[发明专利]一种柔性三维层状MXene@铟复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种柔性三维层状MXene@铟复合膜及其制备方法和应用。该柔性复合膜是通过简单且工业化的电沉积方法将低熔点的金属铟(In)沉积到柔性自支撑MXene膜而制备。其中，铟可以与金属锂合金化反应，铟具备极好的亲锂性，可以有效减小形核壁垒，使得锂沉积溶解过程中的实际电流密度降低，有利于减小沉积溶解过电位，改善沉积的均匀性，提高内部锂离子传输速率，能够改变锂沉积方向，缓解锂枝晶刺穿隔膜造成的电池安全问题，这种复合材料具有极好的效果抑制锂枝晶的生长，而且电沉积操作简便、可以规模化生产，因此本发明具有极大的应用价值和科研价值。

技术领域

本发明属于复合材料制备和锂金属电池技术领域，具体涉及一种柔性三维层状MXene@铟复合膜及其制备方法和应用。

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。

随着电动汽车、大规模储能、轻型电动车等需求日益增大，全球不可再生资源的日益减少，基于当前对绿色、高效、实用的储能材料的迫切需求，对高性能大容量的二次储能可充放电电池的开发迫在眉睫。充放电的锂离子电池是目前研究最广泛且最具有市场应用价值的能源存储体系。它具有能量密度高、安全系数高、质量轻等一系列优点，但是仍不能满足人们对更高能量密度的需求，因此研究者们已经开始将研究重点转移到金属锂二次电池。

金属锂(Li)具有很高的理论比容量(3860mAh/g)和较低的还原电势(-3.04V相对于标准氢电极电势)，且金属锂延展性好，具有优异的机械柔性等优点，因此金属锂成为二次电池最有发展潜力的负极材料。然而，锂金属二次电池在充电过程中会因为锂离子还原时其反复沉积和析出过程中负极表面容易形成树枝状金属锂，即金属锂枝晶，尖锐的金属锂枝晶很可能会刺破隔膜，从而与电池的正极材料接触引发内部短路，甚至有可能引发爆炸等安全问题；而且大量金属锂枝晶的生长会导致SEI膜的反复破坏，从而不断的消耗电解液，大大缩短电池的使用寿命；此外，不可逆“死锂”的生成也会降低锂金属电池容量。

目前，有效抑制锂枝晶生长提升锂负极循环稳定性和安全性能的策略逐渐增多，比如增大锂负极的比表面积、在集流体预沉积形核位点等。目前类石墨烯的二维MXene材料具有良好的力学柔性、高的比表面、稳定的化学性、高的导电性及独特的光电性能等优点，二维MXene的胶体溶液可以在没有添加剂的情况组装成自支撑、亲水、柔性且导电的薄膜，因此被人们大量的研究，被广泛的用于储能、催化、过滤、复合材料增强相等各方面。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种三维层状MXene@In复合膜用作锂金属电池锂负极的集流体。其中三维层状MXene@In复合膜是通过简单且工业化的电沉积方法将低熔点的金属铟(In)沉积到柔性自支撑MXene膜而制备。柔性的三维层状MXene膜通过真空抽滤法制得，不需添加任何导电添加剂、粘结剂，直接自组装成柔性自支撑的膜，该集流体具有三维层状的结构，可以有效提供更多的比表面积负载金属锂且起到很好的缓冲作用。金属铟通过化学电沉积的方法，在包含氯化铟水溶液的两电极体系中(金属铂做对电极)恒电流电沉积制备所得，根据铟-锂合金的合金化反应，铟具有极好的亲锂作用，可以有效的降低形核势垒，提高内部锂离子传输速率。该材料制备方法简便，不需复杂设备，且使用效果好，具有良好的实际应用之价值和工业化应用之前景。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：

本发明的第一个方面，提供一种三维层状MXene@In复合膜，所述三维层状MXene@In复合膜包括柔性自支撑三维层状MXene膜，以及负载在柔性自支撑三维层状MXene膜上的金属铟(In)颗粒。

本发明的第二个方面，提供上述三维层状MXene@In复合膜的制备方法，所述制备方法，包括：制备三维层状MXene膜；在三维层状MXene膜上电沉积金属铟。