CN116314794A - 一种层状多孔锂电池导电材料、制备方法、导电剂及电池 - Google Patents
一种层状多孔锂电池导电材料、制备方法、导电剂及电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于导电材料技术领域，公开了一种层状多孔锂电池导电材料、制备方法、导电剂及电池。基于Mxene二维层状材料为多孔碳前驱体，通过与氧化石墨烯的分散液复合、干燥的方式构建Mxene与石墨烯层层堆叠的结构，而后通过高温还原、刻蚀的过程进而得到多孔层状碳结构与石墨烯层层组装的二维层状复合结构。本发明结构同时包含结构完整、高效导电的石墨烯层与电解液浸润性良好，离子传输性能优秀的多孔层状碳。兼具优秀的离子传输与电子传输特性，应用于锂电池中，性能远好于导电炭黑、碳纳米管与石墨烯。实际测试表明，使用该导电剂的锂电池的电池内阻，大倍率充放电性能与大倍率循环性能均好于现有产品。
Description
技术领域
本发明属于导电材料技术领域，尤其涉及一种层状多孔锂电池导电材料、制备方法、导电剂及电池。
背景技术
导电剂是锂离子电池的关键辅材，由于锂电池的正极材料通常为半导体或绝缘体，电导率较低，因此导电剂的添加能够增加活性物质之间的导电性，减小电极的接触电阻，加速电子移动速率，从而提升电池的倍率性能和改善循环寿命。
目前常用的导电剂主要包括炭黑类、导电石墨类、VGCF(气相生长碳纤维)、碳纳米管以及石墨烯等。其中，炭黑类、导电石墨类和VGCF属于传统的导电剂，能够在活性物质之间各形成点、面或线接触式的导电网络。碳纳米管和石墨烯属于新型导电剂，其中，碳纳米管在活性物质之间形成线接触式导电网络；石墨烯在活性物质间形成面接触式导电网络。
石墨烯由于可以在活性物质间形成面接触式的导电网络，因此可以以更少的添加量实现更佳的导电效果。但由于石墨烯易于团聚重新堆叠，且结构致密，这在实际应用于锂电池导电剂中，均会影响锂电池充放电过程中的离子传输，进而影响实际使用效果。
因此，开发基于石墨烯的高效电子、离子传输的导电材料是有必要的。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有针对石墨烯离子传输能力的改善一般通过在石墨烯表面构建可供离子传输的缺陷来实现，该种方式虽能提高一定的离子传输能力，但也会大大影响石墨烯的结构完整性和导电性能。另外还有通过在石墨烯表面生长成碳前驱体，而后经过碳化、石墨化过程构建石墨烯与多孔碳复合结构。但一般这种结构是点状多孔碳生长在片状石墨烯表面的形式，其导电性与离子传输特性亦有较大限制。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种层状多孔锂电池导电材料、制备方法、导电剂及电池，具体涉及一种基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料。
所述技术方案如下：一种基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料，以Mxene二维层状材料为多孔碳前驱体，通过与氧化石墨烯的分散液复合、干燥的方式构建Mxene与石墨烯层层堆叠的结构，而后通过高温还原、刻蚀的过程进而得到多孔层状碳结构与石墨烯层层组装的二维层状复合结构。
本发明的另一目的在于提供一种基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备Mxene分散液；
S2，制备复合粉体；
S3，将复合粉体还原，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构，得到层状多孔导电材料。
在一个实施例中，在步骤S1中，制备Mxene分散液包括：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液。
在一个实施例中，所述得到MXene分散液具体包括以下步骤：
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:10～40，HCl溶液中HCl摩尔浓度为9M，搅拌时间20-120min；
再将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：10～100，反应温度20-60℃，反应时间12-48h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
在一个实施例中，在步骤S2中，制备复合粉体包括：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构。
在一个实施例中，水性氧化石墨烯浓度为0.1-1mg/ml；氧化石墨烯与MXene配比为1:0.5-2。
在一个实施例中，在步骤S3中，将复合粉体置于500-800℃氢气气氛中还原1-8h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯。
在一个实施例中，在步骤S4中，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构包括：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀2-8h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构，最终得到层状多孔导电材料。
本发明的另一目的在于提供一种层状二维结构的导电剂，利用所述基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料制备。
本发明的另一目的在于提供一种锂离子电池，利用所述层状二维结构的导电剂制备。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体描述如下：
本发明基于Mxene二维层状材料为多孔碳前驱体，通过与氧化石墨烯的分散液复合、干燥的方式构建Mxene与石墨烯层层堆叠的结构，而后通过高温还原、刻蚀的过程进而得到多孔层状碳结构与石墨烯层层组装的二维层状复合结构，该种结构同时包含结构完整、高效导电的石墨烯层与电解液浸润性良好，离子传输性能优秀的多孔层状碳。兼具优秀的离子传输与电子传输特性，应用于锂电池中，性能远好于导电炭黑、碳纳米管与石墨烯。
第二、把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
层状二维结构在应用于导电剂中，相较于导电炭黑的点状接触、碳纳米管的线状接触，可以同时与更多的电极活性材料颗粒接触，因此相较于导电炭黑与碳纳米管，能以更小的添加量，发挥更佳的改善电池极片内阻的效果。
该种层状多孔导电材料兼具石墨烯结构完整、高导电致密层状结构，与多孔、便于离子传输的多孔层状结构。应用于锂离子电池导电剂中，可以同时兼顾锂离子电池尤其是动力电池大倍率充放电过程所需的高效电子传导与离子传导，达到最佳的导电效果。
