CN115020680A - 一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料 - Google Patents
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115020680A CN115020680A CN202210831906.2A CN202210831906A CN115020680A CN 115020680 A CN115020680 A CN 115020680A CN 202210831906 A CN202210831906 A CN 202210831906A CN 115020680 A CN115020680 A CN 115020680A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hard carbon
- mxene
- phenolic resin
- negative electrode
- electrode material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910021385 hard carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 161
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 title claims abstract description 58
- FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N Sodium cation Chemical compound [Na+] FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 56
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 56
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical compound [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 56
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 claims abstract description 56
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 claims abstract description 56
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000000707 layer-by-layer assembly Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 15
- LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M Cetrimonium bromide Chemical compound [Br-].CCCCCCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)C LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 14
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 22
- 239000010405 anode material Substances 0.000 claims description 13
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 claims description 9
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 claims description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 21
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 abstract description 5
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 abstract description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 abstract 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 24
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 24
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 18
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 18
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 18
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 16
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 8
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 8
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 3
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000009881 electrostatic interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000003837 high-temperature calcination Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/362—Composites
- H01M4/366—Composites as layered products
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/054—Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/5825—Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
- H01M2004/027—Negative electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
本发明涉及一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。本发明利用具有二维层状结构、耐电解液腐蚀、导电性优异和离子扩散势垒低的MXene包覆的酚醛树脂衍生的钠离子电池硬碳负极材料,提高硬碳负极材料循环稳定性和倍率性能的方法。所述方法包括如下步骤:将酚醛树脂粉末在氩气气氛下进行热处理,即得酚醛树脂衍生的硬碳;用CTAB表面活性剂水溶液处理酚醛树脂衍生的硬碳,使其表面带正电;采用酸刻蚀法制备表面带负电的MXene水溶液;将表面带正电的酚醛树脂衍生的硬碳和表面带负电的MXene进行静电自组装;静电自组装完成后进行过滤、烘干,即得。电化学测试表明,MXene包覆显著提高了酚醛树脂衍生的硬碳负极材料的电化学性能。
Description
技术领域
本发明属于钠离子电池技术领域,具体涉及一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
