一种层状多孔锂电池导电材料、制备方法、导电剂及电池技术

本发明专利技术属于导电材料技术领域，公开了一种层状多孔锂电池导电材料、制备方法、导电剂及电池。基于Mxene二维层状材料为多孔碳前驱体，通过与氧化石墨烯的分散液复合、干燥的方式构建Mxene与石墨烯层层堆叠的结构，而后通过高温还原、刻蚀的过程进而得到多孔层状碳结构与石墨烯层层组装的二维层状复合结构。本发明专利技术结构同时包含结构完整、高效导电的石墨烯层与电解液浸润性良好，离子传输性能优秀的多孔层状碳。兼具优秀的离子传输与电子传输特性，应用于锂电池中，性能远好于导电炭黑、碳纳米管与石墨烯。实际测试表明，使用该导电剂的锂电池的电池内阻，大倍率充放电性能与大倍率循环性能均好于现有产品。能均好于现有产品。能均好于现有产品。

【技术实现步骤摘要】
一种层状多孔锂电池导电材料、制备方法、导电剂及电池


[0001]本专利技术属于导电材料
，尤其涉及一种层状多孔锂电池导电材料、制备方法、导电剂及电池。

技术介绍

[0002]导电剂是锂离子电池的关键辅材，由于锂电池的正极材料通常为半导体或绝缘体，电导率较低，因此导电剂的添加能够增加活性物质之间的导电性，减小电极的接触电阻，加速电子移动速率，从而提升电池的倍率性能和改善循环寿命。
[0003]目前常用的导电剂主要包括炭黑类、导电石墨类、VGCF(气相生长碳纤维)、碳纳米管以及石墨烯等。其中，炭黑类、导电石墨类和VGCF属于传统的导电剂，能够在活性物质之间各形成点、面或线接触式的导电网络。碳纳米管和石墨烯属于新型导电剂，其中，碳纳米管在活性物质之间形成线接触式导电网络；石墨烯在活性物质间形成面接触式导电网络。
[0004]石墨烯由于可以在活性物质间形成面接触式的导电网络，因此可以以更少的添加量实现更佳的导电效果。但由于石墨烯易于团聚重新堆叠，且结构致密，这在实际应用于锂电池导电剂中，均会影响锂电池充放电过程中的离子传输，进而影响实际使用效果。
[0005]因此，开发基于石墨烯的高效电子、离子传输的导电材料是有必要的。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有针对石墨烯离子传输能力的改善一般通过在石墨烯表面构建可供离子传输的缺陷来实现，该种方式虽能提高一定的离子传输能力，但也会大大影响石墨烯的结构完整性和导电性能。另外还有通过在石墨烯表面生长成碳前驱体，而后经过碳化、石墨化过程构建石墨烯与多孔碳复合结构。但一般这种结构是点状多孔碳生长在片状石墨烯表面的形式，其导电性与离子传输特性亦有较大限制。