实际测试表明，本发明所实现的层状多孔锂电池导电材料用于锂电池中，可以显著改善电池内阻，降低锂电池大倍率充放电的极化效应从而提升电池大倍率充放电性能，同时可显著提升电池大倍率充放电过程的循环寿命。这对锂离子动力电池，尤其是新能源汽车所用锂离子动力电池均具有重要意义：使电池可以实现更快的充放电速度，缩短充电时间，同时提升电池的使用寿命。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；
图1是本发明实施例提供的基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料的制备方法流程图。
图2是本发明实施例提供的层状多孔结构的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
一、解释说明实施例：
如图1所示，本发明实施例提供一种基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备Mxene分散液：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液；
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:10～40，HCl溶液中HCl浓度为9M(mol/L)，搅拌时间20-120min；
而后将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：10～100，反应温度20-60℃，反应时间12-48h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
S2，制备复合粉体：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，水性氧化石墨烯浓度为0.1-1mg/ml。氧化石墨烯与MXene配比为1:0.5-2范围。而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构；
S3，还原：将复合粉体置于500-800℃氢气气氛中还原1-8h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀2-8h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构。进而最终得到层状多孔导电材料。
本发明实施例还提供一种基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料，以Mxene二维层状材料为多孔碳前驱体，通过与氧化石墨烯的分散液复合、干燥的方式构建Mxene与石墨烯层层堆叠的结构，而后通过高温还原、刻蚀的过程进而得到多孔层状碳结构与石墨烯层层组装的二维层状复合结构。所得到的层状多孔结构的扫描电镜照片如附图2所示。
以下为实施例详细描述
实施例1
S1，制备Mxene分散液：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液；
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:10，HCl溶液中HCl浓度为9M(mol/L)，搅拌时间120min；
而后将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：50，反应温度50℃，反应时间48h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
S2，制备复合粉体：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，水性氧化石墨烯浓度为0.1mg/ml。氧化石墨烯与MXene配比为1:1。而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构；
S3，还原：将复合粉体置于800℃氢气气氛中还原8h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀8h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构。进而最终得到层状多孔导电材料。
实施例2
S1，制备Mxene分散液：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液；
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:40，HCl溶液中HCl浓度为9M(mol/L)，搅拌时间20min；
而后将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：10，反应温度20℃，反应时间12h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
S2，制备复合粉体：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，水性氧化石墨烯浓度为1mg/ml。氧化石墨烯与MXene配比为1:0.5。而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构；
S3，还原：将复合粉体置于500℃氢气气氛中还原8h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀2h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构。进而最终得到层状多孔导电材料。
实施例3
S1，制备Mxene分散液：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液；
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:10，HCl溶液中HCl浓度为9M(mol/L)，搅拌时间120min；
而后将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：50，反应温度50℃，反应时间48h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
S2，制备复合粉体：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，水性氧化石墨烯浓度为0.1mg/ml。氧化石墨烯与MXene配比为1:2。而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构；
