一种MXene材料制备方法、MXene电极片及使用MXene电极片的锂离子电池

一种mxene材料制备方法、mxene电极片及使用mxene电极片的锂离子电池
技术领域
1.本发明涉及二维晶体mxene材料高压改性技术和锂离子电池领域，具体地说是一种mxene材料制备方法、mxene电极片及使用mxene电极片的锂离子电池。


背景技术：

2.mxene作为一种全新的二维层状过渡金属碳、氮或碳氮化合物，由于其具有风琴状的形貌、较高的载流子和迁移率等特性，已使其在相关领域尤其是储能领域引起了广泛关注。到目前为止，超过三十种mxenes已经成功地合成，主要包括ti3c2t
x
，v2ct
x
，nb2ct
x
和nb4c3t
x
等(t
x
代表表面官能团，如-oh,-f,-o)。由于二维mxene材料具有较高的理论容量、快速的离子传输等优势，在锂离子电池负极材料等方面具有潜在的应用价值。但是在锂离子电池的充放电过程中，会伴随负极材料体积的膨胀以及极化现象的出现等问题，这些问题仍长期限制着其在锂离子电池领域的许多商业化应用。
3.压力作为一种有效地合成或调控手段，已经渗透到许多前沿科学当中。由于二维材料独特的层状结构，压力引起的改变更是复杂而又新奇。压力除了能够显著的影响二维材料的结构相变以外，对层间距、带隙、缺陷、官能团等微观结构的影响也是特别突出的一方面，这将影响材料各个方面的性质和性能。鉴于此，本发明的技术是利用压力调控二维mxene材料，使其在锂离子电池中的反应动力学大幅度改善，并实现批量规模化应用，该发明不仅可以丰富mxene材料的使用价值，更可以为在液态及固态锂离子电池中的产业化应用提供技术支持。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种mxene材料制备方法、mxene电极片及使用mxene电极片的锂离子电池，本发明提供的高压处理手段能够有效地提高mxene材料致密性，诱导mxene材料层间间距减小，显著提高mxene材料的电导率，削弱其在液态及固态锂离子电池充放电过程中的极化现象，进而改善其在液态及固态锂离子电池中的反应动力学并可以大规模制备。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.一种mxene材料制备方法，所述制备方法的压力由双面顶液压机或六面顶液压机提供，本发明所述的mxene材料为ti3c2t
x
。
7.将原始的二维mxene材料放置到双面顶液压机或六面顶液压机样品腔中施加外部压力并保压，卸压后得到大量改性后的mxene二维晶体；所述的原始的二维mxene材料质量为0-3g之间，所述施加外部压力范围在2-6.5gpa之间，保压时间为：3-30min。
8.mxene电极片制备步骤：
9.步骤(1)：将mxene二维晶体在研钵中研磨片刻，然后与导电剂炭黑和聚偏氟乙烯粘合剂在n-甲基吡咯烷酮中按重量比8:1:1混合，并将其放置在磁力搅拌机上搅拌10h，得
到mxene电极浆料；
10.步骤(2)：将步骤(1)中得到的浆料涂覆在直径为16mm的圆片铜箔上，然后将铜箔放在干燥箱中在70℃下烘干12h，得到mxene电极片。
11.锂离子电池制备方法，将mxene电极片在手套箱的氩气环境中组装型纽扣式半电池，组装顺序为负极壳、弹片、垫片、锂片、隔膜、mxene电极片和正极壳。mxene电极片为正极，锂片为对电极，电解液为1m lipf6溶解dmc、ec和emc，每次滴加20μl，充分浸湿隔膜，最后将扣式电池用专用封口机在绝缘体条件下封口，将封好的扣式电池静置12h。
12.锂离子电池制备方法，将mxene电极片在手套箱的氩气环境中组装纽扣式半电池，组装顺序为负极壳、弹片、垫片、锂片、隔膜、mxene电极片和正极壳。mxene电极片为正极，锂片为对电极，固态电解质膜的li7la3zr2o
