CN110492084A

CN110492084A - 一种核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene及其制备方法

Info

Publication number: CN110492084A
Application number: CN201910841813.6A
Authority: CN
Inventors: 郑俊超; 左定川; 宋生超; 贺振江; 罗紫艳
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2019-11-22
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: CN110492084B

Abstract

一种核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene及其制备方法。本发明球状负极复合材料Si@MXene，呈粒径为150~200nm的核壳结构，其中，Si纳米颗粒均匀分布在由MXene形成的壳体的内部。本发明制备方法首先通过制备Si/PMMA使得Si纳米颗粒均匀嵌入在PMMA内部，然后通过PMMA表面的羟基吸引MXene包覆在其表面形Si/PMMA@MXene，最后通过热处理除去PMMA，使得Si纳米颗粒被均匀负载在MXene，成功得到本发明负极复合材料Si@MXene。采用本发明Si@MXene制备的正极所组装的锂离子电池比容量高、循环稳定性好。本发明制备方法操作简单，成本低。

Description

一种核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种锂电池负极材料领域，具体涉及一种核壳结构的球状负极负极复合材料Si@MXene及其制备方法。

背景技术

目前全球面临着严峻的能源挑战和环境问题，发展新能源及提高能源利用效率迫在眉睫。锂离子电池（LIBs）因具有大容量和高功率而被广泛用于便携式交通工具及电子设备中。可是随着高能量密度动力电池要求的不断提高，现有的商业化负极材料容量过低，限制了锂离子电池的进一步发展。因此，寻找合适的负极材料是研究锂离子电池的关键问题之一。

Si具有超高的理论嵌锂容量(4200 mAh/g，Li_4.4Si)和较低的嵌锂电位(0 .2V vsLi/Li⁺)，超过目前商业化使用的石墨负极材料（372 mAh/g）容量的十倍，因此Si基负极材料被视为储能领域最具发展潜力和竞争力的高能量型锂离子电池负极材料之一。但是硅基材料在充放电过程中存在显著的体积效应 (体积膨胀约280 %)和极差的导电性，导致的电极极化及材料粉化脱落问题限制了其实际应用。

MXene是一类新型二维过渡金属碳/氮化物材料，它是由HF酸选择性刻蚀三维层状化合物MAX（其中M为早期过渡金属元素，A为主族元素，X为碳或者氮元素）中的A原子层而得到。由于MXene种类的多样性以及优异的物理和化学特性，近年来引起了广泛的研究，展现了作为优异模板改善高容量、低稳定性负极材料（Si/Ge/Sn等）性能的应用潜力。

CN105702959A公开了一种“三明治”结构的Si/graphene/Si二维纳米复合材料的制备方法，并研究了其电化学性能，实验结果表明该材料作为锂离子电池负极材料的充放电容量明显提高；但该研究是将Si负载在2D的石墨烯上，虽相对0D/1D的复合体系，其Si负载物体积密度有所提高，但石墨烯因其本身的2D开放式片状结构，在充放电过程中依旧不能有效地缓解Si的体积效应和避免电解液和Si的直接接触。

CN108682812A公开了一种MXene包覆硅复合电极材料及其制备方法，采用液相机械混合法制备出Si/Ti₃C₂复合材料并表明其在锂离子电池的实际应用中优于单一的Si粉；但该研究中Si颗粒并未很好地均匀分散在Ti₃C₂材料的层间及表面，Ti₃C₂纳米片未得到充分的开发与利用，且附着在其表面的Si粉颗粒直接暴露在电解液中，副反应会持续发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上不足，提供一种核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene及其制备方法，采用本发明Si@MXene制备的正极所组装的锂离子电池比容量高、循环稳定性好。本发明制备方法操作简单，成本低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene，呈粒径为150~200nm的核壳结构，其中，Si纳米颗粒均匀分布在由 MXene形成的壳体的内部。

本发明核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的制备方法，包括以下步骤：

（1）将MXene粉末超声分散于去离子水中，离心并收集上清液，得MXene胶体溶液；

（2）在惰性气氛和加热条件下，向稳定剂和硅源的乙醇溶液中加入含有引发剂的甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体混合液，发生反应，反应完成后，离心，清洗，干燥，得Si/PMMA微球粉末；

（3）将步骤（2）所得Si/PMMA微球粉末分散于去离子水中形成Si/PMMA分散液，加入步骤（1）所得MXene胶体溶液，搅拌条件下反应，离心，清洗，干燥，得Si/PMMA@MXene微球黑色粉末；