技术实现思路

[0007]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种层状多孔锂电池导电材料、制备方法、导电剂及电池，具体涉及一种基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料。
[0008]所述技术方案如下：一种基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料，以Mxene二维层状材料为多孔碳前驱体，通过与氧化石墨烯的分散液复合、干燥的方式构建Mxene与石墨烯层层堆叠的结构，而后通过高温还原、刻蚀的过程进而得到多孔层状碳结构与石墨烯层层组装的二维层状复合结构。
[0009]本专利技术的另一目的在于提供一种基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1，制备Mxene分散液；
[0011]S2，制备复合粉体；
[0012]S3，将复合粉体还原，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；
[0013]S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构，得到层状多孔导电材料。
[0014]在一个实施例中，在步骤S1中，制备Mxene分散液包括：采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液。
[0015]在一个实施例中，所述得到MXene分散液具体包括以下步骤：
[0016]将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:10～40，HCl溶液中HCl摩尔浓度为9M，搅拌时间20
‑
120min；
[0017]再将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：10～100，反应温度20
‑
60℃，反应时间12
‑
48h；
[0018]完全反应后，加入去离子水反复洗涤至pH值为7；而后加入乙醇清洗，以10000r/min离心10min去除上清液，再次加入去离子水以3500r/min离心3min，获取少层MXene上清液。
[0019]在一个实施例中，在步骤S2中，制备复合粉体包括：将水性氧化石墨烯浆料与Mxene分散液混合均匀，而后经过喷雾干燥过程得到Mxene/氧化石墨烯复合粉体，在喷雾干燥过程中Mxene与氧化石墨烯发生层间堆叠形成多层复合结构。
[0020]在一个实施例中，水性氧化石墨烯浓度为0.1
‑
1mg/ml；氧化石墨烯与MXene配比为1:0.5
‑
2。
[0021]在一个实施例中，在步骤S3中，将复合粉体置于500
‑
800℃氢气气氛中还原1
‑
8h，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯。
[0022]在一个实施例中，在步骤S4中，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构包括：将热处理后的复合粉体通入氯气进行刻蚀2
‑
8h，使Mxene中的Ti与Al金属元素全部脱除，得到多孔碳结构，最终得到层状多孔导电材料。
[0023]本专利技术的另一目的在于提供一种层状二维结构的导电剂，利用所述基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料制备。
[0024]本专利技术的另一目的在于提供一种锂离子电池，利用所述层状二维结构的导电剂制备。
[0025]结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：
[0026]第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本专利技术的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本专利技术技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体描述如下：
[0027]本专利技术基于Mxene二维层状材料为多孔碳前驱体，通过与氧化石墨烯的分散液复合、干燥的方式构建Mxene与石墨烯层层堆叠的结构，而后通过高温还原、刻蚀的过程进而得到多孔层状碳结构与石墨烯层层组装的二维层状复合结构，该种结构同时包含结构完整、高效导电的石墨烯层与电解液浸润性良好，离子传输性能优秀的多孔层状碳。兼具优秀的离子传输与电子传输特性，应用于锂电池中，性能远好于导电炭黑、碳纳米管与石墨烯。
[0028]第二、把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本专利技术所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0029]层状二维结构在应用于导电剂中，相较于导电炭黑的点状接触、碳纳米管的线状接触，可以同时与更多的电极活性材料颗粒接触，因此相较于导电炭黑与碳纳米管，能以更小的添加量，发挥更佳的改善电池极片内阻的效果。
[0030]该种层状多孔导电材料兼具石墨烯结构完整、高导电致密层状结构，与多孔、便于离子传输的多孔层状结构。应用于锂离子电池导电剂中，可以同时兼顾锂离子电池尤其是动力电池大倍率充放电过程所需的高效电子传导与离子传导，达到最佳的导电效果。
[0031]实际测试表明，本专利技术所实现的层状多孔锂电池导电材料用于锂电池中，可以显著改善电池内阻，降低锂电池大倍率充放电的极化效应从而提升电池大倍率充放电性能，同时可显著提升电池大倍率充放电过程的循环寿命。这对锂离子动力电池，尤其是新能源汽车所用锂离子动力电池均具有重要意义：使电池可以实现更快的充放电速度，缩短充电时间，同时提升电池的使用寿命。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料，其特征在于，所述基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料以Mxene二维层状材料为多孔碳前驱体，通过与氧化石墨烯的分散液复合、干燥的方式构建Mxene与石墨烯层层堆叠的结构，通过高温还原、刻蚀的过程进而得到多孔层状碳结构与石墨烯层层组装的二维层状复合结构。2.一种实现权利要求1所述基于Mxene与石墨烯的层状多孔锂电池导电材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：S1，制备Mxene分散液；S2，制备复合粉体；S3，将复合粉体还原，使得多层复合结构的氧化石墨烯被还原为石墨烯；S4，刻蚀Mxene层形成多孔碳结构，得到层状多孔导电材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，采用HCl/LiF对Ti3AlC2进行蚀刻分层制备得到MXene分散液。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述得到MXene分散液具体包括以下步骤：将LiF加入HCl溶液中，搅拌充分溶解；LiF与HCl溶液的质量配比为1:10～40，HCl溶液中HCl摩尔浓度为9M，搅拌时间20
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120min；再将Ti3AlC2分批次加入混合溶液中并充分搅拌反应；Ti3AlC2与混合溶液配比为1：10～100，反应温度20
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60℃，反应时间12
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48h；完全反应后，加入去离子水反复洗涤...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔德斌，韩俊伟，李忠涛，智林杰，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：