一种氧化亚硅/MXene复合负极材料及其制备方法

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料制备技术领域，具体涉及一种氧化亚硅/MXene复合负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池（LIBs）作为目前应用最广泛的储能系统之一，自20世纪90年代商业化以来便迅速应用于各个领域。近年来随着便携式电子设备的发展和电动汽车需求的不断增加，当前LIBs的能量密度已经逐渐不能满足人们的需求，开发高能量密度的LIBs是一项迫在眉睫的任务。LIBs主要由正极材料、负极材料和电解液等部分组成，其中，开发高容量的负极材料是提升能量密度的主要策略之一。

石墨是商用锂离子电池中最常用的负极材料，层状结构的石墨能够让锂离子自由地嵌入和脱出，几乎不存在体积上的变化，这使得其具有优异的循环稳定性，然而，石墨有限的比容量（理论容量：372 mAh/g）无法满足快速增长的高能量密度需求。氧化亚硅（SiO）的理论比容量为2600 mAh/g，比石墨的7倍还多，同时它还具有低电位、储量丰富、环境友好等优点，很有希望作为下一代高能量密度锂离子电池的负极材料。但SiO作为半导体，导电性较差，并且在充放电过程中伴随着体积膨胀（~200%），这会导致颗粒的粉碎和SEI膜的不断形成，进一步导致循环过程中容量迅速衰减。

为了解决以上问题，科学家做出了许多尝试，包括设计高比表面积的介孔结构、对硅进行不同材料的包覆、将硅与其他材料进行多元复合等，取得了一系列的进展。MXenes作为2011年以来新发现的一系列二维过渡金属碳化物和氮化物，拥有大的可调节的层间空间和高长宽比，其表面丰富的终端（例如，-OH、-O和-F）赋予了其丰富的表面化学特性，如亲水性和导电性等。这些独特的性能使它们广泛地应用于电池和超级电容器等储能设备。Ti

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种锂离子电池用氧化亚硅/MXene复合负极材料及其制备方法。

所述的氧化亚硅/MXene复合负极材料是由带正电荷的氧化亚硅与表面带负电荷的Ti

所述的带正电荷的氧化亚硅的制备方法为：将质量比为1:4-5的氧化亚硅粉末与阳离子表面活性剂分散到去离子水中，超声改性20-40 min后得到带正电荷的氧化亚硅水溶液。

所述氧化硅粉末的制备方法为：将氧化亚硅与氧化锆小球按质量比1:5-10、优选1:6-8混合球磨；球磨转速为300-600 rpm，优选400-500 rpm；球磨时间为5-10h，优选6-8h。

所述的表面带负电荷的Ti

所述的盐酸的浓度为9-12 mol/L，优选9-10 mol/L；钛碳化铝与氟化锂的质量比为1:1.8-2.4，优选1:1.8-2；氟化锂与盐酸的质量体积比为1.2-2.4g : 20-40mL，优选1.8-2g : 25-30mL。

所述刻蚀的温度为35-45 ℃，优选40-45 ℃；刻蚀的时间为24-48 h，优选36-48h。

所述的涡旋振荡的速率为2000-2400 rpm，优选2200-2300 rpm；涡旋振荡的时间为20-60 min，优选30-40 min；离心的转速为3000-10000rpm，优选3500-5000 rpm；离心时间为3-15 min，优选5-8 min。

所述的表面带负电荷的Ti

所述静电自组装的具体操作为：将表面带负电荷的Ti

所述的表面带负电荷的Ti

所述高温退火温度为300-350 ℃，优选300-330 ℃；时间为2-3 h。保证PDDA完全分解。

本发明利用MXene带负电的特性，将简单的球磨+静电自组装策略引入氧化亚硅与MXene纳米片的复合中，其中球磨后的氧化亚硅粒径显著减小，通过静电作用均匀锚定在MXene纳米片上，形成稳固的三维结构，提高了复合材料的导电性与稳定性，同时Ti

附图说明

图1为实施例1制备的氧化亚硅/Ti

图2为实施例1制备的氧化亚硅/Ti

图3为实施例1制备的氧化亚硅/MXene复合材料作为锂离子电池负极材料的循环性能曲线图；其中充放电电流密度为100 mA/g。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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

锂离子电池用氧化亚硅/MXene复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）称取1.6g的LiF溶于30ml的9 mol/L的盐酸中，室温下搅拌20 min。称取1.0 g的Ti

（2）将刻蚀完毕的风琴状MXene进行离心洗涤，每次离心转速为3500 rpm，离心时间为5 min。经过数次离心洗涤后，上清液的pH值达到7，收集底部沉淀。

（3）将沉淀重新分散到100 mL去离子水中，以2200rpm的转速振荡20min，以10000rpm的转速离心5min，重复以上步骤2次。

（4）将所得黑色Ti

（5）将0.5 g的氧化亚硅粉末与2 g的PDDA分散到50 mL去离子水中，超声处理20min，离心洗涤后得到带正电的氧化亚硅溶液。

（6）将40 mL的Ti

（7）将底部沉淀在60 ℃下真空烘干后，将其转移至氮气环境中，300 ℃下退火2h，得到氧化亚硅/Ti

将上述材料按照活性物质：Super P：PAA=70:20:10的比例进行混合制备电极片，以Celgard膜为隔膜，1mol/L LiPF

实施例2

锂离子电池用氧化亚硅/MXene复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）称取1.8g的LiF溶于30 mL的10mol/L的盐酸中，室温下搅拌10 min。称取1.0 g的Ti

（2）将刻蚀完毕的风琴状MXene进行离心洗涤，每次洗涤转速为3500 rpm，离心时间为5 min。经过数次离心洗涤后，上清液的pH值达到7，收集底部沉淀。

（3）将沉淀重新分散到100 mL去离子水中，以2300rpm的转速振荡25min，以10000rpm的转速离心5min，重复以上步骤4次。

（4）将所得黑色Ti

（5）将0.5 g的氧化亚硅粉末与2 g的PDDA分散到50 mL去离子水中，超声处理20min，离心洗涤后得到带正电的氧化亚硅溶液。

（6）将35 mL的Ti

（7）将底部沉淀在60 ℃下真空烘干后，将其转移至氮气环境中，300 ℃下退火2h，得到氧化亚硅/Ti

实施例3

锂离子电池用氧化亚硅/MXene复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）称取1.6 g的LiF溶于35 mL的9 mol/L的盐酸中，室温下搅拌10 min。称取1.0g的Ti

（2）将刻蚀完毕的风琴状MXene进行离心洗涤，每次洗涤转速为3500 rpm，离心时间为5 min。经过数次离心洗涤后，上清液的pH值达到7，收集底部沉淀。

（3）将沉淀重新分散到100 mL去离子水中，以2400rpm的转速振荡20min，以10000rpm的转速离心5min，重复以上步骤5次。

（4）将所得黑色Ti

（5）将0.5 g的氧化亚硅粉末与2.5 g的PDDA分散到50 mL去离子水中，超声处理20min，离心洗涤后得到带正电的氧化亚硅溶液。

（6）将30 mL的Ti

（7）将底部沉淀在60 ℃下真空烘干后，将其转移至氮气环境中，300 ℃下退火2h，得到氧化亚硅/Ti

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。