CN109768257B - 一种少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法及其应用。所述方法为：将Ti3AlC2溶解在浓氢氟酸中，磁力搅拌后清洗、烘干得到粉末A；将粉末A分散到氢氧化钠溶液中，磁力搅拌后清洗、烘干得到粉末B；将粉末B分散于去离子水中得到溶液，将该溶液转移至高压反应釜中置于恒温干燥箱中，恒温干燥后清洗、烘干得到粉末C；4）将粉末C分散于稀氢氟酸中，磁力搅拌后清洗、烘干，得到少氟多孔的碳化钛迈科烯。本发明提供的少氟多孔的碳化钛迈科烯应用于锂金属电池工作电极材料中，表现出较低的成核过电势和优异的循环稳定性，能够有效地抑制锂枝晶的生长，在廉价高性能锂金属电池中具有优良的应用前景。

Description

一种少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及锂金属电池领域，具体涉及一种少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法及其在锂金属电池工作电极中的应用。
背景技术
随着高端电子设备的蓬勃发展，人类对高能量密度电池的需求也日益增大。由于锂金属负极具有超高的理论比容量（3860mAh/g）和最低的负电化学势（-3.040V vs. 标准氢电极），因此锂金属电池被认为是高能量密度电池最有希望的候选者之一。然而，锂金属负极在循环过程中不可控的枝晶生长，导致库伦效率低下，循环稳定性差、安全性差。因此，开发能够抑制锂枝晶生长的锂金属负极材料是当前该领域的研究热点和重点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法及其在锂金属电池工作电极中的应用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法，包括以下步骤：
1）将1-3gTi3AlC2溶解在20-50 ml的浓氢氟酸中，磁力搅拌1-3天,用去离子水和乙醇超声清洗，然后烘干，得到粉末A；
2）将上述粉末A分散到50-100ml的5-15M的氢氧化钠溶液中，磁力搅拌1-3h,用去离子水和乙醇超声清洗，然后烘干，得到粉末B；
3）将上述粉末B分散于20-40ml去离子水中得到溶液，将该溶液转移至聚四氟乙烯做内衬的不锈钢高压反应釜中，并将反应釜置于恒温干燥箱中，在150-200℃恒温16-20h，然后用去离子水和乙醇超声清洗，最后烘干，得到粉末C；
4）将上述粉末C分散于40-80ml的稀氢氟酸中，磁力搅拌4-10h，用去离子水和乙醇超声清洗，然后烘干，即得到所述少氟多孔的碳化钛迈科烯，记为P-NaOH-Ti3C2Tx。
步骤1）中所述浓氢氟酸的质量浓度为35%-40%。
步骤4）中所述稀氢氟酸的质量浓度为8%-12%。
步骤1）至4）中所述烘干的温度为55-65℃。
步骤1）至4）中所述用去离子水和乙醇超声清洗的次数为3-4次。
本发明制备方法得到的少氟多孔的碳化钛迈科烯在锂金属电池工作电极中的应用：将P-NaOH-Ti3C2Tx、羧甲基纤维素按质量比为80-90：10-20混合研磨后均匀地涂在1.2cm2的铜片上做正极，负极为金属锂，电解质是1.0M LiTFSI的乙二醇二甲醚溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。
本发明的有益效果在于：本发明提供的碳化钛迈科烯材料（P-NaOH-Ti3C2Tx）的制备方法，其操作简便，成本低，产品纯度高，性能优异，可以大量合成。通过EDS分析，氟元素的含量从18%(Ti3C2Tx)降至14%（p-NaOH-Ti3C2Tx）。本发明提供的P-NaOH-Ti3C2Tx 应用于锂金属电池工作电极材料中，并表现出较低的成核过电势和优异的循环稳定性，能够有效地抑制锂枝晶的生长。本发明在廉价高性能锂金属电池中具有优良的应用前景。
附图说明
图1是本发明P P-NaOH-Ti3C2Tx材料的XRD图；
图2是本发明P-NaOH-Ti3C2Tx 材料的SEM图；
图3是Cu、Ti3C2Tx 和本发明P-NaOH- Ti3C2Tx的成核过电势图；
图4是Cu、Ti3C2Tx 和本发明P-NaOH- Ti3C2Tx的库伦效率图。
具体实施方式
实施例1
一种少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法，包括以下步骤：
1）将2gTi3AlC2溶解在35 ml的浓氢氟酸（质量浓度为37%）中，磁力搅拌2天,用去离子水和乙醇超声清洗3次，然后在60℃烘干，得到粉末A；
2）将上述粉末A分散到75ml的10M的氢氧化钠溶液中，磁力搅拌2h,用去离子水和乙醇超声清洗3次，然后在60℃烘干，得到粉末B；
3）将上述粉末B分散于30ml去离子水中得到溶液，将该溶液转移至聚四氟乙烯做内衬的不锈钢高压反应釜中，并将反应釜置于恒温干燥箱中，在175℃恒温18h，然后用去离子水和乙醇超声清洗3次，最后在60℃烘干，得到粉末C；
4）将上述粉末C分散于60ml的稀氢氟酸（质量浓度为10%）中，磁力搅拌6h，经去离子水和乙醇超声清洗3次，然后在60℃烘干，即得到所述少氟多孔的碳化钛迈科烯，记为P-NaOH-Ti3C2Tx。
锂金属电池组装：将P-NaOH-Ti3C2Tx、羧甲基纤维素按质量比为85：15混合研磨后均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属锂，电解质是1.0M LiTFSI的乙二醇二甲醚溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。
图1为P-NaOH-Ti3C2Tx的XRD图，各个峰都与Ti3C2Tx迈科烯的XRD标准卡片一致，说明该材料为纯相的Ti3C2Tx。图2是P-NaOH-Ti3C2Tx的SEM图，图中可以看到明显的孔洞。图3是Cu、Ti3C2Tx 和P-NaOH- Ti3C2Tx的成核过电势图。从图3可以看出P-NaOH-Ti3C2的成核过电势最小，Ti3C2Tx次之，Cu最大。图4是Cu、Ti3C2Tx 和P-NaOH-Ti3C2Tx的库伦效率图。从图4可以看出P-NaOH-Ti3C2电极循环200次后，仍具有稳定的高库伦效率，而Ti3C2Tx电极循环70次后迅速衰减，Cu电极最差，仅能保持50次。以上结果可看出本发明的P-NaOH-Ti3C2Tx材料能够有效的抑制锂枝晶的生长，提高金属锂负极的循环性能，进而表明P-NaOH- Ti3C2Tx可以作为高性能的锂金属工作电极材料。
实施例2
一种少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法，包括以下步骤：
1）将1gTi3AlC2溶解在20ml的浓氢氟酸（质量浓度为35%）中，磁力搅拌1天,用去离子水和乙醇超声清洗3次，然后在5℃烘干，得到粉末A；
2）将上述粉末A分散到50ml的5M的氢氧化钠溶液中，磁力搅拌1h,用去离子水和乙醇超声清洗3次，然后在55℃烘干，得到粉末B；
3）将上述粉末B分散于20ml去离子水中得到溶液，将该溶液转移至聚四氟乙烯做内衬的不锈钢高压反应釜中，并将反应釜置于恒温干燥箱中，在150℃恒温20h，然后用去离子水和乙醇超声清洗3次，最后在55℃烘干，得到粉末C；
4）将上述粉末C分散于40ml的稀氢氟酸（质量浓度为8%）中，磁力搅拌4h，经去离子水和乙醇超声清洗3次，然后在55℃烘干，即得到所述少氟多孔的碳化钛迈科烯，记为P-NaOH-Ti3C2Tx。
锂金属电池组装：将P-NaOH-Ti3C2Tx、羧甲基纤维素按质量比为80：20混合研磨后均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属锂，电解质是1.0M LiTFSI的乙二醇二甲醚溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。
实施例3
一种少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法，包括以下步骤：
1）将3gTi3AlC2溶解在50 ml的浓氢氟酸（质量浓度为40%）中，磁力搅拌1-3天,用去离子水和乙醇超声清洗4次，然后在65℃烘干，得到粉末A；
2）将上述粉末A分散到100ml的15M的氢氧化钠溶液中，磁力搅拌1-3h,用去离子水和乙醇超声清洗4次，然后在65℃烘干，得到粉末B；
3）将上述粉末B分散于40ml去离子水中得到溶液，将该溶液转移至聚四氟乙烯做内衬的不锈钢高压反应釜中，并将反应釜置于恒温干燥箱中，在200℃恒温16h，然后用去离子水和乙醇超声清洗4次，最后在65℃烘干，得到粉末C；
4）将上述粉末C分散于40-80ml的稀氢氟酸（质量浓度为12%）中，磁力搅拌10h，经去离子水和乙醇超声清洗3-4次，然后在65℃烘干，即得到所述少氟多孔的碳化钛迈科烯，记为P-NaOH-Ti3C2Tx。
锂金属电池组装：将P-NaOH-Ti3C2Tx、羧甲基纤维素按质量比为90：10混合研磨后均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属锂，电解质是1.0M LiTFSI的乙二醇二甲醚溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。

