[发明专利]一种金属氧化物纳米片材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池电极材料技术领域，提供了一种金属氧化物纳米片材料的制备方法。本发明将MAX相刻蚀得到多片层MXene，经过插层、超声、离心收集得到单层或少层MXene纳米片分散液；将MXene纳米片分散液冷冻干燥、高温煅烧即可制备金属氧化物纳米片材料。由于该金属氧化物纳米片具有二维层状结构，使得其具有较高的比表面积和活性位点，从而获得优异的电化学性能。实验结果表明，本发明提供的金属氧化物材料作为锂离子电池负极具有良好的储锂性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种金属氧化物纳米片材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

随着锂离子电池在电子产品和新能源快充电动汽车等领域的广泛应用，对锂离子电池的性能提出了更高的要求。目前商用锂离子电池负极材料石墨的理论比容量为372mAhg^-1，实际容量约为300～320mAh g^-1，无法满足实际应用对高能量电极材料的需求，因此，迫使研究人员开发具有更高体积(Wh/L)和质量能量密度(Wh/kg)，长循环寿命以及高安全性的电池。金属氧化物具有高理论比容量，较好的化学稳定性和对环境友好的特性，是具有发展前景的下一代高能量锂离子电池电极材料。但是充放电过程中的大体积膨胀导致了容量的快速衰减，以及电导率低等因素限制了金属氧化物在锂离子电池负极上的应用。

研究者们通过各种途径来改善金属氧化物的电化学性能，包括碳包覆、纳米化以及元素掺杂等。其中，材料的电化学性能与其微观结构具有直接关系。二维材料具有比表面积大，活性位点多、具有优良电子特性等优势。将非层状的材料制备为二维层状材料有望获得高性能的锂离子电池负极材料。目前，将非层状材料制备为层状材料的方法主要为二维模板法。但是，这种方法较难实现二维纳米片的均匀生长，导致所获得纳米片厚薄不均匀，而且一些模板方法例如盐模板法产率也比较低。过渡金属碳化物或氮化物，也称MXene，是2011年被首次发现的新型材料，它具有高电导率、亲水性、和纳米层厚度可控等特点。鉴于此，本发明提出一种普适的方法，通过将M₂X型MXene材料进行氧化，获得具有大比表面积，二维层状结构的金属氧化物纳米片。

发明内容

本发明的目的之一是提供了一种用于锂离子电池负极材料的金属氧化物纳米片，所制备的金属氧化物纳米片具有良好的电化学性能。

本发明的目的之二是提供一种制备上述金属氧化物纳米片的方法。

为了实现以上目的，本发明提供以下技术方案：

(1)以MAX相为原料，通过在酸性溶液中刻蚀制备多层MXene；将所制备的多层MXene进行插层、超声、离心收集单层或少层MXene纳米片分散液。

(2)将步骤(1)中MXene纳米片分散液稀释至0.2～1mg/ml的浓度，冷冻干燥获得粉体。

(3)将步骤(2)所获粉体置于马弗炉中高温煅烧，即可获得金属氧化物纳米片。

上述步骤(1)中的单层或少层的MXene纳米片分散液的制备过程包括以下步骤：

A、在装有酸性溶液的塑料瓶中，加入1g MAX相，搅拌均匀，然后将塑料瓶置入35～55℃恒温水浴锅中，搅拌24～168h。

B、将上述塑料瓶中溶液离心、加水反复操作7次,至溶液pH～7；加入插层剂搅拌24～72h，继续离心、加水反复操作7次,至溶液pH～7，倒去上层清液，以360～600w功率超声30min，离心1h，收集上层溶液，得到剥离后的所述单层或少层的MXene纳米片分散液。

可选地，上述步骤A中的酸性溶液可以采用盐酸、硫酸、硝酸、氟化锂加盐酸或者氢氟酸，酸性溶液的质量分数为10～60wt％，所述MAX相与酸性溶液的质量比为1:2～1:25。