S3，还原：将复合粉体置于650℃氢气气氛中还原1h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀6h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构。进而最终得到层状多孔导电材料。
实施例4
S1，制备Mxene分散液：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液；
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:20，HCl溶液中HCl浓度为9M(mol/L)，搅拌时间60min；
而后将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：20，反应温度60℃，反应时间24h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
S2，制备复合粉体：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，水性氧化石墨烯浓度为0.5mg/ml。氧化石墨烯与MXene配比为1:0.8。而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构；
S3，还原：将复合粉体置于700℃氢气气氛中还原6h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀4h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构。进而最终得到层状多孔导电材料。
实施例5
S1，制备Mxene分散液：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液；
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:30，HCl溶液中HCl浓度为9M(mol/L)，搅拌时间90min；
而后将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：30，反应温度40℃，反应时间18h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
S2，制备复合粉体：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，水性氧化石墨烯浓度为0.8mg/ml。氧化石墨烯与MXene配比为1:1.5。而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构；
S3，还原：将复合粉体置于750℃氢气气氛中还原4h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀2h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构。进而最终得到层状多孔导电材料。
实施例6
S1，制备Mxene分散液：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液；
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:40，HCl溶液中HCl浓度为9M(mol/L)，搅拌时间40min；
而后将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：100，反应温度30℃，反应时间36h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
S2，制备复合粉体：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，水性氧化石墨烯浓度为0.2mg/ml。氧化石墨烯与MXene配比为1:1。而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构；
S3，还原：将复合粉体置于550℃氢气气氛中还原7h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀5h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构。进而最终得到层状多孔导电材料。
实施例7
S1，制备Mxene分散液：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液；
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:10，HCl溶液中HCl浓度为9M(mol/L)，搅拌时间120min；
而后将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：50，反应温度50℃，反应时间48h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
S2，制备复合粉体：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，水性氧化石墨烯浓度为0.1mg/ml。氧化石墨烯与MXene配比为1:3。而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构；
S3，还原：将复合粉体置于800℃氢气气氛中还原8h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀5h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构。进而最终得到层状多孔导电材料。
实施例8
S1，制备Mxene分散液：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液；
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:10，HCl溶液中HCl浓度为9M(mol/L)，搅拌时间120min；
而后将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：50，反应温度50℃，反应时间48h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
S2，制备复合粉体：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，水性氧化石墨烯浓度为0.1mg/ml。氧化石墨烯与MXene配比为1:0.1。而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构；
