CN114430034A - 复合材料及其制作方法、电极、电池、电子设备 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种复合材料及其制作方法、电极、电池、电子设备。所述复合材料包括二氧化硅、碳纳米管和Mxene材料，Mxene材料呈片层结构，二氧化硅和碳纳米管位于Mxene材料的片层结构之间，在使用上述复合材料制作电极时，复合材料中的二氧化硅用于提高电极的容量，碳纳米管用于提高电极的导电性，Mxene材料具有较好的弹性，在充电和放电过程中二氧化硅的体积膨胀严重，Mxene材料内部与二氧化硅接触的部分被挤压，Mxene材料的整体尺寸保持相对恒定，Mxene材料用于保持电极尺寸相对恒定，以保证电池性能稳定。使用上述复合材料制作的电极具有在充电和放电过程中尺寸相对恒定、导电性好、循环稳定性好等优点。

Description

复合材料及其制作方法、电极、电池、电子设备
技术领域
本公开涉及壳体制造技术领域，尤其涉及一种复合材料及其制作方法、电极、电池、电子设备。
背景技术
二次电池在充电时将电能存储为化学能，在放电时将化学能转换为电能输出。二次电池包括阳极、阴极和电解液，通过阳极、阴极和电解液之间的配合实现充电和放电。
电极作为二次电池的重要结构之一，其性能影响二次电池的性能和使用。因此，研发出高性能的电极材料，使用高性能的电极材料制作电极以提高电极的性能，进而提高二次电池的性能，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本公开提供了一种改进的复合材料及其制作方法、电极、电池、电子设备。
本公开的一个方面提供了一种复合材料，所述复合材料包括二氧化硅、碳纳米管和Mxene材料；
所述Mxene材料呈片层结构；
所述二氧化硅和所述碳纳米管位于所述Mxene材料的片层结构之间。
可选地，所述复合材料中所述二氧化硅、所述碳纳米管和所述Mxene材料的质量比为(5-30):(1-10):100。
可选地，所述二氧化硅具有球状结构。
本公开的另一个方面提供了一种电极，所述电极由上述的复合材料制得。
本公开的另一个方面提供了一种电池，所述电池包括上述的电极。
本公开的另一个方面提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述的电池。
本公开的另一个方面提供了一种复合材料的制作方法，所述方法包括：
制作Mxene材料；
使用原材料制作所述复合材料，所述原材料包括所述Mxene材料、碳纳米管、正硅酸乙酯、氨水和去离子水。
可选地，所述使用原材料制作所述复合材料，包括：
使用所述原材料包括的各组分，制作包括所述复合材料的混合物；
对所述混合物进行处理，所述处理包括离心和洗涤，得到包括所述复合材料的喷雾剂；
对所述喷雾剂进行喷雾干燥，并对所得的固体进行真空干燥，得到所述复合材料。
可选地，所述制作Mxene材料，包括：
使用氧化试剂对钛碳化铝进行氧化；
对氧化后的产物进行洗涤和离心，得到所述Mxene材料。
可选地，所述氧化试剂包括含氟试剂。
本公开实施例提供了一种新型的复合材料，复合材料包括二氧化硅、碳纳米管和Mxene材料，Mxene材料呈片层结构，二氧化硅和碳纳米管位于Mxene材料的片层结构之间，在使用上述复合材料制作电极时，复合材料中的二氧化硅用于提高电极的容量，碳纳米管用于提高电极的导电性，Mxene材料具有较好的弹性，在充电和放电过程中二氧化硅的体积膨胀严重，Mxene材料内部与二氧化硅接触的部分被挤压，Mxene材料的整体尺寸保持相对恒定，Mxene材料用于保持电极尺寸相对恒定，以保证电池性能稳定。
二氧化硅在充电和放电过程中易发生副反应，副反应后自身活性降低，导致电极的循环稳定性变差。本公开实施例提供的复合材料中，二氧化硅表面包覆有Mxene材料，二氧化硅的比表面积减小，从而减少了二氧化硅表面上副反应的发生，提高了电极的循环稳定性。
使用上述复合材料制作的电极具有在充电和放电过程中尺寸相对恒定、导电性好、循环稳定性好等优点。
附图说明
图1所示为本公开根据一示例性实施例示出的复合材料的制作方法的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。除非另作定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
在本公开说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
