[发明专利]具有波纹状的MXene薄膜及其制备方法、金属复合材料、用途和电池

说明书

本发明公开了一种具有波纹状的MXene薄膜及其制备方法、金属复合材料、用途和电池，其中，该MXene薄膜中含有MXene材料，且具有周期性的波纹形貌；该MXene薄膜的制备方法包括：将含有MXene材料的分散体通过具有周期性波纹形貌的模板成型后得到；该MXene薄膜波纹与具有电化学活性的金属锂复合，一方面能够起到类似于阵列结构中形成均匀化锂离子和电场，诱导金属锂的均匀沉积的效果；另一方面波纹的形貌具有具有平滑的界面，又避免了阵列结构中复合组分锋锐界面带来的尖端效应；再一方面，MXene薄膜中含有的MXene组分还能够起到成核剂的作用，进一步降低金属锂的成核过电位，促使金属可控沉积，进而得到具有优异长循环性能和高安全性能的金属电池。

技术领域

本发明是属于新材料和电池技术领域，特别是关于一种具有波纹状的MXene薄膜及其制备方法、金属复合材料、用途和电池。

背景技术

锂(Li)金属具有最高的比容量(3860mAh/g)和最低的电化学势(-3.04V)，被认为是最有潜力的锂基二次电池负极材料，但是金属锂作为负极材料，在反复充放电的过程中，金属锂在界面位置不均匀沉积形成枝晶，随着锂枝晶的不可控地生长，有可能刺破隔膜形成电池短路导致安全问题，阻碍了锂金属作为负极材料在电池中的进一步应用。

为了解决锂枝晶生长的技术问题，研究人员尝试多种技术途径，主要包括：(1)制备性能稳定且具有良好电导性的三维(3D)基体与金属锂复合，得到金属锂复合材料促进金属锂在充放电过程中均匀镀层，比如rGO膜-Li、碳纳米管泡沫-Li、3D Cu泡沫-Li以及3D Ni网络-Li等，但是这类材料由于具有大量的多孔结构，通常表现出低的库伦效率和低的体积容量；(2)改良SEI膜，比如在SEI膜中复合石墨烯膜，合金层、MoS₂层、MXenes或聚合物等；(3)在电解液中添加添加剂，比如LiF、聚硫化物或氟代碳酸亚乙酯(FEC)等原位生长出稳定且均匀的SEI膜。

本申请人前期针对该技术问题进行了系列的研究，包括：将金属锂与MXene材料复合(CN202010002855.3)，将MXene材料作为成核剂诱导金属锂的生长，从而避免尖锐锂枝晶的生成；亦或是，将金属锂与金属铜复合形成垂直阵列结构的金属锂复合材料(AdvancedMaterials,2019,31(29):1901310.1-1901310.6.；CN201910206942.8)，以形成垂直阵列结构的骨架，我们发现金属锂中复合具有阵列结构的金属骨架能够形成均匀化电场抑制诱导金属锂的均匀沉积，但是在这种垂直阵列结构中，由于存在极小的曲率半径(金属骨架的边缘锋锐)，尖端针效应被高度放大，导致电极的上表面易于锂沉积。因此，如何进一步改善这种垂直阵列结构，是我们进一步需要解决的技术问题。

发明内容

本发明为了解决垂直阵列结构的骨架与金属锂复合后产生的尖端效应，本发明第一方面提供一种具有波纹状的MXene薄膜，该MXene薄膜中含有MXene材料，且具有周期性的波纹形貌。

在一些实施方式中，上述MXene薄膜具有正弦波状的波纹形貌。

在一些实施方式中，上述MXene薄膜的波纹尺寸满足关系式：2r/w介于0.5至1.0之间，h/w介于1.0至2.3之间，其中，r为曲率半径，w为波宽，h为波高。

在一些实施方式中，上述MXene薄膜的厚度介于1μm至500μm。

在一些实施方式中，上述MXene材料的化学式表示为M_n+1X_nT_x，中M选自过渡金属元素中的一种或多种，X选自于碳、氮或硼元素中一种或多种，T_x代表官能团，包括-F、-Cl、Br、I、-O、-S、-OH中一种或多种，1≤n≤4。

本发明第二方面提供一种上述的MXene薄膜的制备方法包括：将含有MXene材料的分散体通过具有周期性波纹形貌的模板成型后得到。