[发明专利]MXenes拓扑结构的调控方法、MXenes凝胶膜电极和储能器件

说明书

本发明公开了MXenes拓扑结构的调控方法、MXenes凝胶膜电极和储能器件。该调控方法包括：(1)将MXenes纳米片分散液与刻蚀剂混合，刻蚀剂将MXenes纳米片原先刚直平整的拓扑结构转变成弯曲褶皱的拓扑结构，得到高度弯曲褶皱的MXenes纳米片的分散液；(2)对高度弯曲褶皱的MXenes纳米片的分散液进行纯化，得到纯化的弯曲褶皱的MXenes纳米片；(3)将纯化的弯曲褶皱的MXenes纳米片进行组装，得到MXenes凝胶膜电极。该方法制得的MXenes凝胶膜电极兼具高密度和开放孔结构的特点，其层间结构既能有效容纳溶剂化Alsupgt;3+/supgt;、Mgsupgt;2+/supgt;和Casupgt;2+/supgt;等离子，又能保证对溶剂化Alsupgt;3+/supgt;、Mgsupgt;2+/supgt;和Casupgt;2+/supgt;等离子进行致密的存储。将该经过拓扑结构调控的MXenes凝胶膜电极用作储能器件的负极材料时，表现出了超高的体积比容量和优异的倍率性能。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，尤其涉及MXenes拓扑结构的调控方法、MXenes凝胶膜电极和储能器件。

背景技术

随着能源与环境问题的日益突出，新能源的开发和利用应运而生，虽然新能源具有绿色、友好、可再生的特点，但其在空间分布上的不连续性和时间上的间歇性使得新能源的大规模使用受到极大的限制。电化学储能器件的引入可以很好地对新能源进行削峰填谷，从而有效提高其利用率并拓宽其应用领域，因而，积极开发性能优异、成本低廉、绿色环保的电化学储能器件成为了当前能源领域的研究热点。

发明内容

本申请主要是基于以下问题和发现提出的：

从电化学储能机理的角度来看，与一价金属离子和二价金属离子(如Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、Ca²⁺等)相比，三价铝离子由于其三电子的电化学结构而具有更高的电荷密度，对应的电化学储能过程也具有更高的质量比容量和体积比容量。因此，从理论及实验的角度出发，针对高性能铝离子电池的开发开展了大量工作。尽管取得了一些进展，但铝离子电池具有较慢的动力学和较差的可逆性等问题，导致其发展受到限制，这些问题主要是由铝离子周围超强的静电场导致的。

为了打破金属铝负极缓慢的动力学对铝离子电池的性能约束，从而构建出高性能的摇椅式铝离子电池或者混合电容器，可以采用类似于锂离子电池石墨负极的无铝负极设计，并使用溶剂化的铝离子作为载流子。值得注意的是，为了使最终构建的铝离子电池或者混合电容器具有较高的工作电压，用于存储溶剂化铝离子的无铝负极材料应具有较低的工作电位。在诸多纳米材料中，二维过渡金属碳氮化物即MXenes具有优异的导电性、良好的分散性以及二维层状纳米结构，非常有利于构建高性能的电极材料。

尽管MXenes纳米片是构建高性能无铝负极的理想组装单元，但溶剂化的铝离子具有较大的水合半径(0.475nm)，这要求电极材料有足够大的特征孔来容纳溶剂化的铝离子。同时，为了保证电极材料具有较高的电荷存储密度，电极材料的特征孔尺寸也不宜过大，这对电极材料的孔结构设计提出了更高的要求。例如，发明人发现，采用真空抽滤法直接制备的Ti₃C₂T_x凝胶膜由于其致密的层间结构而无法有效容纳大尺寸的溶剂化铝离子，进而不能有效提高电极材料的电化学性能。因此，为了实现溶剂化铝离子在MXenes纳米材料内的高效存储，设计并构建与溶剂化铝离子高度匹配的电极材料是非常必要的。