由于具有优异的成本优势,钠离子电池成为近年来的研究热点。很多企业纷纷布局钠离子电池的产业化生产。硬碳是钠离子电池中最常用的负极材料,其具有来源丰富、低成本、储钠电位低、无毒环保等优势。但是硬碳负极还存在很多性能问题,如循环稳定性差、倍率性能低等。这些问题影响了硬碳负极的大规模应用。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提供了一种MXene包覆的硬碳负极材料及其制备方法与应用。本发明开发了一种提高钠离子电池硬碳负极材料电化学性能的方法,合成出了高稳定、长寿命的钠离子电池负极材料,并将其应用于钠离子电池,这将对钠离子电池的快速发展和新能源行业的进步具有重要促进作用,意义重大。
为实现上述技术目的,本发明采用如下技术方案:
本发明的第一个方面,提供了一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料,所述MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料包括:酚醛树脂衍生的硬碳负极材料;以及包覆在硬碳负极材料表面的MXene纳米片。
本发明方法的特点之一是:采用产碳率较高易于规模化生产的酚醛树脂作为碳源合成钠离子电池硬碳负极材料。
本发明的第二个方面,提供了一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将酚醛树脂粉末在氩气气氛下进行热处理,即得酚醛树脂衍生的硬碳;用CTAB表面活性剂水溶液处理酚醛树脂衍生的硬碳,使其表面带正电;
(2)采用酸刻蚀法制备表面带负电的MXene水溶液;
(3)将表面带正电的酚醛树脂衍生的硬碳加入到表面带负电的MXene水溶液中进行静电自组装;静电自组装完成后进行过滤、烘干,即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
MXene具有二维层状结构、耐电解液腐蚀、优异的导电性和较低的离子扩散势垒。将MXene纳米片包覆在硬碳负极材料表面可提高其倍率性能。此外,覆盖在硬碳负极材料表面的MXene可作为一种保护层,缓解电化学过程对硬碳负极的影响,进而提高硬碳负极材料的循环稳定性。
本发明的第三个方面,提供了上述的MXene包覆的硬碳负极材料在钠离子电池中的应用;所述应用领域包括电动汽车、笔记本电脑、智能电网、手机、电子产品、移动储能设备制造等。
本发明有效地提高了钠离子电池硬碳负极材料的电化学性能。改性后的硬碳负极材料有望在钠离子电池中得到广泛的推广和应用,从而推动新能源产业的发展和进步。
本发明的有益效果在于:
(1)本发明采用酚醛树脂作为碳源,其产碳率高,易于大规模生产。
(2)本发明采用具有二维层状结构、耐电解液腐蚀、导电性优异和离子扩散势垒低的MXene来包覆钠离子电池硬碳负极材料,一方面,MXene作为保护层,能够缓解电化学过程对硬碳负极的影响,提高硬碳负极材料的循环稳定性;另一方面,MXene具有耐电解液腐蚀、导电性优异和离子扩散势垒低等优点,将其与硬碳复合,可提高其电化学性能。
(3)本发明利用MXene水溶液表面带负电,同时,用CTAB表面活性剂水溶液处理酚醛树脂衍生的硬碳,使其表面带正电;通过静电作用完成自组装。静电自组装能够使二维MXene纳米片更均匀地包覆在硬碳材料表面,提高复合材料的均匀性,进而最大程度上发挥MXene的作用,最终提高复合材料的电化学性能。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1-7中制备MXene包覆的酚醛树脂衍生的钠离子电池硬碳负极材料的流程示意图。
图2为本发明对比例和实施例中酚醛树脂粉末的扫描电镜图。
图3为本发明对比例和实施例1中酚醛树脂衍生的钠离子电池硬碳负极材料的扫描电镜图。
图4为本发明实施例1中Ti3C2TxMXene包覆的酚醛树脂衍生的钠离子电池硬碳负极材料的扫描电镜图。
图5为对比例和实施例1中的负极在0.5A/g电流密度下的循环曲线图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如前文所述,钠离子电池硬碳负极材料还存在循环稳定性差、倍率性能低等问题。这些问题影响了硬碳负极在钠离子电池中的大规模应用。
因此,本发明提出了一种MXene包覆策略,即将具有二维层状结构、耐电解液腐蚀、导电性优异和离子扩散势垒低的MXene纳米片包覆在硬碳负极材料表面,提高了其倍率性能。此外,覆盖在硬碳负极材料表面的MXene可作为一种保护层,其能够缓解电化学过程对硬碳负极的影响,提高硬碳负极材料的循环稳定性。
一种MXene包覆的硬碳负极材料,包括:酚醛树脂衍生的硬碳负极材料;以及包覆在硬碳负极材料表面的MXene纳米片。
在一些典型的实施方式中,所述MXene包括Ti3C2Tx、V2CTx、Mo2CTx等中的任意一种。
一种MXene包覆的钠硬碳负极材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将酚醛树脂粉末在氩气气氛下进行热处理,即得酚醛树脂衍生的硬碳;用CTAB表面活性剂水溶液处理酚醛树脂衍生的硬碳,使其表面带正电;
(2)采用酸刻蚀法制备表面带负电的MXene水溶液;
(3)将表面带正电的酚醛树脂衍生的硬碳加入到表面带负电的MXene水溶液中进行静电自组装;静电自组装完成后进行过滤、烘干,即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
在一些典型的实施方式中,所述酚醛树脂粉末在氩气气氛中的热处理温度为800-1500℃,时间为5-20h。
在一些典型的实施方式中,所述CTAB表面活性剂水溶液的浓度为0.1-10mg/mL,处理硬碳负极材料的时间为0.2-10h。
在一些典型的实施方式中,通过LiF和HCl混合物进行刻蚀。
在一些典型的实施方式中,所述MXene与硬碳负极材料的质量比为1:20-1:1。
在一些典型的实施方式中,所述静电自组装的时间为0.1-20h。
在一些典型的实施方式中,所述惰性气氛为氩气、氮气、氢氩混合气体、氦气、真空气氛等,其氧含量小于0.1ppm,水分含量小于0.1ppm。
下面结合具体的实施例,对本发明做进一步的详细说明,应该指出,所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备(制备工艺如图1所示),包括如下步骤:
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL),磁力搅拌1h,使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液,其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中50mL Ti3C2TxMXene水溶液中,磁力搅拌2h,进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤,60℃下真空烘干,即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料,PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀,然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对,在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池,测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5%FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例2
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备,包括如下步骤:
