CN115020680B - 一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。本发明利用具有二维层状结构、耐电解液腐蚀、导电性优异和离子扩散势垒低的MXene包覆的酚醛树脂衍生的钠离子电池硬碳负极材料，提高硬碳负极材料循环稳定性和倍率性能的方法。所述方法包括如下步骤：将酚醛树脂粉末在氩气气氛下进行热处理，即得酚醛树脂衍生的硬碳；用CTAB表面活性剂水溶液处理酚醛树脂衍生的硬碳，使其表面带正电；采用酸刻蚀法制备表面带负电的MXene水溶液；将表面带正电的酚醛树脂衍生的硬碳和表面带负电的MXene进行静电自组装；静电自组装完成后进行过滤、烘干，即得。电化学测试表明，MXene包覆显著提高了酚醛树脂衍生的硬碳负极材料的电化学性能。
Description
技术领域
本发明属于钠离子电池技术领域，具体涉及一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
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。
由于具有优异的成本优势，钠离子电池成为近年来的研究热点。很多企业纷纷布局钠离子电池的产业化生产。硬碳是钠离子电池中最常用的负极材料，其具有来源丰富、低成本、储钠电位低、无毒环保等优势。但是硬碳负极还存在很多性能问题，如循环稳定性差、倍率性能低等。这些问题影响了硬碳负极的大规模应用。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种MXene包覆的硬碳负极材料及其制备方法与应用。本发明开发了一种提高钠离子电池硬碳负极材料电化学性能的方法，合成出了高稳定、长寿命的钠离子电池负极材料，并将其应用于钠离子电池，这将对钠离子电池的快速发展和新能源行业的进步具有重要促进作用，意义重大。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料，所述MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料包括：酚醛树脂衍生的硬碳负极材料；以及包覆在硬碳负极材料表面的MXene纳米片。
本发明方法的特点之一是：采用产碳率较高易于规模化生产的酚醛树脂作为碳源合成钠离子电池硬碳负极材料。
本发明的第二个方面，提供了一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将酚醛树脂粉末在氩气气氛下进行热处理，即得酚醛树脂衍生的硬碳；用CTAB表面活性剂水溶液处理酚醛树脂衍生的硬碳，使其表面带正电；
(2)采用酸刻蚀法制备表面带负电的MXene水溶液；
(3)将表面带正电的酚醛树脂衍生的硬碳加入到表面带负电的MXene水溶液中进行静电自组装；静电自组装完成后进行过滤、烘干，即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
MXene具有二维层状结构、耐电解液腐蚀、优异的导电性和较低的离子扩散势垒。将MXene纳米片包覆在硬碳负极材料表面可提高其倍率性能。此外，覆盖在硬碳负极材料表面的MXene可作为一种保护层，缓解电化学过程对硬碳负极的影响，进而提高硬碳负极材料的循环稳定性。
本发明的第三个方面，提供了上述的MXene包覆的硬碳负极材料在钠离子电池中的应用；所述应用领域包括电动汽车、笔记本电脑、智能电网、手机、电子产品、移动储能设备制造等。
本发明有效地提高了钠离子电池硬碳负极材料的电化学性能。改性后的硬碳负极材料有望在钠离子电池中得到广泛的推广和应用，从而推动新能源产业的发展和进步。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用酚醛树脂作为碳源，其产碳率高，易于大规模生产。
(2)本发明采用具有二维层状结构、耐电解液腐蚀、导电性优异和离子扩散势垒低的MXene来包覆钠离子电池硬碳负极材料，一方面，MXene作为保护层，能够缓解电化学过程对硬碳负极的影响，提高硬碳负极材料的循环稳定性；另一方面，MXene具有耐电解液腐蚀、导电性优异和离子扩散势垒低等优点，将其与硬碳复合，可提高其电化学性能。
(3)本发明利用MXene水溶液表面带负电，同时，用CTAB表面活性剂水溶液处理酚醛树脂衍生的硬碳，使其表面带正电；通过静电作用完成自组装。静电自组装能够使二维MXene纳米片更均匀地包覆在硬碳材料表面，提高复合材料的均匀性，进而最大程度上发挥MXene的作用，最终提高复合材料的电化学性能。
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发明的进一步理解，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为本发明实施例1-7中制备MXene包覆的酚醛树脂衍生的钠离子电池硬碳负极材料的流程示意图。
图2为本发明对比例和实施例中酚醛树脂粉末的扫描电镜图。
图3为本发明对比例和实施例1中酚醛树脂衍生的钠离子电池硬碳负极材料的扫描电镜图。
图4为本发明实施例1中Ti3C2TxMXene包覆的酚醛树脂衍生的钠离子电池硬碳负极材料的扫描电镜图。
图5为对比例和实施例1中的负极在0.5A/g电流密度下的循环曲线图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明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发明的示例性实施方式。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。
正如前文所述，钠离子电池硬碳负极材料还存在循环稳定性差、倍率性能低等问题。这些问题影响了硬碳负极在钠离子电池中的大规模应用。
因此，本发明提出了一种MXene包覆策略，即将具有二维层状结构、耐电解液腐蚀、导电性优异和离子扩散势垒低的MXene纳米片包覆在硬碳负极材料表面，提高了其倍率性能。此外，覆盖在硬碳负极材料表面的MXene可作为一种保护层，其能够缓解电化学过程对硬碳负极的影响，提高硬碳负极材料的循环稳定性。
一种MXene包覆的硬碳负极材料，包括：酚醛树脂衍生的硬碳负极材料；以及包覆在硬碳负极材料表面的MXene纳米片。
在一些典型的实施方式中，所述MXene包括Ti3C2Tx、V2CTx、Mo2CTx等中的任意一种。
一种MXene包覆的钠硬碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将酚醛树脂粉末在氩气气氛下进行热处理，即得酚醛树脂衍生的硬碳；用CTAB表面活性剂水溶液处理酚醛树脂衍生的硬碳，使其表面带正电；
(2)采用酸刻蚀法制备表面带负电的MXene水溶液；
(3)将表面带正电的酚醛树脂衍生的硬碳加入到表面带负电的MXene水溶液中进行静电自组装；静电自组装完成后进行过滤、烘干，即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
在一些典型的实施方式中，所述酚醛树脂粉末在氩气气氛中的热处理温度为800-1500℃，时间为5-20h。
在一些典型的实施方式中，所述CTAB表面活性剂水溶液的浓度为0.1-10mg/mL，处理硬碳负极材料的时间为0.2-10h。
在一些典型的实施方式中，通过LiF和HCl混合物进行刻蚀。
在一些典型的实施方式中，所述MXene与硬碳负极材料的质量比为1:20-1:1。
在一些典型的实施方式中，所述静电自组装的时间为0.1-20h。
