[发明专利]一种MXene掺杂兼表面包覆改性的锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种MXene掺杂兼表面包覆改性的锂离子电池正极材料及其制备方法，由锂离子电池正极材料、包覆锂离子电池正极材料的MXene纳米点包覆层、和掺杂锂离子电池正极材料的MXene纳米纤维材料组成，采用MXene纳米纤维掺杂在正极材料二次颗粒的内部，错综交织的MXene纳米纤维使材料内部形成有效的高导电网络，同时采用MXene纳米点包覆于正极材料二次颗粒的表面，从而同时提高材料内部及表面的电子导电性，克服了仅采用单一的表面包覆改性所导致材料的电子导电性和倍率性能改善的局限性。

技术领域

本发明涉及二次电池领域，特别是涉及一种MXene掺杂兼表面包覆改性的锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有循环寿命长、功率密度高、能量密度高、电压平台高等优点，目前已广泛用于移动电话、手提电脑等电子产品领域，但仍难以满足电动汽车、电动工具等产品对倍率性能的要求。正极材料是影响电池性能的关键因素。

为提高锂离子电池正极材料的倍率性，研究者们采用具有电子导电性质的导电氧化物、导电聚合物和碳材料对锂离子电池正极材料进行表面包覆，通过提高材料表面的电子导电性来提高了材料的倍率性能。以上三类导电材料中，碳材料的电子导电性最好，但其仅适用于包覆还原性气氛合成的锂离子电池正极材料，诸如LiFePO₄，Li₃V₂(PO₄)₃等，不适于包覆氧化性气氛合成的锂离子电池正极材料，这是因为：若实现包覆材料与正极材料的紧密结合，避免由正极材料脱嵌锂过程的体积膨胀和收缩导致包覆物脱落及循环性能的改善不理想，需在包覆过程的最终阶段将材料在空气或氧气气氛进行高温焙烧，然而碳材料在氧化性气氛下焙烧会被燃烧生成二氧化碳。况且，表面包覆方法仅能改善材料表面的电子导电性，这对材料的倍率性能提升很有限。

MXene材料是一种新兴的二维层状结构材料，其电子导电性类似于金属材料。MXene材料可以承受在空气、氧气和惰性气氛中焙烧。因而，MXene材料用于锂离子电池正极材料(NCA)的改性更有利于提升材料的倍率性能，而且对于氧化性气氛和还原性气氛合成的锂离子电池正极材料均适用。然而，传统的MXene材料为具有微米尺寸的二维片层状结构，而锂离子电池正极材料也大多为微米尺寸，因而难以实现将微米尺寸的片状MXene材料包覆于正极材料的表面，同时也难以实现微米尺寸的片状MXene材料在正极材料二次颗粒内部的有效掺杂。

发明内容

针对以上背景技术中提到的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种MXene掺杂兼表面包覆改性的锂离子电池正极材料及其制备方法。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案一种MXene掺杂兼表面包覆改性的锂离子电池正极材料，由锂离子电池正极材料、包覆锂离子电池正极材料的MXene纳米点包覆层、和掺杂锂离子电池正极材料的MXene纳米纤维材料组成，具体的，MXene纳米点材料为金属碳化物或氮化物材料M_n+1X_n，其中M＝Sc、Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mo、Hf等，X代表C或N元素，n＝1、2、3。

优选的，MXene纳米点包覆层颗粒尺寸为3～20nm，MXene纳米点与锂离子电池正极材料的质量比为(0.5～10):100。

优选的，MXene纳米纤维材料长度1～30μm，直径为3～50nm，掺杂的MXene纳米纤维与锂离子电池正极材料的质量比为(0.5～10):100。

优选的，锂离子电池正极材料为具有层状结构、尖晶石结构或橄榄石结构的正极材料。

本发明还公开了一种MXene掺杂兼表面包覆改性的锂离子电池正极材料的制备方法，该制备方法按以下步骤进行：