一种纳米硅/MXene复合材料及其制备方法和应用

本发明涉及锂电池，尤其涉及一种纳米硅/mxene复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、根据高能量密度锂离子电池储能的需求，硅材料被广泛认为是最具发展前景的锂离子电池负极材料。然而，硅基负极材料仍然面临着巨大的挑战，在充放电过程中硅材料会出现严重的体积膨胀(～300％)，导致活性物质从集流体上脱落；体积膨胀效应还会致使硅负极上的sei膜重复生长和不断增厚。此外，硅材料还存在导电性低的问题。这些致使硅基材料作为锂电负极时会产生容量损失快、初始库仑效率低、电化学性能差等问题。为了提高硅基负极的电化学性能，人们提出了许多策略。研究发现，纳米尺度的硅粒子可以克服大的膨胀/收缩问题，并通过合理的硅纳米结构设计，有助于进一步改善硅基材料作为锂电负极的结构完整性和电化学性能；通过往硅基材料中引入导电材料(如金属纳米颗粒、碳质材料)或与其形成硅基合金也是较为主流的改善硅材料导电性和电化学性能差的方法。尽管这些方法的使用显著改进了硅基负极的电化学性能，但相关纳米硅基材料的制备往往存在工艺流程繁琐、成本高、能耗高等问题，致使纳米硅基材料很难被大规模应用。

2、在太阳能行业，电池用硅片生产过程主要采用多线切割的方式完成，由于切割线直径和硅片厚度比例约为1：3，在高纯硅材料(纯度大于6n)切片过程中约有35％的晶体硅损失。如此大量细微且易氧化的切割硅废料直接排放将带来严重的环境污染和资源浪费，因为太阳能级高纯硅料的制备本身就是流程长、耗能高的过程。因此，寻求一条高效且可行的技术路线或工艺实现对其综合回用，不但能极大地解决光伏产业硅废料的处理难题，还将带来巨大的经济和环境效益。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种纳米硅/mxene复合材料及其制备方法和应用。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种纳米硅/mxene复合材料的制备方法，包含下列步骤：

4、将表面包覆有硅废料-max混合物的钼棒置于金属盐中，在保护气氛下电解即得所述纳米硅/mxene复合材料。

5、作为优选，所述硅废料-max混合物包含硅废料、max和粘结剂；

6、所述硅废料、max和粘结剂的质量比为4～6：4～6：1～3。

7、作为优选，所述max为ti3alc2、ti2alc、ta4alc3、tinbalc、(v0.5cr0.5)3alc2、v2alc、nb2alc、nb4alc3、ti3alcn、ti3sic2、ti2sic、ta4sic3、tinbsic、(v0.5cr0.5)3sic2、v2sic、nb2sic、nb4sic3和ti3sicn中的一种或多种。

8、作为优选，所述粘结剂为pvb、pva、c6h7nao6、pmma、pvp和peg中的一种或多种。

9、作为优选，所述金属盐为氯化锌、氯化钙、氯化钠和氟化钙中的一种或多种。

10、作为优选，所述电解的温度为200～1200℃。

11、作为优选，所述电解的电压为0.5～10v。

12、作为优选，所述电解的时间为0.5～72h。

13、本发明还提供了所述制备方法得到的纳米硅/mxene复合材料。

14、本发明还提供了所述纳米硅/mxene复合材料在锂电池中的应用。

15、本发明具有以下有益效果：

16、本发明提供的纳米硅/mxene复合材料的制备方法，包含下列步骤：将表面包覆有硅废料-max混合物的钼棒置于金属盐中，在保护气氛下电解即得所述纳米硅/mxene复合材料。本发明利用金属盐电解法实现了一步还原废硅料表面的氧化硅、max刻蚀成mxene以及si和mxene的混合过程；将mxene材料有效嵌入在多孔硅结构中，不仅增加了硅基材料的导电性，而且可以有效缓解si充放电中体积膨胀等问题；本发明设备要求简单、操作容易，不仅可以有效解决光伏产业切割硅废料回收难的问题，还有效制备高性能新型纳米硅基负极材料。

17、通过本发明制备方法得到的纳米硅/mxene复合材料，能够有效克服锂离子电池充放电过程中硅材料体积膨胀和电导率差的问题，作为锂电池负极材料时，首次放电容量高达2209.3mah/g，首次库伦效率可达到76.16％，经过100次循环后的可逆容量仍然保持643.98mah/g，显著提高了硅基负极材料的电化学性能。

技术特征：

1.一种纳米硅/mxene复合材料的制备方法，其特征在于，包含下列步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅废料-max混合物包含硅废料、max和粘结剂；

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述max为ti3alc2、ti2alc、ta4alc3、tinbalc、(v0.5cr0.5)3alc2、v2alc、nb2alc、nb4alc3、ti3alcn、ti3sic2、ti2sic、ta4sic3、tinbsic、(v0.5cr0.5)3sic2、v2sic、nb2sic、nb4sic3和ti3sicn中的一种或多种。

4.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为pvb、pva、c6h7nao6、pmma、pvp和peg中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属盐为氯化锌、氯化钙、氯化钠和氟化钙中的一种或多种。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电解的温度为200～1200℃。

7.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述电解的电压为0.5～10v。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述电解的时间为0.5～72h。

9.权利要求1～8任一项所述制备方法得到的纳米硅/mxene复合材料。

10.权利要求9所述的纳米硅/mxene复合材料在锂电池中的应用。

技术总结
本发明属于锂电池技术领域，提供了一种纳米硅/MXene复合材料及其制备方法和应用，包含下列步骤：将表面包覆有硅废料‑MAX混合物的钼棒置于金属盐中，在保护气氛下电解即得所述纳米硅/MXene复合材料。本发明利用金属盐电解法实现了一步还原废硅料表面的氧化硅、MAX刻蚀成MXene以及Si和MXene的混合过程；将MXene材料有效嵌入在多孔硅结构中，不仅增加了硅基材料的导电性，而且可以有效缓解Si充放电中体积膨胀等问题；当纳米硅/MXene复合材料作为锂电池负极材料时，锂电池性能与循环稳定性提升显著。

技术研发人员：马文会,牛研捷,席风硕,李绍元,魏奎先,万小涵,陈正杰,魏梦圆
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25