一种MXene基复合柔性电极材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种MXene基复合柔性电极材料及其制备方法。

背景技术

随着可再生能源、便携式电子设备和电动汽车行业的快速发展，人们对储能设备的需求不断增加。其中，锂离子电池因具有高能量密度、良好的电动势和轻巧性，在众多储能设备中脱颖而出。然而锂离子电池的电化学性能主要取决于电极材料的结构和性质，并且在很大程度上受到电极材料固有特性的影响，如理论容量、锂离子脱嵌电压以及循环稳定性等。因此，开发具有高比容量、高循环性能以及高充/放电速率的电极材料对锂离子电池的研究具有重要意义。

目前制备MXene复合柔性电极材料的方法主要包括：一是将MXene直接涂覆在碳布上；二是将MXene分散液通过抽滤得到自支撑薄膜等。如中国专利CN112331486A公开了一种等离子体改性碳布和MXene柔性电极材料的制备方法，通过气相沉积法和浸渍法改性碳布，得到一种高性能复合柔性电极，但MXene在碳布上负载难以得到精确控制。中国专利CN111554881A公布了一种将MXene悬浊液抽滤得到MXene自支撑薄膜，烘干后直接用作电极的方法。该方法虽充分利用了MXene本身具有的良好机械性能，但由于MXene自身的堆叠效应，使得电极材料无法完全发挥效用。

因此，如何开发一种新型的、制备简易的高性能MXene柔性复合电极材料对锂离子电池的广泛应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MXene基复合柔性电极材料及其制备方法，解决现有技术提供的MXene柔性复合电极材料性能较差、制备方法复杂的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种MXene基复合柔性电极材料的制备方法，包括以下步骤：

将Ti

优选的，在上述一种MXene基复合柔性电极材料的制备方法中，所述将Ti

优选的，在上述一种MXene基复合柔性电极材料的制备方法中，所述喷涂Ti

优选的，在上述一种MXene基复合柔性电极材料的制备方法中，所述喷涂一次Ti

优选的，在上述一种MXene基复合柔性电极材料的制备方法中，所述Ti

优选的，在上述一种MXene基复合柔性电极材料的制备方法中，所述保护气体为氮气或氩气；碳化的温度为700～800℃；碳化的时间为1～2h；碳化的升温速率为2～5℃/min。

优选的，在上述一种MXene基复合柔性电极材料的制备方法中，所述基底为纤维素类无纺布；基底的尺寸为8×10cm；基底的克数为80～90g/m

优选的，在上述一种MXene基复合柔性电极材料的制备方法中，所述基底在使用前还包括预处理；预处理为依次使用水和无水乙醇超声洗涤，然后烘干。

本发明还提供了上述制备方法制得的一种MXene基复合柔性电极材料。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的MXene基CNTs/Ti

(2)本发明以无纺布为基底，不需要添加粘结剂和导电剂，碳化后无纺布具有良好的导电网络，可直接用作电极材料，有利于电子和离子的传输与存储。

(3)本发明的电极材料具有优异的电化学性能，首次放电比容量高达2330mAh/g，循环可逆比容量为1150mAh/g，同时表现出良好的倍率性能和全电池应用性能。

(4)本发明电极材料的制备方法操作简单，加工成本低，利于工业化大规模生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例1所制备的CNTs/Ti

图2为实施例2所制备的CNTs/Ti

图3为实施例2所制备的CNTs/Ti

其中，a为实物图；b为在弯曲下的示意图；

图4为实施例1～3所制备的CNTs/Ti

图5为实施例1～3所制备的CNTs/Ti

图6为实施例2所制备的CNTs/Ti

图7为实施例2所制备的CNTs/Ti

图8为实施例2所制备的全电池CNTs/Ti

图9为对比例1和对比例2所制备的MXene-CC和CNTs-CC复合柔性电极材料的循环性能图。

具体实施方式

本发明提供了一种MXene基复合柔性电极材料的制备方法，包括以下步骤：

将Ti

在本发明中，所述将Ti

在本发明中，所述喷涂Ti

在本发明中，所述喷涂一次Ti

在本发明中，所述Ti

在本发明中，所述Ti

在本发明中，所述CNTs分散液为CNTs的水分散液；CNTs购于南京先丰纳米材料科技有限公司；CNTs的外径优选为1～2nm，进一步优选为2nm；CNTs的长度优选为5～30μm，进一步优选为10～25μm，更优选为15μm。