S3，还原：将复合粉体置于800℃氢气气氛中还原8h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀5h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构。进而最终得到层状多孔导电材料。
对比例1
S1，制备Mxene分散液：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液；
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:10，HCl溶液中HCl浓度为9M(mol/L)，搅拌时间120min；
而后将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：50，反应温度50℃，反应时间48h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
S2，制备粉体：Mxene上清液经过喷雾干燥过程得到Mxene粉体；
S3，刻蚀Mxene形成多孔碳结构：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀2-8h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构。进而最终得到多孔导电材料。
对比例2
S1，制备氧化石墨烯粉体：将水性氧化石墨烯浆料经过喷雾干燥过程得到氧化石墨烯复合粉体；
S2，还原：将氧化石墨烯粉体置于800℃氢气气氛中还原1-8h，使得氧化石墨烯被还原为石墨烯；
二、下面结合性能测试方法对本发明技术方案作进一步描述。
性能测试方法：
1.制备电池极片
将正级活性物质磷酸铁锂、导电剂和粘结剂(聚四氟乙烯，PVDF)按照93.5：4.0:2.5的质量比与溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合，经过充分搅拌分散制成正级浆料，经过涂布、干燥、粮压和模切等工序，制成正极片。涂布单面面密度为190g/m2，双面面密度为380g/m2。将石墨、导电剂、接甲基纤维素纳(CMC)和丁苯橡胶(SBR,40％的固含量)按照96.0:1.0:1.5:1.5的质量比分散于去离子水中，充分搅拌混合，形成均匀分散的负极浆料。经涂布、干燥、辊压和模切等工序，制成负极片。正极涂布基材为涂碳铝箔，负极涂布基材为铜箔。
2.正负极极片和隔膜按照叠片工艺制成干电芯，电池隔膜为单面涂陶瓷隔膜，负极比正极极片多一片，干电芯入壳后，经过烘烤、注液、化成、老化和分容后，制得锂电池全电池。
3.通过测试电池充放电曲线(电压范围2.5-3.6V)得到电池充放电性能，通过测试电池交流阻抗谱得到电池内阻。
在性能测试方法中，所述导电剂为该发明实施例、对比例中所得到的层状多孔导电材料、多孔碳材料或石墨烯；或外购的锂电池常用导电剂即导电炭黑或碳纳米管。
测试数据表格如下所示：
从实施例1-6(工艺处于保护范围内)，实施例7-8(工艺略微超出本发明保护范围)，对比例情况来看。该发明所提供的导电材料应用为锂电池导电剂，相对传统石墨烯、导电炭黑及碳纳米管导电剂，可以显著降低电池内阻，提升电池的放电中值电压尤其是大倍率放电中值电压。同时能显著提升电池在大倍率充放电条件下的循环寿命。
实际测试表明，使用该导电剂的锂电池的电池内阻，大倍率充放电性能与大倍率循环性能均好于现有产品。
三、下面结合应用例对本发明技术方案作进一步描述。
应用例1
本发明实施例提供一种搭载所述锂离子电池的动力电池大倍率充放电电池组，安装在公共交通机动车辆中，在低温下进行电子传导与离子传导。
应用例2
本发明实施例提供的一种搭载所述动力电池大倍率充放电电池组的作业机器人。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料，其特征在于，所述基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料以Mxene二维层状材料为多孔碳前驱体，通过与氧化石墨烯的分散液复合、干燥的方式构建Mxene与石墨烯层层堆叠的结构，通过高温还原、刻蚀的过程进而得到多孔层状碳结构与石墨烯层层组装的二维层状复合结构。
2.一种实现权利要求1所述基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
S1，制备Mxene分散液；
S2，制备复合粉体；
S3，将复合粉体还原，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构，得到层状多孔导电材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述得到MXene分散液具体包括以下步骤：
将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:10～40，HCl溶液中HCl摩尔浓度为9M，搅拌时间20-120min；
再将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：10～100，反应温度20-60℃，反应时间12-48h；
完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，制备复合粉体包括：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，水性氧化石墨烯浓度为0.1-1mg/ml；氧化石墨烯与MXene配比为1:0.5-2。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，将复合粉体置于500-800℃氢气气氛中还原1-8h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构包括：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀2-8h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构，最终得到层状多孔导电材料。
9.一种层状二维结构的导电剂，利用权利要求1所述基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料制备。
10.一种锂离子电池，利用权利要求7所述层状二维结构的导电剂制备。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113823781A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-12-21 | 惠州锂威新能源科技有限公司 | 一种复合负极材料及其制备方法 |
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