（4）在惰性气氛中，将步骤（3）所得Si/PMMA@MXene微球黑色粉末，进行热处理，得Si@MXene球状核壳结构负极复合材料。

优选的，步骤（2）中，所述稳定剂是PVP（聚乙烯吡咯烷酮）；优选的，所述硅源是正硅酸乙酯（TEOs）或正硅酸甲酯（TMOs），引发剂是偶氮二异丁氰（AIBN）。

优选的，步骤（2）中，所述稳定剂、引发剂、MMA单体、硅源和乙醇的质量比为0.3:0.2:10:10～20:84.5～86.5。

优选的，步骤（2）中，所述加热的温度为70～80 ℃；优选的，所述加热的时间为18~24h。

优选的，步骤（4）中，所述热处理的温度为450～500℃；优选的，所述热处理的时间为2～4h。

优选的，步骤（1）中，MXene粉末与去离子水的质量比为1:15~25；优选的，所述超声分散的功率为100～600 W（更优选300～500 W），超声时间为10~20min。MXene材料浓度高、功率过低、时间过短，则分散效果不好；材料浓度低、功率过高、时间过长，易破坏材料结构且产量低。

优选的，步骤（1）中，所述离心的转速为3000～4000 rpm，离心时间1~2 h；保证充分分离出单层MXene纳米片。

优选的，步骤（3）中，所述Si/PMMA微球粉末与去离子水的质量比为1:60~100。

优选的，步骤（3）中，所述Si/PMMA分散液与MXene胶体溶液的体积比为1:1～2。

优选的，步骤（3）中，所述搅拌的速度为80~800rpm，搅拌时间为15~30min。

优选的，步骤（2）和（4）中，所述惰性气氛中的气体为氩气、氮气或两者的混合气体。

优选的，所述MXene粉末的制备方法是：将Ti₃AlC₂粉末加入氢氟酸水溶液中，加热搅拌进行刻蚀，刻蚀之后对反应液进行一次离心、洗涤、超声分散、二次离心、干燥，得MXene粉末。

优选的，所述Ti₃AlC₂与氢氟酸水溶液的质量比为1:25～40；若HF酸用量太少或者太多都难以保证Ti₃C₂结构稳定或Al元素的去除。

优选的，所述氢氟酸水溶液的质量浓度为35～45wt％；若HF酸浓度过高或者过低都难以保证Ti₃C₂结构稳定或Al元素的去除。

优选的，所述刻蚀的温度为90～95℃；温度过低无法保证Al元素的去除，温度过高则导致材料过刻蚀。

优选的，所述刻蚀的时间为6~8h（更优选6～8 h）；优选的，所述刻蚀时，搅拌速度为80～800 转/min（更优选400～700 转/min）。

优选的，所述一次离心转速9000～10000 转/min，每次离心时间8～12 min，离心次数≥6次。

优选的，所述MXene粉末的制备方法中，超声分散的功率为100～600 W（更优选300～500 W），超声时间为1～3 h；功率过低、时间过短，则分散效果不好；功率过高、时间过长，易破坏材料结构。

优选的，二次离心的次数为2次。便于去除超声分层后脱落的杂质。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明负极复合材料Si@MXene中，Si纳米颗粒被均匀负载在Si@MXene，可有效缓解Si纳米粒子在充放电过程中的体积效应，采用本发明负极复合材料制备的负极所组装的电池具有优异的循环稳定性；

（2）采用本发明负极复合材料Si@MXene制备的负极所组装的电池，在0～3 V电压范围内，在100 mA g^-1的电流密度下，组装的锂离子电池的负极首次放电容量可达到1170.9 mAhg^-1，首次库伦效率为61.23％；在500 mA g^-1的电流密度下首圈为555.2 mAh g^-1，循环100圈之后放电容量仍可达379.2 mAh g^-1，其容量保持率为68.3 %，说明本发明纳微结构MXene@Si复合材料组装的电池具有优异的电化学性能，尤其是循环稳定性；

（3）本发明制备方法通过制备Si/PMMA使得Si纳米颗粒均匀嵌入在PMMA内部，然后通过PMMA表面的羟基吸引MXene包覆在其表面形成Si/PMMA@MXene，最后通过热处理除去PMMA，使得Si纳米颗粒被均匀负载在MXene，成功得到本发明负极复合材料Si@MXene；本发明制备方法操作简单、成本低。

