[发明专利]一种MXene基凝胶态正极的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种MXene基凝胶态正极的制备方法及其应用，所述制备方法包括如下步骤：将MAXene原材料蚀刻为单少层MXene材料悬浮液；在单少层MXene材料悬浮液中加入交联剂粉末，得到均匀粘稠的悬浮液；将悬浮液急速冷冻然后冷冻干燥72h得到气凝胶前体材料；固硫后得到所述MXene基凝胶态正极；获得的气凝胶前体材料形貌为蛛网状、蜂窝状、团簇状、丝絮状、栅栏状、岩壁状，其中，蛛网状的气凝胶前体材料制备的MXene基凝胶态正极应用于锂硫电池、蜂窝状应用于钠硫电池、团簇状应用于镁硫电池、丝絮状应用于钾硫电池、栅栏状应用于镁硫电池、岩壁状应用于镁硫电池。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，具体涉及一种MXene基凝胶态正极的制备方法及其应用。

背景技术

含硫电池（包括镁硫电池、锂硫电池、钠硫电池、钾硫电池等）具有理论能量密度高、成本低、无环境污染等优点，是很有前途的下一代储能系统。然而，含硫电池仍存在许多不足。首先，硫是一种电导率非常低的绝缘体，仅为5×10^-28 S m^-1，这限制了硫的利用率并降低电池的倍率能力。其次，硫在电池循环过程中的体积变化可能会破坏正极结构并降低电池的循环性能。第三，多硫化物溶解和扩散引起的“穿梭效应”降低了比容量和库仑效率。这些问题极大程度上制约了含硫电池的研究进展。

现有技术通过构造纳米结构的多孔材料来解决上述问题，MXenes作为一大类新型二维过渡金属碳化物/碳氮化物材料，由于其优良的性能，延展性、2D结构和Lewis酸性表面，高电导率、良好的电化学性能，在改善电池性能上显示出巨大的潜力，是构建高效导电网络的理想组成材料。通过泛密度函计算结果显示，MXenes表面的基团(特别是羟基)对多硫化物有很强的亲和力，不需要额外的表面修饰就能自发地吸引它们。此外，高导电性的核心(M-C-M键)可以极大地促进电荷转移动力学，从而使得硫的利用率和电池速率处理能力得到极大的提高。

然而，由于MXenes基自立结构柔性低，相对脆弱，在弯曲和折叠过程中，S可能会剥落，导致利用率下降。在成型前简单地混合分散MXene会导致不可逆堆叠，减少纳米片活性位点的同时极大地降低柔性。

因此，由MXenes材料为基础制备固硫正极材料，还处于理论上很好，但实践细节还有待深入研究和完善的阶段。只有实现固硫正极材料形貌可控时，才能确保由这种固硫正极制备的含硫电池安全可靠。因此，探讨固硫正极材料的制备过程中实现形貌可控的方法，对含硫电池的发展具有重要的意义。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出一种MXene基凝胶态正极的制备方法及其应用。

本发明提出一种MXene基凝胶态正极的制备方法，包括如下步骤：

步骤1）: 将MAXene原材料经过平均孔径为38μm的400目筛分，然后逐步加入蚀刻液中，在35°C下搅拌反应24h，所得浆液用去离子水洗涤，3500rpm离心5min，反复洗涤离心至pH为6，最后在氩气流量下超声剥离，再用3500rpm离心60min，得到含水的单少层MXene材料悬浮液；

步骤2）：在上述单少层MXene材料悬浮液中加入交联剂粉末，所述单少层MXene材料与所述交联剂的质量比为1: 1~2，于500rpm下搅拌5h，得到均匀粘稠的悬浮液；

步骤3）：将步骤2）获得的均匀粘稠的悬浮液倒入特氟龙模具中，并迅速浸泡在含有液氮的铜瓶中，实现急速冷冻，然后置于−60℃、1Pa下冷冻干燥72h，得到气凝胶前体材料；

步骤4）：将含有活性硫组分的溶液滴加在上述气凝胶前体材料制备的极片上，并放入50℃真空烘箱中12h烘干，得到所述MXene基凝胶态正极；或者将上述气凝胶前体材料裁剪成厚度为1mm，直径14mm的小圆片，将活性硫组分与小圆片置于管式炉中氩气气氛下155℃烧结12h，得到所述MXene基凝胶态正极；