在本发明中，所述喷涂Ti

在本发明中，所述保护气体优选为氮气或氩气，进一步优选为氩气；碳化的温度优选为700～800℃，进一步优选为720～790℃，更优选为760℃；碳化的时间优选为1～2h，进一步优选为1.2～1.8h，更优选为1.5h；碳化的升温速率优选为2～5℃/min，进一步优选为2.5～4.5℃/min，更优选为3.5℃/min。

在本发明中，所述基底优选为纤维素类无纺布，进一步优选为水刺棉无纺布；基底的尺寸优选为8×10cm；基底的克数优选为80～90g/m

在本发明中，所述基底在使用前还包括预处理；预处理为依次使用水和无水乙醇超声洗涤，然后烘干。

在本发明中，所述使用水和无水乙醇超声洗涤的时间独立的优选为10～15min，进一步优选为11～14min，更优选为13min；超声洗涤的超声功率优选为100w。

在本发明中，所述烘干的温度优选为60～80℃，进一步优选为62～76℃，更优选为68℃；烘干的时间优选为40～60min，进一步优选为43～56min，更优选为52min。

本发明还提供了上述制备方法制得的一种MXene基复合柔性电极材料。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种MXene基复合柔性电极材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)裁剪一块8×10cm的水刺棉无纺布(81g/m

(2)在预处理基底的上下表面先喷涂一层1.7mg/mL的Ti

(3)将喷涂后的基底用刚玉片夹住放进马弗炉中，在氮气保护下碳化，以升温速率为5℃/min升温至800℃，碳化1h，得到CNTs/Ti

将CNTs/Ti

将CNTs/Ti

实施例2

本实施例提供一种MXene基复合柔性电极材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)裁剪一块8×10cm的水刺棉无纺布(81g/m

(2)在预处理基底的上下表面先喷涂一层1.7mg/mL的Ti

(3)将喷涂后的基底用刚玉片夹住放进马弗炉中，在氮气保护下碳化，以升温速率为2℃/min升温至800℃，碳化1.5h，得到CNTs/Ti

将CNTs/Ti

将CNTs/Ti

将CNTs/Ti

实施例3

本实施例提供一种MXene基复合柔性电极材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)裁剪一块8×10cm的水刺棉无纺布(81g/m

(2)在预处理基底的上下表面先喷涂一层2mg/mL的Ti

(3)将喷涂后的基底用刚玉片夹住放进马弗炉中，在氮气保护下碳化，以升温速率为5℃/min升温至700℃，碳化2h，得到CNTs/Ti

将CNTs/Ti

对比例1

本对比例提供一种MXene-CC基复合柔性电极材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)裁剪一块8×10cm的水刺棉无纺布(81g/m

(2)在预处理基底的上下表面先喷涂一层2mg/mL的Ti

(3)将喷涂后的基底用刚玉片夹住放进马弗炉中，在氮气保护下碳化，以升温速率为5℃/min升温至700℃，碳化2h，得到的复合柔性电极材料，记为MXene-CC。

将MXene-CC用于锂离子电池负极(以锂片为对电极装载在2032扣式电池中)，循环性能如图9所示，可知在100mA/g电流密度下，100圈循环可逆比容量为680mAh/g。

对比例2

本对比例提供一种CNTs-CC基复合柔性电极材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)裁剪一块8×10cm的水刺棉无纺布(81g/m

(2)在预处理基底的上下表面先喷涂一层3mg/mL的CNTs分散液，干燥后再依次喷涂2层CNTs分散液，记为喷涂后的基底；CNTs分散液在上下表面的喷涂量均为每个表面喷涂2mL；

(3)将喷涂后的基底用刚玉片夹住放进马弗炉中，在氮气保护下碳化，以升温速率为5℃/min升温至700℃，碳化2h，得到的复合柔性电极材料，记为CNTs-CC。

将CNTs-CC用于锂离子电池负极(以锂片为对电极装载在2032扣式电池中)，循环性能如图9所示，可知在100mA/g电流密度下，100圈循环可逆比容量为550mAh/g。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。