附图说明

图 1是本发明实施例1所得核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的SEM图，其中，放大倍数为15000×；

图2是本发明实施例1所得核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的SEM图，其中，放大倍数为40000×；

图3是本发明实施例1所得核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene制备的正极所组装的扣式电池的充放电循环性能图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行进一步的说明。

本发明实施例所使用的化学试剂，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

（1）将2 g Ti₃AlC₂粉末加入50 g 质量浓度为40 wt％的氢氟酸水溶液中，并使用保鲜膜封口，恒温95℃，搅拌7 h，保持搅拌速度600 转/min；将反应后的溶液以9000 转/min离心10 min，并用去离子水洗涤再离心，反复离心大于6次直到上清液呈中性，冷冻干燥得MXene粉末；

（2）将1 g步骤（1）所得MXene粉末与15 mL去离子水超声分散15min，在3500 转/min下离心1 h，上清液即为MXene胶体溶液；

（3）将0.3 g PVP、3 g正硅酸乙酯（TEOs）、86.5 mL乙醇溶液超声5 min，转移至三口烧瓶中，在Ar气氛下，搅拌条件下，逐步加热至70 ℃，将加有0.2 g AIBN的9.5 mL MMA单体混合液加入烧瓶中，保持反应24 h，之后离心清洗、干燥，即得Si/PMMA微球粉末。

（4）将0.2 g步骤（3）所得Si/PMMA微球粉末分散在20 mL去离子水中，与10 mL步骤（2）所得MXene胶体溶液混合搅拌30 min，离心清洗，干燥，得MXene@Si/PMMA微球黑色粉末；

（5）将步骤（4）所得黑色粉末在惰性气氛中，升温至450℃，热处理3.5h，即得MXene@Si球状核壳结构负极复合材料。

如图1～2所示，本发明实施例所得MXene@Si球状核壳结构负极复合材料中，大部分颗粒MXene@Si颗粒呈球形，且分布较为均匀，粒径范围集中在150~200 nm。

电池组装：称取0.056 g本实施例所得MXene@Si球状核壳结构负极复合材料作为活性物质，加入0.007 g乙炔黑（SP）作导电剂和0.007 g PVDF（HSV-900）作粘结剂，充分研磨后加入3~4滴NMP分散混合，调浆均匀后于16 μm厚的铜箔上拉浆制成负极极片，在手套箱中以金属锂片为负极，1 mol/L LiPF₆/EC:PC（体积比1:1）为电解液，组装成CR2032的扣式电池。在电压范围为0～3 V下，对组装的锂离子电池的恒电流充放电性能进行测试。

如图3所示，在100 mA g^-1的电流密度下，组装的锂离子电池的负极首次放电容量可达到1170.9 mAh g^-1，首次库伦效率为61.23％，；在500 mA g^-1的电流密度下首圈为555.2 mAh g^-1，循环100圈之后放电容量仍可达379.2 mAh g^-1，其容量保持率为68.3 %。

由上可知，本发明实施例所得MXene@Si球状核壳结构负极复合材料所组装的锂离子电池具有良好的电化学循环稳定性。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

（1）将2 g Ti₃AlC₂粉末加入40 g 质量浓度为35 wt％的氢氟酸水溶液中，并使用保鲜膜封口，恒温94 ℃下，搅拌8 h，保持搅拌速度500 转/min；将反应后的溶液以9500 转/min离心8 min，并用去离子水洗涤再离心，反复离心大于6次直到上清液呈中性，冷冻干燥得MXene粉末；

（2）将1 g步骤（1）所得MXene粉末与18 mL去离子水超声分散10 min，在3600 转/min下离心1.5 h，上清液即为MXene胶体溶液；

（3）将0.3 g PVP、3.5 g正硅酸乙酯（TEOs）、86 mL乙醇溶液超声5 min，转移至三口烧瓶中，在Ar气氛下逐步搅拌加热至70 ℃，将加有0.2 g AIBN的10 mL MMA单体混合液加入烧瓶中，保持反应22 h，之后离心清洗、干燥，即得Si/PMMA微球粉末。

（4）将0.1 g步骤（3）所得Si/PMMA微球粉末分散在15 mL去离子水中，与10 mL步骤（2）所得MXene胶体溶液混合搅拌25 min，离心清洗，干燥，得MXene@Si/PMMA微球黑色粉末；

