[发明专利]MXene-硅复合负极材料、含其的电池及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种MXene‑硅复合负极材料、含其的电池及其制备方法和应用。所述制备方法包括：将表面带正电荷的纳米硅粉与表面带负电荷的Mxene在液相条件下混合，即得；其中，所述MXene与纳米硅粉的质量比为1‑10；所述纳米硅粉的粒径为10‑150nm。本发明选择MXene作为硅基负极材料的结构框架和包覆材料，形成层级结构的MXene‑硅复合材料，提升硅基负极材料的整体导电性能，其可用于制备锂电子电池，工艺简单且利于大规模生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种MXene-硅复合负极材料、含其的电池及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因为其能量密度高、自放电效应小、循环和倍率性能优异、绿色环保无污染而被广泛的应用在社会的各行各业之中。近几年以来随着科技的发展，人们对以锂离子电池为能量来源的3C产品和电动汽车的续航能力有了更高的要求，这对锂离子电池带来了机遇也带来了挑战。目前锂离子电池商业化的负极材料主要为石墨，其比容量只有372mAh/g，这严重制约了锂离子电池的发展，所以开发更高比容量的负极材料成为了提示声锂离子电池能量密度的关键。

硅在作为锂离子电池负极材料时，其理论比容量可高达4200mAh/g，此外硅在地球上的储量丰富，所以其被认为是下一代锂离子电池负极材料。但是硅在应用过程中也存在着一些问题，最主要的问题是在电化学反应过程中其体积会发生较大的变化，从而导致活性物质从极片上脱落、电池的容量下降。此外，硅是一种半导体材料，其导电性较差，这限制了电池的倍率性能。目前解决这些问题的主要办法是将硅纳米化，称为纳米硅，其粒径小于5nm但是较小的粒径容易使材料团聚从而影响材料的性能。解决上述问题的主要方法是将硅与其他导电材料进行复合，在提升材料导电性的同时缓解其在脱嵌锂时的体积变化。此外表面活性剂的加入可以在一定程度上解决纳米材料团聚问题。

MXene是一种新型的二维无机化合物材料，由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。由于MXene材料表面有羟基或末端氧，这些基团使其表面呈负电性，同时该材料也具有过渡金属碳化物的金属导电性。通过湿法刻蚀制备合成的MXene具有类似手风琴的结构。因MXene具有高比表面积、高电导率和良好的亲水性能等优点，广泛应用在锂离子电池、钠离子电池、超级电容器、选择性离子筛分、电磁屏蔽、生物医学等领域中。但是，纯MXene容易发生塌陷和堆垛，使用插层改性、掺杂处理或与其他材料复合等方法可以阻止其堆叠，减少离子扩散阻力，从而提高其电化学性能。

中国专利申请CN109346681A(公开日2019年2月15日)公开了一种硅基负极材料的制备方法，该专利将纳米硅粉与MXene材料液相混合，之后再用沥青将混合后的样品进行包覆和碳化，最后获得一种核壳结构的纳米硅-MXene复合负极材料。但是该专利利用多种导电材料与硅进行复合，较长的制备流程不利于放大生产。此外，该制备过程仍然没有解决纳米硅粉的团聚问题。所以，需要开发一种制备工艺简单、材料性能优异的锂离子电池硅基负极材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中缺少制备工艺简单、材料性能优异的锂离子电池硅基负极材料的不足，提供一种锂电池的MXene-硅复合负极材料及其制备方法。本发明通过表面改性和静电自组装技术，在解决了纳米硅粉团聚的同时，使纳米硅粉和具有层状结构的MXene静电自组装制备得到MXene-硅复合负极材料，制备工艺简单，制得的MXene-硅复合负极材料结构稳定、循环性能优异。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：

本发明的第一方面提供一种MXene-硅复合负极材料的制备方法，包括：将表面带正电荷的纳米硅粉与表面带负电荷的Mxene在液相条件下混合，即得；

其中，所述MXene与纳米硅粉的质量比为1-10；

所述纳米硅粉的粒径为10-150nm。

较佳地，所述MXene与纳米硅粉的质量比为1-9；