜照片，其中c为b选取的电子衍射照片；
图4为N-CNT@Nb2C以锂、钠、液态钠钾合金和钾作为负极的循环曲线和充放电电压曲线，a和g为以锂为负极，b和f为以钠为负极，c和g为以液态钠钾合金为负极，d和h为以钾为负极，s为1st，j为50th，k为100th，z为500th；
图5为以锂、钠、液态钠钾合金和钾作为负极时N-CNT@Nb2C的循环伏安曲线，a为以锂为负极，b为以钠为负极，c为以液态钠钾合金为负极，d为以钾为负极，s为1st；
图6为以锂、钠、液态钠钾合金和钾作为负极时N-CNT@Nb2C的倍率性能曲线，a为以锂为负极，b为以钠为负极，c为以液态钠钾合金为负极，d为以钾为负极；
图7为以锂、钠、液态钠钾合金和钾作为负极时N-CNT@Nb2C的电化学阻抗谱曲线，a为以锂为负极，b为以钠为负极，c为以液态钠钾合金为负极，d为以钾为负极。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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。
下述实施例中Nb2AlC MAX的制备方法为：
MXene Nb2C是通过选择性刻蚀MAX相Nb2AlC中的Al层得到的。通过将Nb，Al和NbC以2:1.2:1的比例混合后球磨30分钟，并在氩气氛围下在1400℃下加热两小时得到Nb2AlCMAX相。
下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
将2g的Nb2AlC球磨30分钟粉碎成更小颗粒后用40％的HF进行选择性刻蚀，并将混合物搅拌24小时并在4000rpm的速度下离心。收集沉淀并反复清洗至上层液PH值在6～7。干燥后得到Nb2C。接着将Nb2C分散至大量去离子水中并不断通入氩气进行超声分散，保持温度在25℃。随后将溶液在3500rpm速度下离心分离1小时。收集上层液态，即层数较少的MXeneNb2C的胶体溶液。将1.55mg用化学气相沉积方法制备的氮掺杂碳纳米管(N-CNT)和0.25g溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)混入30ml去离子水中并搅拌和超声分散30min。随后将3mL5mg/mL的Nb2C胶体溶液逐滴加入到该混合物中并在氩气通入的条件下超声1小时。静置5小时让其完成自组装。离心干燥后得到三明治结构的N-CNT@MXene。
制备流程和扫描电镜图见图1所示，图1中的a和e是块体的MAX相，其表面积较小，Nb2C和Al层彼此堆叠，没有给离子传输留下空间。当选择性刻蚀掉Al层后，块体的MAX相变成二维风琴状Nb2C Mxene。这种材料具有较大比表面积和大量的储存位点，可以作为性能优良的电池材料使用，如图1中的b和f。但是纯的MXene材料的片层很容易再次堆叠在一起，所以需要一定的片层间隔物来固定其结构。为了进一步扩大其片层间距和存储空间，风琴状Nb2C Mxene被超声分散成独立的片，如图1中的c和g所示。在CTAB的帮助下，Nb2C片与N-CNT自装置成三明治结构，其中N-CNT夹在Nb2C片层之间，如图1中的d和h。有了N-CNT作为片层间隔，整个结构的稳定性得到增强，导电性和片层间距也得到增加。N-CNT上的氮掺杂位点不仅提高了碳纳米管的导电性，而且其作为一种外部缺陷可以让离子通过它传输并存储到碳纳米管内部，提高了存储空间。
图2为Nb2AlC MAX相,Nb2C MXene,N-CNT,N-CNT@Nb2C的XRD图谱，且Nb2AlC,Nb2C,和N-CNT的主要峰在图中用星形、正方形和三角形标出。图2中可以看到，Nb2AlC晶相与PDF#30-0033相匹配，四个主峰位置在13°,26°,39°和52°，对应晶面分别为(002),(004),(103)和(106)。图谱中没有鼓包，说明结晶性良好。Nb2C的晶相与PDF#75-2169相匹配，三个主峰对应晶面分别为(201),(211)和(002)，三个主峰位置在33°,38°和60°。图谱有鼓包，这是因为刻蚀过程对其结构产生了影响。N-CNT只有一个主峰在26°,对应晶面为(002)(PDF#75-1621)。最终产物N-CNT@Nb2C的主峰与Nb2C MXene和N-CNT相匹配，没有其它晶相存在。另外，纯Nb2C和N-CNT@Nb2C中的Nb2C的(211)晶面位置有些许变化，N-CNT@Nb2C中的Nb2C的峰位向左偏移了1°,如图2所示。这说明N-CNT的***扩大了Nb2C片层之间的间距，为更多离子嵌入提供了空间和通道。