（5）将步骤（4）所得黑色粉末在惰性气氛中，升温至490℃，热处理2.5h，即得MXene@Si球状核壳结构负极复合材料。

经检测，本发明实施例所得MXene@Si球状核壳结构负极复合材料中，大部分颗粒MXene@Si颗粒呈球形，且分布较为均匀，粒径范围集中在170~220 nm。

电池组装：同实施例1。在电压范围为0～3 V下，对组装的锂离子电池的恒电流充放电性能进行测试。

经检测，组装的锂离子电池的负极首次放电容量可达到1470 mAh g^-1，首次库伦效率为61.71％；在500 mA g^-1的电流密度下首圈放电容量为724.7 mAh g^-1，循环30圈后其放电比容量为 607.3 mAh g^-1，容量保持率为83.8％。

由上可知，本发明实施例所得纳微结构锂离子电池负极复合材料Si/MXene所组装的锂离子电池具有较高的比容量和良好循环稳定性。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

（1）将2 g Ti₃AlC₂粉末加入45 g 质量浓度为38 wt％的氢氟酸水溶液中，并使用保鲜膜封口，恒温92 ℃下，搅拌6 h，保持搅拌速度450 转/min；将反应后的溶液以9200 转/min离心9 min，并用去离子水洗涤再离心，反复离心大于6次直到上清液呈中性，冷冻干燥得MXene粉末；

（2）将1 g步骤（1）所得MXene粉末与22 mL去离子水超声分散13 min，在3400 转/min下离心2 h，上清液即为MXene胶体溶液；

（3）将0.3 g PVP、4 g正硅酸乙酯（TEOs）、85.5 mL乙醇溶液超声5 min，转移至三口烧瓶中，在Ar气氛下逐步搅拌加热至75 ℃，将加有0.2 g AIBN的10 mL MMA单体混合液加入烧瓶中，保持反应20 h，之后离心清洗、干燥，即得Si/PMMA微球粉末。

（4）将0.1 g步骤（3）所得Si/PMMA微球粉末分散在18 mL去离子水中，与9 mL步骤（2）所得MXene胶体溶液混合搅拌22 min，离心清洗，干燥，得MXene@Si/PMMA微球黑色粉末；

经检测，本发明实施例所得MXene@Si球状核壳结构负极复合材料中，大部分颗粒MXene@Si颗粒呈球形，且分布较为均匀，粒径范围集中在200~250 nm；此外，少量的50~100nm的小球出现在复合材料之中。

经检测，组装的锂离子电池的负极首次放电容量可达到1153 mAh g^-1，首次库伦效率为61.53％；在500 mA g^-1的电流密度下首圈放电容量为552.2 mAh g^-1，循环30圈后其放电比容量为 447.6 mAh g^-1，容量保持率为81.1％。

实施例4

本实施例包括以下步骤：

（1）将2 g Ti₃AlC₂粉末加入55 g 质量浓度为45 wt％的氢氟酸水溶液中，并使用保鲜膜封口，恒温90 ℃下，搅拌7 h，保持搅拌速度550 转/min；将反应后的溶液以9600 转/min离心12 min，并用去离子水洗涤再离心，反复离心大于6次直到上清液呈中性，冷冻干燥得MXene粉末；

（2）将1 g步骤（1）所得MXene粉末与25 mL去离子水超声分散20 min，在3800 转/min下离心1.5 h，上清液即为MXene胶体溶液；

（3）将0.3 g PVP、5 g正硅酸乙酯（TEOs）、84.5 mL乙醇溶液超声5 min，转移至三口烧瓶中，在Ar气氛下逐步搅拌加热至72 ℃，将加有0.2 g AIBN的10 mL MMA单体混合液加入烧瓶中，保持反应20 h，之后离心清洗、干燥，即得Si/PMMA微球粉末。

（4）将0.1 g步骤（3）所得Si/PMMA微球粉末分散在14 mL去离子水中，与5 mL步骤（2）所得MXene胶体溶液混合搅拌25 min，离心清洗，干燥，得MXene@Si/PMMA微球黑色粉末；

（5）将步骤（4）所得黑色粉末在惰性气氛中，升温至460℃，热处理3.8h，即得MXene@Si球状核壳结构负极复合材料。

经检测，本发明实施例所得MXene@Si球状核壳结构负极复合材料中，大部分颗粒MXene@Si颗粒呈球形，粒径分布范围变宽，大部分集中在230~280 nm；还有部分小球粒径分布在30~150nm。