在一些典型的实施方式中，所述惰性气氛为氩气、氮气、氢氩混合气体、氦气、真空气氛等，其氧含量小于0.1ppm，水分含量小于0.1ppm。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备(制备工艺如图1所示)，包括如下步骤：
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL)，磁力搅拌1h，使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液，其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中50mL Ti3C2TxMXene水溶液中，磁力搅拌2h，进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤，60℃下真空烘干，即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料，PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀，然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对，在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池，测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5％FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例2
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备，包括如下步骤：
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中800℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL)，磁力搅拌1h，使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液，其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中50mL Ti3C2TxMXene水溶液中，磁力搅拌2h，进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤，60℃下真空烘干，即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料，PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀，然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对，在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池，测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5％FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例3
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备，包括如下步骤：
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1500℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL)，磁力搅拌1h，使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液，其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中50mL Ti3C2TxMXene水溶液中，磁力搅拌2h，进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤，60℃下真空烘干，即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料，PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀，然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对，在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池，测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5％FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例4
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备，包括如下步骤：
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL)，磁力搅拌5h，使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液，其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中50mL Ti3C2TxMXene水溶液中，磁力搅拌2h，进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤，60℃下真空烘干，即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料，PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀，然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对，在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池，测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5％FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例5
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备，包括如下步骤：
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL)，磁力搅拌1h，使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液，其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中20mL Ti3C2TxMXene水溶液中，磁力搅拌2h，进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤，60℃下真空烘干，即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料，PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀，然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对，在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池，测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5％FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例6
