[发明专利]单层碳化铌掺入的聚合物固态电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种单层碳化铌掺入的聚合物固态电解质及其制备方法和应用，将单层碳化铌与聚合物溶液混合，通过剪切力将单层碳化铌均匀分散于聚合物溶液中，将混合溶液制备成薄膜，再经过一步干燥制备出单层碳化铌掺入的聚合物固态电解质。制备出的单层碳化铌掺入聚合物固态电解质具有良好的离子导电性能和机械强度，同时具有较高的化学稳定性和耐高温性能。在锂离子电池中的应用表现出了优异的性能，如高循环性能、高比容量等。本发明提供的制备方法简单易行，具有较高的实用性和经济性。该发明所提供的单层碳化铌掺入聚合物固态电解质的制备方法及应用，具有广泛的应用前景，在锂离子电池、超级电容器等领域中有着重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，尤其是涉及一种单层碳化铌掺入的聚合物固态电解质及其制备方法和应用。

背景技术

随着现代社会对便携式电子产品需求的不断增加，电池技术的发展变得越来越重要。锂离子电池因其高能量密度、长寿命和良好的循环性能而成为了最受欢迎的电池之一。然而，锂离子电池中的液态电解质在高温下可能引起热失控，而且容易泄漏，这些问题对电池的性能和安全性产生了重大影响。因此，研究和开发新型固态电解质，以取代液态电解质，已成为锂离子电池领域的一个重要研究方向。

固态电解质是一种具有高离子导电性和高化学稳定性的固体材料，具有一定的机械强度和热稳定性。相较于传统的液态电解质，固态电解质具有更高的安全性和较长的使用寿命，可以有效地解决锂离子电池在使用中出现的安全问题。其中，聚合物电解质(Polymer Electrolyte，PEO)是一种用于锂离子电池的新型固态电解质，具有良好的离子传导性能和较高的机械强度，可以用于改进锂离子电池的性能。

MXene是一种新型的二维材料，由于其具有大量的表面官能团和高比表面积，因此可以提供丰富的活性位点，具有优异的催化活性、电化学储能等性能。碳化铌MXene作为MXene家族中的一员，由于其高导电性、优异的机械性能和高比表面积等特点，成为研究热点。其次，电池是现代生活中不可或缺的能源储存和转换装置。传统的锂离子电池具有较低的能量密度和寿命限制，因此需要开发新型电极材料以提高电池性能。

中国专利CN202111148220.5公开了一种复合固态电解质及其制备方法和应用。一种复合固态电解质，制备原料包括碳化铌纳米片和聚氧化乙烯(PEO)，所述复合固态电解质用于锂硫电池。该专利申请的复合固态电解质，通过碳化铌纳米片和聚氧化乙烯之间的协同作用，能够提升PEO作为固态电解质时的离子电导率和机械强度，也可有效抑制锂硫电池中的穿梭效应，但该专利中碳化铌纳米片为多层结构。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种单层碳化铌掺入的聚合物固态电解质及其制备方法和应用，该电解质成本低廉，工艺简单，条件温和，并具有高的非常好的循环稳定性和倍率性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种单层碳化铌掺入的聚合物固态电解质的制备方法，具体步骤如下：

S1、制备单层碳化铌(MXene)；

S2、制备PEO聚合物溶液；

S3、将步骤S1中得到的单层碳化铌(MXene)加入到步骤S2中得到的PEO聚合物溶液中超声，得到混合溶液A；

S4、将步骤S3中得到的混合溶液A烘干后得到单层碳化铌掺入的聚合物固态电解质。

进一步地，步骤S1中，将氟化铌(NbF₅)和碳酸氢铵(NH₄HCO₃)混合后，加入氢氟酸(HF)和异丙酮(IPA)的混合物，反应后得到前驱体，前驱体洗涤，离心，超声后得到单层碳化铌(MXene)。

上述更进一步地，按质量比，氟化铌：碳酸氢铵：氢氟酸：异丙酮＝1～3：1：1～2：1。