MAX相是一类三元层状碳化物和氮化物陶瓷材料的统称，它们具有统一的化学式Mn+1AXn，其中，M为过渡金属元素，A为III族元素或Ⅳ族元素，X为C原子或N原子。
Mxene材料是一种二维材料，Mxene材料具有和石墨烯类似的结构，通过剥离层状陶瓷MAX相而获得。Mxene材料是由过渡金属的碳化物和氮化物组成的二维材料。Mxene材料具有弹性，且具有较好的电学、力学、热学等性能。
本公开实施例提供了一种新型的复合材料，该复合材料包括二氧化硅、碳纳米管和Mxene材料，其中，Mxene材料呈片层结构，二氧化硅和碳纳米管位于Mxene材料的片层结构之间。
在使用上述复合材料制作电极时，复合材料中的二氧化硅用于提高电极的容量，碳纳米管用于提高电极的导电性，Mxene材料具有较好的弹性，在充电和放电过程中二氧化硅的体积膨胀严重，Mxene材料内部与二氧化硅接触的部分被挤压，Mxene材料的整体尺寸保持相对恒定，Mxene材料用于保持电极尺寸相对恒定，保证电池性能稳定。
二氧化硅在充电和放电过程中易发生副反应，副反应后自身活性降低，导致电极的循环稳定性变差。本公开实施例提供的复合材料中，二氧化硅表面包覆有Mxene材料，二氧化硅的比表面积减小，从而减少了二氧化硅表面上副反应的发生，提高了电极的循环稳定性。
使用上述复合材料制作的电极具有在充电和放电过程中尺寸相对恒定、导电性好、循环稳定性好等优点。
在一实施例中，二氧化硅具有球状结构。可以是尺寸较小的微球状二氧化硅。
在一实施例中，复合材料中二氧化硅、碳纳米管和Mxene材料的质量比为(5-30):(1-10):100。例如，二氧化硅与Mxene材料的质量比可以为以下任一项5:100、8:100、10:100、15:100、20:100、24:100、25:100、28:100、30:100等；碳纳米管与Mxene材料的质量比可以为以下任一项：1:100、2:100、2.5:100、3:100、4:100、5:100、5.5:100、6:100、7:100、8:100、9:100、10:100；复合材料中二氧化硅、碳纳米管和Mxene材料的质量比可以为以下任一项：5:1:100、10:5:100、10:10:100、15:5:100、20:10:100、20:8:100、30:10:100。
当二氧化硅、碳纳米管和Mxene材料的用量满足上述范围时，复合材料的性能较好。
本公开实施例还提供了一种电极，该电极由本公开上述实施例提供的复合材料制得。
可以根据电池的工作原理，使用本公开上述实施例提供的复合材料制作电池的阴极或阳极。例如，使用上述的复合材料制作锂离子电池的负极。
基于复合材料的特点，使用上述复合材料制作的电极具有在充电和放电过程中尺寸相对恒定、导电性好、循环稳定性好等优点。
本公开实施例还提供了一种电池，该电池包括本公开上述实施例提供的电极。
例如，使用上述的复合材料制作锂离子电池的负极，使用制作的负极制作锂离子电池。
基于使用复合材料制作的电极的优点，使得由这类电极制作的电池具有相应的优点。
本公开实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括本公开上述实施例提供的电池。
本公开实施例提供的电子设备包括但不限于：手机、平板电脑、iPad、个人数字助理、智能可穿戴设备等。
基于本公开上述实施例提供的电池的优点，使得由这类电池制作的电子设备具有相应的优点。
本公开实施例还提供了一种复合材料的制作方法，该方法用于制作本公开上述实施例提供的复合材料。图1所示为本公开根据一示例性实施例示出的复合材料的制作方法的流程图，参见图1，复合材料的制作方法包括以下步骤：
在步骤101中，制作Mxene材料。
在一实施例中，使用氧化试剂对钛碳化铝进行氧化，对氧化后的产物进行洗涤和离心，得到Mxene材料。
使用氧化试剂对钛碳化铝进行氧化，目的是去除钛碳化铝中的铝，得到Mxene材料的初品，Mxene材料的初品中含有未反应的氧化试剂等杂志，通过对Mxene材料的初品进行洗涤和离心，得到Mxene材料。
氧化试剂可以包括含氟试剂。例如，氢氟酸HF，或者，用于生成HF的氟化锂LiF和盐酸HCl。
在步骤102中，使用原材料制作复合材料，原材料包括Mxene材料、碳纳米管、正硅酸乙酯、氨水和去离子水。
在上述的原材料中，正硅酸乙酯和去离子水发生水解反应，生成二氧化硅，氨水用于促进上述水解反应的进行。
制作的复合材料包括二氧化硅、碳纳米管和Mxene材料。
在一实施例中，使用原材料制作所述复合材料的操作，可以通过下面方式实现：第一步骤，使用所述原材料包括的各组分，制作包括复合材料的混合物；第二步骤，对所得的混合物进行处理，处理包括离心和洗涤，得到包括复合材料的喷雾剂；第三步骤，对喷雾剂进行喷雾干燥，并对所得的固体进行真空干燥，得到干燥的复合材料。