12
粉末压成的厚度为10-50μm，压片的压力设置为在100mpa-1gpa,最后将扣式电池用专用封口机在绝缘条件下封口，将封好的扣式电池静置12h。
13.本发明的有益效果
14.1.本发明提供了一种高压调控锂离子电池反应动力学的二维晶体mxene材料的制备方法及其使用该mxene材料的锂离子电池，其中处理后的mxene仍能够保持原有的风琴状形貌，mxene致密性提高，层间孔隙减小，层间距d从降至且由于载流子浓度的明显提高和晶界势垒的降低，从而使mxene材料的电导率有一个数量级的提高，可从0.0019s
·
cm-1提高至0.0444s
·
cm-1，减弱其在锂离子电池中的极化现象，中位极化电势差δ从0.94v降至0.85v，提高电池中的反应速率，进而改善其在锂离子电池中的反应动力学，使电池具有更高的稳定性和可逆性，为调控各种纳米级mxene材料提供了一种简单而又实用的新方法，丰富了mxene材料在锂离子电池领域的应用价值。
15.2.本发明提供了一种高压调控锂离子电池反应动力学的二维晶体mxene材料的制备方法及其使用该mxene材料的锂离子电池，利用双面顶液压机或六面顶液压机克服了高压领域常见的金刚石对顶砧压机可回收样品量少的问题(一般为微克级别，且难以回收)，便于进一步产业化应用。
附图说明
16.图1为发明实施例制得ti3c2t
x
改性后的平面sem图。
17.图2为ti3c2t
x
改性过程中电导率随压力的变化关系图。
18.图3为发明实施例制得ti3c2t
x
改性后的晶格参数、体积、层间距随压力的变化关系图。
19.图4为发明实施例制得改性后的ti3c2t
x
电极片的平面sem图。
20.图5为发明实施例制得ti3c2t
x
电极片和li片为对电极的锂离子电池的充放电曲线图。
具体实施方式
21.本发明涉及二维晶体mxene材料高压改性技术和锂离子电池领域，使用的高压设备为双面顶液压机或六面顶液压机，所述的mxene材料为ti3c2t
x
。
22.以下结合具体实施例以及附图对本发明作进一步地详细说明，但本发明不限于
此。
23.实施例1:
24.(1)将0.5g原始的多层ti3c2t
x mxene粉末放置到双面顶液压机样品腔中施加外部压力直至2gpa，并保压10min，卸压后得到大量改性后的ti3c2t
x mxene粉末；
25.(2)将(1)中制备的ti3c2t
x
粉末在研钵中研磨片刻，然后与导电剂炭黑和聚偏氟乙烯(pvdf)粘合剂在n-甲基吡咯烷酮(nmp)中按重量比8:1:1混合，并将其放置在磁力搅拌机上搅拌10h，得到ti3c2t
x
浆料；
26.(3)将(2)中得到的浆料涂覆在直径为16mm的圆片铜箔上，然后将铜箔放在干燥箱中在70℃下烘干12h，得到ti3c2t
x mxene电极片；
27.(4)将(3)中得到的ti3c2t
x mxene电极片在手套箱的氩气环境中组装cr2032型纽扣式半电池，组装顺序为负极壳、弹片、垫片、锂片、隔膜、ti3c2t
x
电极片和正极壳。ti3c2t
x
电极片为正极，锂片为对电极，电解液为1mlipf6溶解dmc、ec和emc(体积比为1:1:1)，每次滴加20μl，充分浸湿隔膜，最后将扣式电池用专用封口机在绝缘体条件下封口，将封好的扣式电池静置12h；
28.实施例2:
29.(1)将1g原始的多层ti3c2t
x mxene粉末放置到六面顶液压机样品腔中施加外部压力直至4gpa，并保压30min，卸压后得到大量改性后的ti3c2t
x mxene粉末；
30.(2)将(1)中制备的ti3c2t
x
粉末在研钵中研磨片刻，然后与导电剂炭黑和聚偏氟乙烯(pvdf)粘合剂在n-甲基吡咯烷酮(nmp)中按重量比8:1:1混合，并将其放置在磁力搅拌机上搅拌10h，得到ti3c2t
