[发明专利]一种MXene/硅碳复合负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于锂离子电池用负极材料技术领域，具体涉及一种MXene/硅碳复合负极材料及其制备方法与应用。本发明首先采用喷雾干燥技术进行二次造粒，利用有机碳源将MXene纳米片粘结成具有蓬松多空隙结构的“爆米花”类球状基体，然后在氨气与氩气热处理过程中类球状基体中的有机碳源裂解为无定形碳，MXene二维纳米片外表面的Ti原子转化成TiN，当强度高且导电性好的TiN与具有较高的抗拉强度的无定形碳共同作用时，能够克服在反复充放电过程中负极结构易被破坏的缺点，可维持类球状导电基体宏观结构的完整性和机械稳定性，蓬松的球形结构为纳米硅的体积膨胀提供了缓冲空间，提高复合负极材料的循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池用负极材料技术领域，具体涉及一种MXene/硅碳复合负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池具有比容量高、稳定的工作电压、安全性好、无记忆效应等一系列的优点，因此被广泛应用于笔记本电脑、移动电话和仪器仪表等诸多便携式电子仪器设备中。随着各种电子设备以及电动汽车的快速发展，人们对锂离子电池的能量以及循环寿命的要求越来越高。负极材料是电池中的重要组成部分，其与正极材料一起决定着锂离子电池的循环寿命、容量和安全性等关键性能，成为各国研究的重点。

目前商业化石墨类负极材料比容量低，仅为372mAh/g，限制了锂离子电池整体容量的提高，已经不能满足市场的需求。据报道，硅的理论储锂容量高达4200mAh/g，嵌锂平台略高于石墨，安全隐患小，是优良的石墨类负极材料的替代品；但是，硅在充放电过程中表现出高达300％的体积变化，因此极易导致硅颗粒粉化、电极内部导电网络被破坏，且导电性能不佳。

近年来，二维材料以其比表面积大、离子传输路径短等特点在储能领域展现出巨大优势，MXene是一类具有类石墨烯结构的二维过渡金属碳化物，具有高比表面积、良好的导电性和亲水性，可望作为构筑纳米复合结构的理想基质材料。现有技术中曾报道过将MXene与纳米硅复合，目的是缓解硅材料体积效应，提高电池的循环性能。但是，MXene层间会自发塌缩和堆垛，大幅度降低MXene的比表面积，减少Li⁺的吸附位点，而且塌缩和堆垛会引发MXene垂直层间方向电阻率大幅增加，进一步阻碍Li⁺的传输，影响材料的倍率性能。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明提供一种MXene/硅碳复合负极材料及其制备方法与应用，所述MXene/硅碳复合负极材料可以有效缓解硅负极材料体积膨胀的问题，由其组成的锂离子电池具有较佳的循环性能和倍率性能。

具体地，本发明提供如下技术方案：

一种MXene/硅碳复合负极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将MXene、有机碳源、有机溶剂和分散剂球磨混合后，喷雾造粒，得到前驱体A；

(2)将步骤(1)的前驱体A在700℃～900℃进行高温处理，得到前驱体B；

(3)将步骤(2)的前驱体B、纳米硅、有机碳源、有机溶剂与分散剂超声混合，去除有机溶剂，得到前驱体C；

(4)对步骤(3)的前驱体C在700℃～900℃进行高温碳化处理，得到所述MXene/硅碳复合负极材料。

根据本发明，步骤(1)中，所述MXene采用本领域技术人员熟知的方法，由MAX相粉末材料通过酸腐蚀并洗涤得到，所述MAX相材料包括Ti₃AlC₂、Ti₂AlC、Ti₃AlCN中的一种或几种。

根据本发明，步骤(1)中，所述MXene包括Ti₃C₂、Ti₂C中的至少一种。

根据本发明，步骤(1)中，所述MXene为MXene纳米片。