在第一步骤执行结束后，得到包括复合材料的混合物，混合物中还可能包括氨水、正硅酸乙酯等试剂，基于此，第二步骤中对所得的混合物进行离心、洗涤等处理，去除混合物中的杂志，得到包括复合材料的喷雾剂。
在执行第三步骤时，可以使用喷雾干燥设备对喷雾剂进行喷雾干燥处理，得到复合材料固体，之后再使用真空干燥设备对复合材料固体进行真空干燥处理，得到干燥的复合材料。在喷雾干燥处理过程中，可以通过控制进风温度、出风温度、喷雾速度等参数，控制复合材料的干燥程度。
下面通过以下示例对本公开实施例提供的复合材料的制作方法进行举例说明。
制作Mxene材料：将Ti3AlC2(0.5g)逐步添加至HF(40wt％，10ml)中，将所得的混合物在60℃下磁力搅拌6h，然后在室温下搅拌2天，之后对所得的产物进行清洗和离心处理，直至上清液的pH达到6以上，停止清晰和离心处理，通过过滤等方式，得到Mxene材料固体。
可以使用去离子水对所得的产物进行清洗。
可以根据需要设置离心处理设备的转速，例如，离心处理设备的转速为3500r/min。
制作喷雾剂：将制作的Mxene材料、CNT(1mg)、去离子水(50mL)、乙醇(260mL)和浓氨水溶液(12mL)混合，在搅拌下将正硅酸乙酯(12mL)缓慢加入上述混合物中，在35℃下搅拌4h，超声30min，然后使用去离子水对超声后的混合物进行洗涤，对洗涤后的混合物进行离心处理，经过多次洗涤和离心处理，得到较为纯净的复合材料，向最后一次离心处理结束后得到的固体中加入去离子水，混合后得到包括复合材料的喷雾剂。
可以根据需要设置洗涤处理和离心处理的执行次数，例如，进行三次离心处理，每次进行离心处理时离心处理设备的转速为3500r/min，每次离心处理的时间为10min。
浓氨水的浓度可以为22-25％。
对喷雾剂进行干燥处理：控制喷雾干燥处理设备的进风温度为100-300℃，出风温度为50-200℃，喷雾速度为1mL/min-100L/h，控制喷雾干燥设备使用上述工作参数，使用喷雾干燥设备对喷雾剂进行干燥，然后将所得的粉末在70℃的真空烘箱中干燥12h，得到微球状SiO2-CNT-Mxene复合材料。
本公开上述各个实施例，在不产生冲突的情况下，可以互为补充。
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料包括二氧化硅、碳纳米管和Mxene材料；
所述Mxene材料呈片层结构；
所述二氧化硅和所述碳纳米管位于所述Mxene材料的片层结构之间。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料中所述二氧化硅、所述碳纳米管和所述Mxene材料的质量比为(5-30):(1-10):100。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述二氧化硅具有球状结构。
4.一种电极，其特征在于，所述电极由权利要求1所述的复合材料制得。
5.一种电池，其特征在于，所述电池包括权利要求4所述的电极。
6.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括权利要求5所述的电池。
7.一种权利要求1所述的复合材料的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
制作Mxene材料；
使用原材料制作所述复合材料，所述原材料包括所述Mxene材料、碳纳米管、正硅酸乙酯、氨水和去离子水。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述使用原材料制作所述复合材料，包括：
使用所述原材料包括的各组分，制作包括所述复合材料的混合物；
对所述混合物进行处理，所述处理包括离心和洗涤，得到包括所述复合材料的喷雾剂；
对所述喷雾剂进行喷雾干燥，并对所得的固体进行真空干燥，得到所述复合材料。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述制作Mxene材料，包括：
使用氧化试剂对钛碳化铝进行氧化；
对氧化后的产物进行洗涤和离心，得到所述Mxene材料。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述氧化试剂包括含氟试剂。
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