图3中的b图为透射电镜图，显示了Nb2C的片层堆叠结构，N-CNT夹在片层之间，证明了N-CNT@Nb2C的成功制备。图中也显示了N-CNT的晶格相，其晶面间距为0.34nm，与N-CNT的(002)晶面对应。图2中的c图的选区电子衍射图显示了Nb2C和N-CNT的衍射环，如图中标注所示。
实施例2
将2g的Nb2AlC球磨30分钟粉碎成更小颗粒后用40％的HF进行选择性刻蚀，并将混合物搅拌24小时并在4000rpm的速度下离心。收集沉淀并反复清洗至上层液PH值在6～7。干燥后得到Nb2C。接着将Nb2C分散至大量去离子水中并不断通入氩气进行超声分散，保持温度在25℃。随后将溶液在3500rpm速度下离心分离1小时。收集上层液态，即层数较少的MXeneNb2C的胶体溶液。将1.55mg用化学气相沉积方法制备的氮掺杂碳纳米管(N-CNT)和0.25g溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)混入27ml去离子水中并搅拌和超声分散30min。随后将3mL5mg/mL的Nb2C胶体溶液逐滴加入到该混合物中并在氩气通入的条件下超声1小时。静置5小时让其完成自组装。离心干燥后得到三明治结构的N-CNT@MXene。
实施例3
将2g的Nb2AlC球磨30分钟粉碎成更小颗粒后用40％的HF进行选择性刻蚀，并将混合物搅拌24小时并在4000rpm的速度下离心。收集沉淀并反复清洗至上层液PH值在6～7。干燥后得到Nb2C。接着将Nb2C分散至大量去离子水中并不断通入氩气进行超声分散，保持温度在25℃。随后将溶液在3500rpm速度下离心分离1小时。收集上层液态，即层数较少的MXeneNb2C的胶体溶液。将1.8mg用化学气相沉积方法制备的氮掺杂碳纳米管(N-CNT)和0.25g溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)混入30ml去离子水中并搅拌和超声分散30min。随后将3mL5mg/mL的Nb2C胶体溶液逐滴加入到该混合物中并在氩气通入的条件下超声1小时。静置5小时让其完成自组装。离心干燥后得到三明治结构的N-CNT@MXene。
对比例1
相比于实施例1，氮掺杂碳纳米管(N-CNT)改为碳纳米管(CNT)，得到的三明治结构为CNT@MXene。
N-CNT@MXene生物导电性好于CNT@MXene。N-CNT作为MXene材料的夹层可以提高其导电性，进一步扩大其片层间距，为离子传输存储提供空间。
实施例4
一种电池，负极为液态钠钾合金负极，液态钠钾合金的制备方法为将固态钠和钾(钠所占质量比为9.2％-58.2％)进行物理接触并施加外力后，二者互溶形成钠钾合金。将合金加热至420℃后，合金自动吸附于泡沫镍得到可以用于电池的钠钾合金负极。
正极为三明治结构的N-CNT@MXene，正极的制备方法为：将三明治结构的N-CNT@MXene、聚偏氟乙烯和乙炔黑以8:1:1的比例混合后加入N甲基吡咯烷酮并搅拌24小时。接着将混合后的浆料涂覆于铜箔上并在60℃下真空干燥10小时。得到正极。
实施例5
一种电池，负极为金属钠，正极为实施例1制备的三明治结构的N-CNT@MXene。
正极的制备方法为：将三明治结构的N-CNT@MXene、聚偏氟乙烯和乙炔黑以8:1:1的比例混合后加入N甲基吡咯烷酮并搅拌24小时。接着将混合后的浆料涂覆于铜箔上并在60℃下真空干燥10小时。得到正极。
实施例6
一种电池，负极为金属钾，正极为实施例1制备的三明治结构的N-CNT@MXene。
正极的制备方法为：将三明治结构的N-CNT@MXene、聚偏氟乙烯和乙炔黑以8:1:1的比例混合后加入N甲基吡咯烷酮并搅拌24小时。接着将混合后的浆料涂覆于铜箔上并在60℃下真空干燥10小时。得到正极。
实施例7
一种电池，负极为金属锂，正极为实施例1制备的三明治结构的N-CNT@MXene。
正极的制备方法为：将三明治结构的N-CNT@MXene、聚偏氟乙烯和乙炔黑以8:1:1的比例混合后加入N甲基吡咯烷酮并搅拌24小时。接着将混合后的浆料涂覆于铜箔上并在60℃下真空干燥10小时。得到正极。
实验例
用实施例4、实施例5、实施例6、实施例7电池进行电化学性能测试，其中将正极制成小圆片，在手套箱中装成电池。玻璃纤维滤膜作为电池隔膜。电池装配在手套箱完成。