Claims (6)

1.一种少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：
1）将1-3gTi3AlC2溶解在20-50 ml的质量浓度为35%-40%的浓氢氟酸中，磁力搅拌1-3天,用去离子水和乙醇超声清洗，然后烘干，得到粉末A；
2）将上述粉末A分散到50-100ml的5-15M的氢氧化钠溶液中，磁力搅拌1-3h,用去离子水和乙醇超声清洗，然后烘干，得到粉末B；
3）将上述粉末B分散于20-40ml去离子水中得到溶液，将该溶液转移至聚四氟乙烯做内衬的不锈钢高压反应釜中，并将反应釜置于恒温干燥箱中，在150-200℃恒温16-20h，然后用去离子水和乙醇超声清洗，最后烘干，得到粉末C；
4）将上述粉末C分散于40-80ml的浓度为8%-12%的稀氢氟酸中，磁力搅拌4-10h，用去离子水和乙醇超声清洗，然后烘干，即得到所述少氟多孔的碳化钛迈科烯，记为P-NaOH-Ti3C2Tx。
2.根据权利要求1所述的少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法，其特征在于：步骤1）至4）中所述烘干的温度为55-65℃。
3.根据权利要求1所述的少氟多孔的碳化钛迈科烯的制备方法，其特征在于：步骤1）至4）中所述用去离子水和乙醇超声清洗的次数为3-4次。
4.根据权利要求1-3任一制备方法得到的少氟多孔的碳化钛迈科烯。
5.根据权利要求4所述的少氟多孔的碳化钛迈科烯在锂金属电池工作电极中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：将P-NaOH-Ti3C2Tx、羧甲基纤维素按质量比为80-90：10-20混合研磨后均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属锂，电解质是1.0M LiTFSI的乙二醇二甲醚溶液。
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