[发明专利]CNF/MXene@Zn负极的制备方法及全电池

说明书

本发明提供一种CNF/MXene@Zn负极的制备方法，将氟化锂加入到HCl溶液中，使其溶解，随后将Ti₃AlC₂粉末缓慢加入到上述溶液中，搅拌进行反应；反应结束后，通过离心收集固体产物，经洗涤后得到的固体分散到去离子水中，惰性气氛下超声后经离心，得到MXene纳米片悬浮液；将CNF加入到水中超声分散获得CNF悬浮液，将MXene纳米片悬浮液加入到CNF悬浮液中，搅拌得到CNF/MXene混合悬浮液，将CNF/MXene混合悬浮液浇筑在锌箔上，得到CNF/MXene@Zn负极。CNF/MXene@Zn对称电池在电流密度高达100 mA/cm²条件下可以实现稳定循环，锌的利用率高达88.2%，累积沉积容量可以达到12 Ah/cm²，表现出优异的倍率性能。

技术领域

本发明提供一种CNF/MXene@Zn负极的制备方法及对得到的负极材料制备得到的全电池，属于新电池材料技术领域。

背景技术

近年来，锌金属负极因其成本低廉、可加工性强，理论容量高等优点，而引起了人们的广泛关注。然而，在充放电过程中锌枝晶的生成，常常造成容量快速衰减和较低的库伦效率，严重阻碍了锌离子电池的实际应用。同时，由于Zn/Zn²⁺的标准电位低于析氢的标准电位，在循环过程中常伴随着水分解，而活性水的分解将会占据锌沉积的活性位点，导致局部电流密度过高，造成更多的枝晶生成。此外，电解液中阴离子的分解不仅会造成电解液中锌离子的浓度降低，影响电解液的离子电导率；而且会造成电极/电解液界面处局部pH值上升，不利于锌离子的快速传输。因此，需要开发设计一种具有耐水性和离子选择性的界面保护层来改善锌金属负极的界面稳定性，进而有效增强锌负极的循环稳定性。在先前的研究中，MXene纳米片作为界面保护层可以均匀化表面电荷，促进界面产生均匀电场，降低锌的成核势垒，进而诱导锌的均匀沉积/剥离。基于此，本发明通过设计纳米纤维/MXene复合膜作为锌金属负极的界面保护层，有效抑制了界面副反应的发生和枝晶生长，进而显著增强电池的电化学性能。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种CNF/MXene@Zn负极的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氟化锂加入到HCl溶液中，使其溶解，随后将Ti₃AlC₂粉末缓慢加入到上述溶液中，搅拌进行反应；

(2)反应结束后，通过离心收集固体产物，经洗涤后得到的固体分散到去离子水中，惰性气氛下超声后经离心，得到MXene纳米片悬浮液；

(3)将CNF加入到水中超声分散获得CNF悬浮液，将MXene纳米片悬浮液加入到CNF悬浮液中，搅拌得到CNF/MXene混合悬浮液，将CNF/MXene混合悬浮液浇筑在锌箔上，得到CNF/MXene@Zn负极。

所述的步骤(1)中HCl溶液的浓度为10-15M；氟化锂与Ti₃AlC₂粉末的质量比为1:0.1-1。

所述的步骤(2)中所述洗涤过程中采用浓度为1M以下的稀盐酸水溶液和去离子水进行洗涤，并洗涤至pH为5.0-6.0；所述的惰性气氛包括氩气、氮气；所述离心条件为3000-4000r/min条件下离心1-2小时。

所述的步骤(3)中的CNF/MXene混合悬浮液中CNF的质量浓度为0.01-0.05g/mL，MXene悬浮液的质量浓度为1-5mg/mL。

基于上述制备得到的CNF/MXene@Zn负极，本发明还提供一种全电池，包括以所述制备得到的CNF/MXene@Zn为负极材料，以VO₂纳米纤维为正极组装成的全电池。

将五氧化二钒加入到草酸溶液中，搅拌均匀后在180-200℃下水热反应10-12h，得到的产品经离心收集、洗涤后干燥，得到VO₂正极材料。