x
浆料；
31.(3)将(2)中得到的浆料涂覆在直径为16mm的圆片铜箔上，然后将铜箔放在干燥箱中在70℃下烘干12h，得到ti3c2t
x
mxene电极片；
32.(4)将(3)中得到的ti3c2t
x mxene电极片在手套箱的氩气环境中组装纽扣式半电池，组装顺序为负极壳、弹片、垫片、锂片、隔膜、ti3c2t
x
电极片和正极壳。ti3c2t
x
电极片为正极，锂片为对电极，电解液为1mlipf6溶解dmc、ec和emc(体积比为1:1:1)，每次滴加20μl，充分浸湿隔膜，最后将扣式电池用专用封口机在绝缘体条件下封口，将封好的扣式电池静置12h；
33.实施例3:
34.(1)将2g原始的多层ti3c2t
x mxene粉末放置到六面顶液压机样品腔中施加外部压力直至6gpa，并保压20min，卸压后得到大量改性后的ti3c2t
x mxene粉末；
35.(2)将(1)中制备的ti3c2t
x
粉末在研钵中研磨片刻，然后与导电剂炭黑和聚偏氟乙烯(pvdf)粘合剂在n-甲基吡咯烷酮(nmp)中按重量比8:1:1混合，并将其放置在磁力搅拌机上搅拌10h，得到ti3c2t
x
浆料；
36.(3)将(2)中得到的浆料涂覆在直径为16mm的圆片铜箔上，然后将铜箔放在干燥箱中在70℃下烘干12h，得到ti3c2t
x mxene电极片；
37.(4)将(3)中得到的ti3c2t
x mxene电极片在手套箱的氩气环境中组装纽扣式半电池，组装顺序为负极壳、弹片、垫片、锂片、隔膜、ti3c2t
x
电极片和正极壳。ti3c2t
x
电极片为正极，锂片为对电极，电解液为1m lipf6溶解dmc、ec和emc(体积比为1:1:1)，每次滴加20μl，充分浸湿隔膜，最后将扣式电池用专用封口机在绝缘体条件下封口，将封好的扣式电池静
置12h；
38.实施例4
39.(1)将2g原始的多层ti3c2t
x mxene粉末放置到六面顶液压机样品腔中施加外部压力直至6.5gpa，并保压25min，卸压后得到大量改性后的ti3c2t
x mxene粉末；
40.(2)将(1)中制备的ti3c2t
x
粉末在研钵中研磨片刻，然后与导电剂炭黑和聚偏氟乙烯(pvdf)粘合剂在n-甲基吡咯烷酮(nmp)中按重量比8:1:1混合，并将其放置在磁力搅拌机上搅拌10h，得到ti3c2t
x
浆料；
41.(3)将(2)中得到的浆料涂覆在直径为16mm的圆片铜箔上，然后将铜箔放在干燥箱中在70℃下烘干12h，得到ti3c2t
x mxene电极片；
42.(4)将(3)中得到的ti3c2t
x mxene电极片在手套箱的氩气环境中组装cr2032型纽扣式半电池，组装顺序为负极壳、弹片、垫片、锂片、隔膜、ti3c2t
x
电极片和正极壳。ti3c2t
x
电极片为正极，锂片为对电极，固态电解质膜的li7la3zr2o
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粉末压成的厚度为10-50μm，压片的压力设置为在100mpa-1gpa,最后将扣式电池用专用封口机在绝缘条件下封口，将封好的扣式电池静置12h；
43.本技术发明是利用双面顶液压机或六面顶液压机改善二维晶体mxene材料在锂离子电池中的反应动力学并大规模制备。其中，双面顶液压机和六面顶液压机具有以下作用：(1)双面顶液压机或六面顶液压机可以提供较高的压力，减弱mxene材料在锂离子电池中充放电过程中的极化现象，提高电池中的反应速率，改善锂离子电池中的反应动力学；(2)双面顶液压机或六面顶液压机可以一次性制备出大量的改性的二维晶体mxene材料，克服了传统金刚石对顶砧压机可回收样品量较少的问题。这个简单有效的大规模制备方式有利于开发mxene材料的应用价值，便于进一步工业化生产。