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备，包括如下步骤：
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL)，磁力搅拌1h，使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液，其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中100mL Ti3C2TxMXene水溶液中，磁力搅拌2h，进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤，60℃下真空烘干，即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料，PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀，然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对，在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池，测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5％FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例7
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备，包括如下步骤：
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL)，磁力搅拌1h，使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液，其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中50mL Ti3C2TxMXene水溶液中，磁力搅拌5h，进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤，60℃下真空烘干，即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料，PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀，然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对，在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池，测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5％FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
对比例
对比例的实施主要包括如下步骤：
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将酚醛树脂衍生的硬碳粉末，PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀，然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(3)将步骤(3)中的硬碳电极与金属钠负极配对，在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池，测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5％FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
性能测试
(1)以实施例1装配的扣式电池为例，利用充放电设备(新威CT-4008)对用Ti3C2TxMXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料组装的电池的循环性能进行评估。同时，作为对比，还测试了用未包覆的钠离子电池硬碳负极材料组装的电池(对比例)的上述性能，结果如图5所示。在电流密度为0.5A/g下，经过100次循环后，Ti3C2TxMXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的放电比容量比未包覆的硬碳电极的要高。以上结果表明，Ti3C2TxMXene包覆后，硬碳负极的循环稳定性得到明显提高，这归因于Ti3C2TxMXene包覆层对电极导电性的提升以及对硬碳负极的保护。
从图2-4可知，酚醛树脂粉末呈现出不规则的块状形貌。在氩气气氛下煅烧后，酚醛树脂衍生为钠离子电池硬碳负极材料，其尺寸变大，这是由于高温煅烧带来的体积膨胀效应造成的。通过静电自组装法将酚醛树脂衍生为钠离子电池硬碳负极材料和Ti3C2TxMXene组合后，二维Ti3C2TxMXene纳米片分布在硬碳负极材料表面。
最后应该说明的是，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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。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。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (4)
1.一种MXene包覆的硬碳负极材料在钠离子电池中的应用，其特征在于，所述MXene包覆的硬碳负极材料包括：酚醛树脂衍生的硬碳负极材料，以及包覆在硬碳负极材料表面的MXene纳米片；所述MXene与硬碳负极材料的质量比为1:20-1:10；所述MXene纳米片包括Ti3C2Tx、V2CTx、Mo2CTx中的任意一种；
所述MXene包覆的硬碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将酚醛树脂粉末在氩气气氛下进行热处理，即得酚醛树脂衍生的硬碳；用CTAB表面活性剂水溶液处理酚醛树脂衍生的硬碳，使其表面带正电；所述酚醛树脂粉末在氩气气氛中的热处理温度为800-1500℃，时间为5-20h；
（2）采用酸刻蚀法制备表面带负电的MXene水溶液；所述酸刻蚀法为通过LiF和HCl混合物进行刻蚀；
（3）将步骤（1）得到的硬碳负极材料加入到表面带负电的MXene水溶液中进行静电自组装；静电自组装完成后进行过滤、烘干，即得MXene包覆的硬碳负极材料；
所述应用具体为：
将所述MXene包覆的硬碳负极材料、PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀，然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料；然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片，所述硬碳电极片作为钠离子电池负极。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述CTAB表面活性剂水溶液的浓度为0.1-10mg/mL，处理硬碳负极材料的时间为0.2-10h。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述静电自组装的时间为0.1-20h。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述应用包括在电动汽车、笔记本电脑、手机领域中的应用。