经检测，组装的锂离子电池的负极首次放电容量可达到1379 mAh g^-1，首次库伦效率为59.84％；在500 mA g^-1的电流密度下首圈放电容量为623.6 mAh g^-1，循环30圈后其放电比容量为 463.6 mAh g^-1，容量保持率为74.3％。

由上可知，用本发明核壳结构的球状复合材料Si/MXene制备的正极所组装的扣式电池具有较高的比容量和良好循环稳定性。

对比例

（1）将0.3 g PVP、3 g正硅酸乙酯（TEOs）、86.5 mL乙醇溶液超声5 min，转移至三口烧瓶中，在Ar气氛下逐步搅拌加热至70 ℃，将加有0.2 g AIBN的9.5 mL MMA单体混合液加入烧瓶中，保持反应24 h，之后离心清洗、干燥，即得Si/PMMA微球粉末。

（2）将步骤（1）所得粉末在惰性气氛中，热处理一段时间，即得不含MXene的Si纳米颗粒纯相材料。

经检测，本发明实施例所得Si中，材料为灰黑色颗粒粉末，颗粒粒径大概分布在20~50 nm，且呈明显团聚。

经检测，组装的锂离子电池的负极首次放电容量可达到1256.4 mAh g^-1，首次库伦效率为50.32％；在500 mA g^-1的电流密度下首圈放电容量仅为313.1 mAh g^-1，循环30圈后其放电比容量为 154.2 mAh g^-1，容量保持率为49.2％。

由上可知，用本发明实施例1~4所得MXene@Si球状核壳结构负极复合材料制备的正极所组装的锂离子扣式电池相对于本对比例所得Si纯相材料组装的锂离子电池，电化学性能更加优异，同时容量保持率得到极大的提升，可见，本发明实施例1～4所得MXene@Si球状核壳结构负极复合材料组装的锂离子电池在长程充放电过程中更加稳定。

Claims

1.一种核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene，其特征在于，呈粒径为150~200nm的核壳结构，其中，Si纳米颗粒均匀分布在由 MXene形成的壳体的内部。

2.一种核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（2）在惰性气氛和加热条件下，向稳定剂和硅源的乙醇溶液中加入含有引发剂的甲基丙烯酸甲酯单体混合液，发生反应，反应完成后，离心，清洗，干燥，得Si/PMMA微球粉末；

3.根据权利要求2所述核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述稳定剂是聚乙烯吡咯烷酮；优选的，所述硅源是正硅酸乙酯或正硅酸甲酯，引发剂是偶氮二异丁氰；优选的，所述稳定剂、引发剂、甲基丙烯酸甲酯单体、硅源和乙醇的质量比为0.3:0.2:10:10～20:84.5～86.5。

4.根据权利要求2或3所述核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述加热的温度为70～80 ℃；优选的，所述加热的时间为18~24h。

5.根据权利要求2～4任一项所述核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述热处理的温度为450～500℃；优选的，所述热处理的时间为2～4h。

6.根据权利要求2～5任一项所述核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，MXene粉末与去离子水的质量比为1:15~25；优选的，所述超声分散的功率为100～600 W，超声时间为10~20min；所述离心的转速为3000～4000 rpm，离心时间1~2 h。

7.根据权利要求2～6任一项所述核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述Si/PMMA微球粉末与去离子水的质量比为1:60~100；优选的，所述Si/PMMA分散液与MXene胶体溶液的体积比为1:1～2；优选的，所述搅拌的速度为80~800rpm，搅拌时间为15~30min。

8.根据权利要求2～7任一项所述核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的制备方法，其特征在于，所述MXene粉末的制备方法是：将Ti₃AlC₂粉末加入氢氟酸水溶液中，加热搅拌进行刻蚀，刻蚀之后对反应液进行一次离心、洗涤、超声分散、二次离心、干燥，得MXene粉末。

9.根据权利要求8所述核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的制备方法，其特征在于，所述Ti₃AlC₂与氢氟酸水溶液的质量比为1:25～40；优选的，所述氢氟酸水溶液的质量浓度为35～45wt％；优选的，所述刻蚀的温度为90～95℃；优选的，所述刻蚀的时间为6~8h；优选的，所述刻蚀时，搅拌速度为80～800 转/min；优选的，所述一次离心转速9000～10000转/min，每次离心时间8～12 min，离心次数≥6次；优选的，二次离心的次数为2次。

10.根据权利要求8或9所述核壳结构的球状负极复合材料Si@MXene的制备方法，其特征在于，所述MXene粉末的制备方法中，超声分散的功率为100～600 W，超声时间为1～3 h。