[发明专利]一种高储锂容量Ti3

说明书

本发明提供了一种机械化学法(mechanochemistry)制备高储锂容量Ti₃C₂T_x的方法，属于MXene制备技术领域。本发明以MAX相的Ti₃AlC₂为原料，在强碱环境中，通过施加机械力诱发化学反应制备了稳定的小尺寸Ti₃C₂T_x。该材料具有二维纳米薄片结构、较大的层间间距和稳定的表面特性。其丰富的外露边缘和大的比表面积，增加了储锂活性位点数目，更利于与电解液的充分接触和锂离子的传输扩散，从而获得高储锂容量。本发明采用的强碱辅助机械化学法制备的Ti₃C₂T_x，具有工艺简单可控、污染小、成本低等特点，有实现规模化生产的潜力。

技术领域

本发明属于MXene制备技术领域，涉及一种高储锂容量Ti₃C₂T_x的机械化学制备方法及Ti₃C₂T_x作为锂离子电池负极材料的应用。

背景技术

锂离子电池因具有高能量密度、优异的循环性能、高电压、高安全性、对环境友好等优点，广泛应用于各种便携式电子设备、电动汽车等领域。在锂离子电池中，负极材料对电池性能起着关键作用。目前，作为商业化的负极材料石墨碳虽具有较好的循环稳定性，但其理论容量较低，不能满足日益增长的能量需求。因此，研发具有优异性能的新型锂离子电池负极材料至关重要。

MXene是一种新型的类石墨烯二维过渡金属碳/氮化物，化学式为 M_n+1X_nT_x，其中M是前过渡金属元素，X是碳或氮元素，T为表面携带的官能团，n＝1、2、3。自2011年DrexelUniversity研究人员首次制备以来， MXene在锂离子电池负极材料方面显示出巨大的潜力。多数MXene材料通过选择性刻蚀MAX相中“A”层制得(A是IIIA或IVA族元素)，最常用的刻蚀剂是氢氟酸。相关研究表明MXene因具有高本征电子导电性、良好的亲水性、机械稳定性、丰富的表面官能团和化学组成，在超级电容器、锂/钠离子电池、电磁屏蔽、传感和光电催化等领域具有广泛应用。

Ti₃C₂T_x是一类研究最早、最深入的MXene材料，因其高电导率、较高储锂容量(320-410mAh g^-1)，低锂离子扩散能垒(0.07eV)和独特的金属离子吸附特性在锂离子电池中展现出良好的应用前景。然而，Ti₃C₂T_x受制于范德华力引起的层间堆叠聚集，导致与电解液的接触面积大幅降低和锂离子传输通道的减少，造成电化学反应动力学缓慢。研究者们通常采用插层剂扩层、官能团改性、杂原子掺杂和片层内造孔等手段，阻止层间堆叠，减少离子扩散阻力，增加离子吸附位点。然而上述方法构筑的Ti₃C₂T_x材料其容量仍远低于理论容量，因此亟待寻找一种简单可行的策略进一步提升其储锂容量。

发明内容