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中800℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL),磁力搅拌1h,使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液,其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中50mL Ti3C2TxMXene水溶液中,磁力搅拌2h,进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤,60℃下真空烘干,即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料,PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀,然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对,在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池,测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5%FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例3
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备,包括如下步骤:
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1500℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL),磁力搅拌1h,使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液,其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中50mL Ti3C2TxMXene水溶液中,磁力搅拌2h,进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤,60℃下真空烘干,即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料,PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀,然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对,在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池,测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5%FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例4
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备,包括如下步骤:
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL),磁力搅拌5h,使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液,其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中50mL Ti3C2TxMXene水溶液中,磁力搅拌2h,进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤,60℃下真空烘干,即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料,PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀,然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对,在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池,测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5%FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例5
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备,包括如下步骤:
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL),磁力搅拌1h,使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液,其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中20mL Ti3C2TxMXene水溶液中,磁力搅拌2h,进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤,60℃下真空烘干,即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料,PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀,然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对,在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池,测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5%FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例6
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备,包括如下步骤:
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL),磁力搅拌1h,使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液,其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中100mL Ti3C2TxMXene水溶液中,磁力搅拌2h,进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤,60℃下真空烘干,即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料,PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀,然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对,在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池,测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5%FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
实施例7
一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的制备,包括如下步骤:
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将0.5g酚醛树脂衍生的硬碳粉末置入10mL CTAB水溶液中(1mg/mL),磁力搅拌1h,使硬碳粉末表面带正电。
(3)采用LiF和HCl混合物刻蚀Ti3AlC2粉末制备表面带负电的Ti3C2TxMXene水溶液,其浓度为1mg/mL。
(4)将(2)中溶液加入到(3)中50mL Ti3C2TxMXene水溶液中,磁力搅拌5h,进行静电自组装。
(5)静电自组装完成后进行过滤,60℃下真空烘干,即得MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料。