电池电压区间设为0.01-3V，循环性能测试所用电流密度为50mA/g，倍率性能测试所用电流密度为50,100,200,500,200,100,50mA/g，CV曲线扫速0.5mV/s，电化学阻抗谱(EIS)测试频率范围1MHz-0.01Hz。
(1)循环性能
循环性能结果如图4所示，通过图4中的a-d图可以看到，所有电池体系中都可以循环500周(500th)以上。当金属锂作为负极时，循环十分稳定，初始比容量为1587.2mAh/g(包括SEI膜形成的不可逆容量在内)。短暂的下降和调整后，锂离子电池中N-CNT@Nb2C的容量会再次上升。到500周时，其容量高达650mAh/g，容量保持率在90％。这种容量上升是由于其内部结构调整，活性物质进一步活化和部分无定形化造成的。而且随着锂离子的进一步***，材料的片层间距会扩大并加固，促进循环，提高容量。良好的循环性能说明N-CNT@Nb2C循环和储存锂离子的能力较强。当用钠作为负极时，N-CNT@Nb2C在160周时出现短暂的波动，这是由于钠离子电池中特有的反应机理和结构变化造成的。在调整后，N-CNT@Nb2C在钠离子电池中也表现出良好的稳定性。当用液态钠钾合金作为负极时，N-CNT@Nb2C表现出更好的循环性能，这是因为液态负极对枝晶有抑制作用的缘故。
通过图4中的e-h图可以看到，其中，f图中向上走势的曲线中，50周(50th)、100周(100th)和500周(500th)基本重合，向下走势的曲线中，50周、100周、500周基本重合；g图中100周和500周基本重合，向下走势的曲线中，50周、100周、500周基本重合；h图中，向下走势的曲线中，50周、100周、500周基本重合。
除了第一周(1st)外，所有电池后面周数的充放电曲线的重叠性很好，说明电池的可逆性较好。图e中，在1.6V的位置有一个小平台，在0.75V位置有一个长一点的平台，这分别是由于电解液的分解和SEI膜的形成造成的。同样的平台可以在图f-h中看到，但是电解液分解的平台有时会不太明显。对容量贡献最大的电池反应是N-CNT@Nb2C中离子的***脱出，发生在电压较低的位置处。另外可以注意到以液态钠钾合金作为负极时N-CNT@Nb2C曲线的重叠性更高，这是由于其抑制枝晶生长的性能带来的高可逆性造成的。
(2)循环伏安性能
循环伏安性能如图5的a-d所示，其中2周和3周的曲线基本重合，图a中两个不可逆峰出现在1.6和0.75V的位置处，对应于电解液分解和SEI膜形成的反应，与上述充放电平台位置相一致。其它电池体系中也可以观察到类似的两个不可逆峰，但是以金属钾作为负极时，由于两峰位置靠近，二者合二为一。在所有电池体系中，离子嵌入N-CNT@Nb2C中片层之间和碳纳米管内部的可逆过程发生在0.01V位置处。以锂、钠、液态钠钾合金和钾作为负极时其对应的离子脱出过程发生在0.25V,0.1V,0.3V,0.3V。液态钠钾合金和金属钾的循环伏安曲线类似，这同样是因为液态钠钾合金也可以作为钾离子电池负极的缘故。在以钾和液态钠钾合金作为负极的钾离子电池体系中，钾离子从N-CNT@Nb2C脱出的峰***成两个，第一个阳极峰是由于粒子从MXene片层之间脱出并与碳纳米管初步分离造成的，第二个阳极峰是由于粒子从碳纳米管的氮掺杂位置处分离造成的。
(3)倍率性能
倍率性能如图6的a-d所示，从图6中可以看到所有电池都表现出良好的倍率性能。当增加电流密度是，容量衰减较慢；当电流密度逐渐减小到初始值时，容量可以在很大程度上恢复到初始水平。这说明N-CNT@Nb2C具有抵抗大电流冲击而保持结构功能的能力。以锂、钠、液态钠钾合金和钾作为负极时N-CNT@Nb2C的倍率容量保持率为100％，75％，67％，65％。这说明N-CNT@Nb2C复合材料的结构稳定，导电性强，可以在大电流场合使用。我们还可以观察到当以液态钠钾合金作为负极时容量值的变化很小，说明这种负极可以经受大电流冲击，并保持表面光滑无枝晶，使电池的电化学性能更优。
(4)电化学阻抗性能
电化学阻抗性能如图7的a-d所示，从图7中可以看出，高频部分Z’轴出的截距，半圆的大小以及低频出的斜线斜率分别对应着欧姆电阻，界面电阻和Warburg阻抗。欧姆电阻即电解液和电极的内阻，界面电阻和Warburg阻抗是由界面处电荷传输和物质传输造成的。可以看到当用锂作为负极时阻抗谱的半圆***成两个，这是由于在形成SEI膜的过程(也就是锂离子第一次嵌入和第一次充电过程)中，SEI膜的电容下降而双电层的赝电容增加，使得SEI膜的半圆和电荷传输的半圆分别向高频和低频处移动造成的。所以N-CNT@Nb2C以锂作为负极的界面电阻可以通过两圆大小的加和得到。可以看出，所有电池体系的欧姆电阻值都近似，但界面电阻相差较大。以锂、钠、液态钠钾合金作为负极的N-CNT@Nb2C界面电阻较小，但是固态钾作为负极的界面电阻相对较大，也证明了液态钠钾合金的电化学性能更优于固态钾。