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Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106935856A (zh) * | 2017-03-28 | 2017-07-07 | 中南大学 | 一种钠离子电池碳基复合负极材料及其制备方法 |
| CN108682812A (zh) * | 2018-05-10 | 2018-10-19 | 山东大学 | 一种MXene包覆硅的复合电极材料及其制备方法 |
| CN109449402A (zh) * | 2018-10-29 | 2019-03-08 | 北京科技大学 | 一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备及其应用方法 |
| CN109742383A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-10 | 中国科学院物理研究所 | 基于酚醛树脂的钠离子电池硬碳负极材料及其制备方法和应用 |
| CN109742399A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-05-10 | 宁波容百新能源科技股份有限公司 | 一种钠离子电池负极材料及其制备方法 |
| CN110098391A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-08-06 | 北京化工大学 | 一种MXene衍生的二氧化钛/碳包覆纳米硅三元复合材料及其制备方法 |
| CN111799464A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-10-20 | 中国科学院电工研究所 | 一种MXene/石墨烯复合纳米片及其制备方法和应用、电极极片及其应用 |
| CN111883745A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-11-03 | 辽宁科技大学 | 一种MOF/MXene/CF复合纳米片及其合成方法 |
| CN113314705A (zh) * | 2021-06-02 | 2021-08-27 | 天津工业大学 | 一种原位氧化生长花状结构TiO2/MXene/硬碳钠离子电池负极材料的制备方法 |
| CN114373917A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-19 | 山东大学 | 一种钠离子电池正极复合材料及其制备方法与应用 |
| CN114373924A (zh) * | 2020-10-14 | 2022-04-19 | 天津工业大学 | 一种锂/钠离子电池用绿色酚醛树脂基硬碳负极材料及制备方法 |
-
2022
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Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106935856A (zh) * | 2017-03-28 | 2017-07-07 | 中南大学 | 一种钠离子电池碳基复合负极材料及其制备方法 |
| CN108682812A (zh) * | 2018-05-10 | 2018-10-19 | 山东大学 | 一种MXene包覆硅的复合电极材料及其制备方法 |
| CN109449402A (zh) * | 2018-10-29 | 2019-03-08 | 北京科技大学 | 一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备及其应用方法 |
| CN109742399A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-05-10 | 宁波容百新能源科技股份有限公司 | 一种钠离子电池负极材料及其制备方法 |
| CN109742383A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-10 | 中国科学院物理研究所 | 基于酚醛树脂的钠离子电池硬碳负极材料及其制备方法和应用 |
| CN110098391A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-08-06 | 北京化工大学 | 一种MXene衍生的二氧化钛/碳包覆纳米硅三元复合材料及其制备方法 |
| CN111883745A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-11-03 | 辽宁科技大学 | 一种MOF/MXene/CF复合纳米片及其合成方法 |
| CN111799464A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-10-20 | 中国科学院电工研究所 | 一种MXene/石墨烯复合纳米片及其制备方法和应用、电极极片及其应用 |
| CN114373924A (zh) * | 2020-10-14 | 2022-04-19 | 天津工业大学 | 一种锂/钠离子电池用绿色酚醛树脂基硬碳负极材料及制备方法 |
| CN113314705A (zh) * | 2021-06-02 | 2021-08-27 | 天津工业大学 | 一种原位氧化生长花状结构TiO2/MXene/硬碳钠离子电池负极材料的制备方法 |
| CN114373917A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-19 | 山东大学 | 一种钠离子电池正极复合材料及其制备方法与应用 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| MXene-Bonded Flexible Hard Carbon Film as Anode for Stable Na/K-Ion Storage;Ning Sun et al.;《Adv. Funct. Mater.》;1906282 * |
| Scalable construction of SiO/wrinkled MXene composite by a simple electrostatic self-assembly strategy as anode for high-energy lithium-ion batteries;Jinkui Feng et al.;《Chinese Chemical Letters》;980–983、Supporting information * |
| ***.《新能源***储能原理与技术》.机械工业出版社,2022,10. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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