(6)将MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料,PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀,然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(7)将步骤(6)中的硬碳电极与金属钠负极配对,在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池,测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5%FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
对比例
对比例的实施主要包括如下步骤:
(1)将2g酚醛树脂粉末在氩气气氛中1000℃下煅烧5h。升温速率为5℃/min。冷却至室温后即得酚醛树脂衍生的硬碳粉末。
(2)将酚醛树脂衍生的硬碳粉末,PVDF和导电碳黑按照8:1:1的质量比混合均匀,然后分散到NMP溶液中形成均匀的浆料。然后把浆料涂敷在铝箔上并在70℃下真空干燥得到硬碳电极片。
(3)将步骤(3)中的硬碳电极与金属钠负极配对,在惰性气氛中组装CR2032型扣式电池,测试硬碳电极的电化学性能。电解液为1M NaPF6-EC/DEC(体积比1:1)+5%FEC。扣式电池结构包括正极壳(不锈钢)、负极壳(不锈钢)、垫片(不锈钢)、硬碳电极、钠片、电解液和隔膜(玻璃纤维)。
性能测试
(1)以实施例1装配的扣式电池为例,利用充放电设备(新威CT-4008)对用Ti3C2TxMXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料组装的电池的循环性能进行评估。同时,作为对比,还测试了用未包覆的钠离子电池硬碳负极材料组装的电池(对比例)的上述性能,结果如图5所示。在电流密度为0.5A/g下,经过100次循环后,Ti3C2TxMXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料的放电比容量比未包覆的硬碳电极的要高。以上结果表明,Ti3C2TxMXene包覆后,硬碳负极的循环稳定性得到明显提高,这归因于Ti3C2TxMXene包覆层对电极导电性的提升以及对硬碳负极的保护。
从图2-4可知,酚醛树脂粉末呈现出不规则的块状形貌。在氩气气氛下煅烧后,酚醛树脂衍生为钠离子电池硬碳负极材料,其尺寸变大,这是由于高温煅烧带来的体积膨胀效应造成的。通过静电自组装法将酚醛树脂衍生为钠离子电池硬碳负极材料和Ti3C2TxMXene组合后,二维Ti3C2TxMXene纳米片分布在硬碳负极材料表面。
最后应该说明的是,以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种MXene包覆的硬碳负极材料,其特征在于,所述MXene包覆的硬碳负极材料包括:酚醛树脂衍生的硬碳负极材料,以及包覆在硬碳负极材料表面的MXene纳米片。
2.根据权利要求1所述MXene包覆的硬碳负极材料,其特征在于,所述MXene纳米片包括Ti3C2Tx、V2CTx、Mo2CTx中的任意一种。
3.根据权利要求1或2所述MXene包覆的硬碳负极材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将酚醛树脂粉末在氩气气氛下进行热处理,即得酚醛树脂衍生的硬碳;用CTAB表面活性剂水溶液处理酚醛树脂衍生的硬碳,使其表面带正电;
(2)采用酸刻蚀法制备表面带负电的MXene水溶液;
(3)将步骤(1)得到的硬碳负极材料加入到表面带负电的MXene水溶液中进行静电自组装;静电自组装完成后进行过滤、烘干,即得MXene包覆的硬碳负极材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述酚醛树脂粉末在氩气气氛中的热处理温度为800-1500℃,时间为5-20h。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述CTAB表面活性剂水溶液的浓度为0.1-10mg/mL,处理硬碳负极材料的时间为0.2-10h。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述酸刻蚀法为通过LiF和HCl混合物进行刻蚀。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述MXene与硬碳负极材料的质量比为1:20-1:1。
8.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述静电自组装的时间为0.1-20h。
9.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述惰性气氛为氩气、氮气、氢氩混合气体、氦气、真空气氛中的一种,其氧含量小于0.1ppm,水分含量小于0.1ppm。
10.一种如权利要求1或2所述MXene包覆的硬碳负极材料在钠离子电池中的应用;优选的,所述应用包括在电动汽车、笔记本电脑、智能电网、手机、电子产品、移动储能设备制造领域的应用。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210831906.2A CN115020680B (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210831906.2A CN115020680B (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN115020680A true CN115020680A (zh) | 2022-09-06 |
CN115020680B CN115020680B (zh) | 2024-02-23 |
Family
ID=83080528
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202210831906.2A Active CN115020680B (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN115020680B (zh) |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106935856A (zh) * | 2017-03-28 | 2017-07-07 | 中南大学 | 一种钠离子电池碳基复合负极材料及其制备方法 |
CN108682812A (zh) * | 2018-05-10 | 2018-10-19 | 山东大学 | 一种MXene包覆硅的复合电极材料及其制备方法 |
CN109449402A (zh) * | 2018-10-29 | 2019-03-08 | 北京科技大学 | 一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备及其应用方法 |
CN109742383A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-10 | 中国科学院物理研究所 | 基于酚醛树脂的钠离子电池硬碳负极材料及其制备方法和应用 |
CN109742399A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-05-10 | 宁波容百新能源科技股份有限公司 | 一种钠离子电池负极材料及其制备方法 |
CN110098391A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-08-06 | 北京化工大学 | 一种MXene衍生的二氧化钛/碳包覆纳米硅三元复合材料及其制备方法 |
CN111799464A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-10-20 | 中国科学院电工研究所 | 一种MXene/石墨烯复合纳米片及其制备方法和应用、电极极片及其应用 |