综上所述可知，N-CNT@Nb2C在锂、钠、钾离子电池中的电化学性能优良。当用液态钠钾合金代替固态钾作为钾离子电池的负极时，复合材料表现出更好的电化学性能，这是由于其液态表面不会产生枝晶的性质造成的。N-CNT@Nb2C复合材料将为碱金属离子电池提供更好的电极材料选择并促进其商业化发展。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三明治结构复合材料，其特征在于：包括Nb2C和氮掺杂碳纳米管(N-CNT)，Nb2C为二维风琴状，N-CNT夹在Nb2C片层之间。
2.如权利要求1所述的三明治结构复合材料，其特征在于：Nb2C与N-CNT的质量比为1:0.08-0.12；优选为1:0.1。
3.权利要求1或2所述的三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于：具体步骤为：
Nb2AlC经过刻蚀后得到Nb2C；
Nb2C分散到水中后得到Nb2C胶体溶液；
N-CNT溶液与Nb2C胶体溶液混合进行自组装反应，得到三明治结构复合材料。
4.如权利要求3所述的三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于：Nb2AlC刻蚀的方法为将Nb2AlC利用HF溶液进行选择性刻蚀，去掉Al层，得到Nb2C；
优选的，Nb2AlC刻蚀前先进行粉碎；
优选的，HF的质量分数为35-45％；
优选的，Nb2AlC和HF溶液混合进行刻蚀的时间为20-30h；进一步优选的，刻蚀的时间为24-25h；
优选的，混合物分离得到Nb2C的方法为：离心、收集沉淀、清洗、干燥。
5.如权利要求3所述的三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于：Nb2AlC的制备方法为：将Nb，Al和NbC混合后球磨，并在惰性氛围下反应得到Nb2AlCMAX相；
优选的，Nb，Al和NbC的质量比为2:1-1.5:1；优选为2:1.2:1；
优选的，球磨的时间为20-40min；
优选的，反应的温度为1300-1500℃，反应的时间为1.5-3h；优选的，反应的温度为1350-1450℃，反应的时间为2-3h。
6.如权利要求3所述的三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于：Nb2C胶体溶液的制备方法为：在常温下，将Nb2C分散至去离子水中，超声分散、离心处理、收集上层液态即为Nb2C胶体溶液；
优选的，Nb2C胶体溶液的浓度为4-6mg/mL；
优选的，Nb2C分散至去离子水中的过程中在惰性气氛下进行；
或，N-CNT溶液的溶剂为表面活性剂，表面活性剂可以为溴化十六烷基三甲基铵或聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物；
优选的，N-CNT溶液中N-CNT与表面活性剂的质量比为5-8；优选为6-7；
优选的，N-CNT溶液中N-CNT的质量浓度为0.04-0.06g/mL；
或，N-CNT溶液和Nb2C胶体溶液的体积比为9-11:1；
或，自组装反应的温度为常温，自组装反应先进行超声分散然后进行静置，超声分散的时间为0.5-1.5h，静置的时间为4-6h。
7.权利要求1或2所述的三明治结构复合材料在电极材料领域中的应用。
8.一种电极材料，其特征在于：包括权利要求1或2所述的三明治结构复合材料；
电极材料还包括聚偏氟乙烯和乙炔黑，三明治结构复合材料、聚偏氟乙烯和乙炔黑的质量比为7-9:1:1；优选为8:1:1。
9.一种电池，其特征在于：包括负极和正极，正极包括上述的三明治结构复合材料，负极为锂、钠、钾或液态钠钾合金；
优选的，液态钠钾合金的制备方法为：将固态钠和钾进行物理接触并施加外力后，二者互溶形成钠钾合金；
优选的，钠钾合金负极的制备方法为：将钠钾合金加热后，合金自动吸附于泡沫镍得到钠钾合金负极；优选的，加热的温度为400-450℃。
10.权利要求9所述的电池在储能器件领域中的应用。
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