本發(fā)明屬于鈉離子電池負(fù)極材料，具體涉及一種二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料及其制備方法和鈉離子電池。

背景技術(shù)：

1、

2、雖然鋰離子電池目前在電動汽車、3c產(chǎn)品等領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用，但是鋰資源儲量有限，成本價高，并且鋰離子電池充放電過程中有著起火爆炸的危險，這些使鋰離子電池難以滿足儲能領(lǐng)域?qū)Ω甙踩膫?cè)重要求。鈉元素相對于鋰元素而言儲量豐富且具備價格優(yōu)勢，并且鈉離子電池還展現(xiàn)出低廉的生產(chǎn)成本、寬溫域適應(yīng)性和突出的安全性，在工業(yè)用削峰填谷儲能電池、光伏風(fēng)伏配套儲能、電網(wǎng)調(diào)頻等高功率密度儲能領(lǐng)域具有大規(guī)模應(yīng)用潛力。此外，為滿足大規(guī)模儲能裝置更加嚴(yán)格的安全性要求，水系鈉離子電池也成為一大研究熱點(diǎn)。

3、而發(fā)展高性能的鈉離子電池儲能電池需要高性能的電極材料。特別是在水系鈉離子電池中，水系電解液有著較低的分解電壓(1.23v)，對電極材料的性質(zhì)提出了更嚴(yán)苛的要求。二維材料具有獨(dú)特的物理化學(xué)特性和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性，作為鈉離子電池負(fù)極材料被廣泛研究。自2011年yury?gogostsi團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)過渡金屬碳氮化物(mxenes)材料以來，其作為一種特殊的二維材料，因其金屬導(dǎo)電性、可調(diào)節(jié)的表面終端以及富含的氧化還原活性金屬原子越來越引起人們的關(guān)注。金屬氧族化合物也是一種優(yōu)異的二維材料，其較大的層間距有利于離子的擴(kuò)散與傳輸。因此，將mxenes與金屬氧族化合物結(jié)合，有望充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，助力高性能有機(jī)及水系鈉離子電池的實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供了一種二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料及其制備方法和鈉離子電池。本發(fā)明選用二元及多元金屬mxenes衍生得到二元及多元金屬氧族化合物同原有碳層復(fù)合的異質(zhì)結(jié)材料，多種材料與材料之間產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加優(yōu)異的物理化學(xué)性能，從而助力高性能有機(jī)及水系鈉離子電池的實(shí)際應(yīng)用。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明第一個方面提供了一種二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料的制備方法，包括如下步驟：

4、(1)將多層mxenes粉末與插層劑混合并攪拌，得到懸浮液，將懸浮液離心分離，得到沉淀產(chǎn)物；

5、(2)將步驟(1)得到的沉淀產(chǎn)物加入至去離子水中超聲，然后離心，得到沉淀物，真空干燥，得到產(chǎn)物粉末；

6、(3)將步驟(2)得到的產(chǎn)物粉末與硒粉或碲粉混合，在惰性氣體保護(hù)下煅燒，得到所述的二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料。

7、進(jìn)一步地，步驟(1)中所述多層mxenes粉末為以下二元及多元mxenes材料中的一種：tivctx、tinbctx、titactx、vnbctx、ti2vc2tx、ti2tac2tx、mo2tic2tx、mo2ti2c3tx。

8、進(jìn)一步地，步驟(1)中所述插層劑為四丁基氫氧化銨的水溶液(tboah)，插層劑的濃度為5～20wt％。

9、進(jìn)一步地，步驟(1)中所述多層mxenes粉末與插層劑的質(zhì)量體積比為0.01g/ml～2g/ml。

10、進(jìn)一步地，步驟(2)中所述超聲的時間為0.5～2h。

11、進(jìn)一步地，步驟(2)中所述離心的轉(zhuǎn)速為5000～10000rpm，離心的時間為0.5～2h。

12、進(jìn)一步地，步驟(3)中所述產(chǎn)物粉末與硒粉或碲粉的質(zhì)量比為1:2～1:10。

13、進(jìn)一步地，步驟(3)中所述煅燒的溫度范圍為450℃～650℃，煅燒的升溫速率為2℃/min～5℃/min，煅燒的時間為2h～4h。

14、本發(fā)明第二個方面提供了一種二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料，其采用本發(fā)明的上述方法制備。

15、本發(fā)明第三個方面提供了一種鈉離子電池，所述鈉離子電池負(fù)極材料中的活性物質(zhì)包含上述一種二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料。

16、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

17、1.本發(fā)明提供了一種二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料的制備方法，所述方法選擇多層二元及多元mxenes材料，首先通過插層剝離制備單層mxenes，再通過煅燒法在mxenes上原位生長得到二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料。mxenes具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，插層后擴(kuò)大的層間距更有利于離子的快速嵌入/脫出，可控的煅燒溫度和煅燒速率還能夠有效地抑制相分離得到均一的異質(zhì)結(jié)材料。以mxenes為模板，通過煅燒法依附其表面生長出的金屬氧族化合物能夠在一定程度上利用同種過渡金屬元素之間相近的配位結(jié)構(gòu)形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性。

18、2.本發(fā)明提供了一種鈉離子電池，所述鈉離子電池負(fù)極材料中活性物質(zhì)為本發(fā)明所述一種二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料。所述氧族化合物中硒或碲與金屬之間鍵能較小，有著更窄的帶隙和線寬。較大半徑的硒原子/碲原子使得金屬硒化物/碲化物有著較大層間距，有利于離子的擴(kuò)散與傳輸，其更強(qiáng)的本征電導(dǎo)率還能減少離子之間的“吸附”趨勢，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的電化學(xué)可逆性和更快的電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)；氧族化合物同mxenes金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)之間的莫特-肖特基效應(yīng)形成了異質(zhì)結(jié)界面處的的內(nèi)置電場，為離子和電子的快速輸運(yùn)提供了動力；所保持的層狀結(jié)構(gòu)也能在一定程度上緩解電極材料在充放電過程中的體積膨脹。所述鈉離子電池，在100ma?g-1的電流密度下，首次放電比容量達(dá)845.89mah?g-1，充放電循環(huán)50周仍然有342.48mah?g-1的可逆放電比容量。

技術(shù)特征：

1.一種二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料的制備方法，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟(1)中所述多層mxenes粉末為以下二元及多元mxenes材料中的一種：tivctx、tinbctx、titactx、vnbctx、ti2vc2tx、ti2tac2tx、mo2tic2tx、mo2ti2c3tx。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟(1)中所述插層劑為四丁基氫氧化銨的水溶液，插層劑的濃度為5～20wt％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟(1)中所述多層mxenes粉末與插層劑的質(zhì)量體積比為0.01g/ml～2g/ml。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟(2)中所述超聲的時間為0.5～2h，所述離心的轉(zhuǎn)速為5000～10000rpm，離心的時間為0.5～2h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟(3)中所述產(chǎn)物粉末與硒粉或碲粉的質(zhì)量比為1:2～1:10。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟(3)中所述煅燒的溫度范圍為450℃～650℃，煅燒的升溫速率為2℃/min～5℃/min，煅燒的時間為2h～4h。

8.一種二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料，其特征在于：采用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的方法制備。

9.一種鈉離子電池，其特征在于：所述鈉離子電池負(fù)極材料中的活性物質(zhì)包含權(quán)利要求8所述的二元及多元金屬氧族化合物@mxenes異質(zhì)結(jié)材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種二元及多元金屬氧族化合物@MXenes異質(zhì)結(jié)材料及其制備方法和鈉離子電池，涉及鈉離子電池負(fù)極材料技術(shù)領(lǐng)域。所述方法將多層MXenes材料插層剝離后同硒粉和碲粉高溫煅燒，得到形貌規(guī)整的金屬氧族化合物@MXenes異質(zhì)結(jié)材料。將所述材料作為負(fù)極材料中的活性物質(zhì)制備的鈉離子電池，在100mA?g<supgt;?1</supgt;的電流密度下，首次放電比容量達(dá)845.89mAh?g<supgt;?1</supgt;，充放電循環(huán)50周仍然有340mAh?g<supgt;?1</supgt;的可逆放電比容量。

技術(shù)研發(fā)人員：薛晴,徐麗,李圣驛,裘呂超,周宇通,王博,盛鵬,李慧,白會濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京智慧能源研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8