CN111883745A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-11-03 | 辽宁科技大学 | 一种MOF/MXene/CF复合纳米片及其合成方法 |
CN113314705A (zh) * | 2021-06-02 | 2021-08-27 | 天津工业大学 | 一种原位氧化生长花状结构TiO2/MXene/硬碳钠离子电池负极材料的制备方法 |
CN114373924A (zh) * | 2020-10-14 | 2022-04-19 | 天津工业大学 | 一种锂/钠离子电池用绿色酚醛树脂基硬碳负极材料及制备方法 |
CN114373917A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-19 | 山东大学 | 一种钠离子电池正极复合材料及其制备方法与应用 |
-
2022
- 2022-07-15 CN CN202210831906.2A patent/CN115020680B/zh active Active
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106935856A (zh) * | 2017-03-28 | 2017-07-07 | 中南大学 | 一种钠离子电池碳基复合负极材料及其制备方法 |
CN108682812A (zh) * | 2018-05-10 | 2018-10-19 | 山东大学 | 一种MXene包覆硅的复合电极材料及其制备方法 |
CN109449402A (zh) * | 2018-10-29 | 2019-03-08 | 北京科技大学 | 一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备及其应用方法 |
CN109742399A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-05-10 | 宁波容百新能源科技股份有限公司 | 一种钠离子电池负极材料及其制备方法 |
CN109742383A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-10 | 中国科学院物理研究所 | 基于酚醛树脂的钠离子电池硬碳负极材料及其制备方法和应用 |
CN110098391A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-08-06 | 北京化工大学 | 一种MXene衍生的二氧化钛/碳包覆纳米硅三元复合材料及其制备方法 |
CN111883745A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-11-03 | 辽宁科技大学 | 一种MOF/MXene/CF复合纳米片及其合成方法 |
CN111799464A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-10-20 | 中国科学院电工研究所 | 一种MXene/石墨烯复合纳米片及其制备方法和应用、电极极片及其应用 |
CN114373924A (zh) * | 2020-10-14 | 2022-04-19 | 天津工业大学 | 一种锂/钠离子电池用绿色酚醛树脂基硬碳负极材料及制备方法 |
CN113314705A (zh) * | 2021-06-02 | 2021-08-27 | 天津工业大学 | 一种原位氧化生长花状结构TiO2/MXene/硬碳钠离子电池负极材料的制备方法 |
CN114373917A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-19 | 山东大学 | 一种钠离子电池正极复合材料及其制备方法与应用 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
JINKUI FENG ET AL.: "Scalable construction of SiO/wrinkled MXene composite by a simple electrostatic self-assembly strategy as anode for high-energy lithium-ion batteries", 《CHINESE CHEMICAL LETTERS》, pages 980 * |
NING SUN ET AL.: "MXene-Bonded Flexible Hard Carbon Film as Anode for Stable Na/K-Ion Storage", 《ADV. FUNCT. MATER.》, pages 1906282 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN115020680B (zh) | 2024-02-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Liu et al. | N-Doped carbon coating enhances the bifunctional oxygen reaction activity of CoFe nanoparticles for a highly stable Zn–air battery | |
CN105253871B (zh) | 超级电容器用含氮碳材料及其制备方法、超级电容器电极材料 | |
CN110224182B (zh) | 一种锂离子电池预锂化的方法 | |
CN102185140A (zh) | 一种纳米网络导电聚合物包覆磷酸铁锂正极材料的制备方法 | |
CN106024402B (zh) | 一种超级电容器碳/碳化钛核壳复合球电极材料及其制备方法 | |
CN109279583B (zh) | 一种二硒化钼/氮掺杂碳复合纳米材料及其制备方法与应用 | |
CN106711457A (zh) | 富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体、其制法及应用 | |
CN114373917A (zh) | 一种钠离子电池正极复合材料及其制备方法与应用 | |
CN111785946B (zh) | 负极活性材料及其制备及应用 | |
CN109301186B (zh) | 一种包覆型多孔结构的三元正极材料及其制备方法 | |
CN112349909A (zh) | 一种锌离子电池正极复合材料及其制备方法和应用 | |
CN111193022B (zh) | 用于锂离子电池的改性三氟氧钛酸铵的制备及应用 | |
CN106935838A (zh) | 制备单向择优生长高电化学活性的磷酸铁锂四元复合材料的方法 | |
CN114497491B (zh) | 共价有机框架包覆的钠离子电池正极材料及其制备方法 | |
CN116845214A (zh) | 补钠添加剂和碳共包覆复合磷酸铁钠正极材料、制备方法 | |
CN105762359B (zh) | 一种钠离子电池高容量石墨负极材料制备方法 | |
CN105810918B (zh) | 一种原位合成TiO2介晶‑碳‑石墨烯纳米复合材料的方法及其应用 | |
CN112794310B (zh) | 一种钾离子电池负极材料及其制备方法和应用 | |
CN107827091A (zh) | 一种质子化改性类石墨氮化碳材料及其制备和在锂离子电池负极材料中的应用 | |
CN108134048A (zh) | 一种石墨烯/实心碳球锂离子负极电极片及其扣式锂离子电池制备方法 | |
CN115020680B (zh) | 一种MXene包覆的钠离子电池硬碳负极材料 | |
CN115425196A (zh) | 氧化物包覆的钠电池正极材料及其制备方法与应用 | |
CN103928684A (zh) | 改性锂离子电池石墨负极材料及其制备方法 | |
CN109599533B (zh) | 一种锂离子电池电极的制备方法 | |
CN108963198A (zh) | 正极、负极,其制备方法以及包括其的锂离子电池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |