一种碲掺杂MXene材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种碲掺杂mxene的制备方法及其在钠离子电池中的应用。

背景技术：

最早商用成功的锂离子电池在储能领域一直占据着主导地位，但随着二次电池使用越加广泛，锂离子电池的固有缺陷，如锂资源储量有限、资源分布不均衡、成本居高不下等问题逐渐引起人们的担忧。随着新能源行业的发展，寻找成本更低、含量更丰富的替代品越发紧迫。

钠存储丰富，钠离子电池(sib)因其低成本和合适的氧化还原电位(相对于标准氢电极为2.71v)的显著优点而有望取代锂离子电池(lib)，成为新一代二次电池。钠离子半径大于锂离子半径，在锂离子电池得到广泛应用的石墨材料的层间距较小，na⁺插嵌能力差，并不适用于钠离子电池。

mxene材料是一个新的二维金属碳化物和碳氮化物系列，其中m是过渡金属，a是iiia族或iva族并且x是c和/或n，经氢氟酸刻蚀，可形成含有羟基、氧和氟的官能团的纳米片状材料，多种化学成分和丰富的官能团赋予mxenes优异的亲水表面和良好的导电性能，因而在储能领域表现出巨大的潜力。与传统碳材料相比，钠离子电池的电化学性能仍存在巨大提升空间。

此外在现有电池行业中，制备钠电池的方法或工艺步骤较多，这样容易增加成本，而如果简单的省略一些工艺步骤又会导致性能下降。此外，广泛使用的硫掺杂mxene的技术采用h2s作为硫源，毒性大，有很强的污染性，后续处理困难。因而，通过简单的方法制备低成本、更安全环保的碲掺杂mxene材料及其钠离子电池具有重要的现实意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种碲掺杂mxene材料。本发明的另一目的在于提供上述碲掺杂mxene材料的制备方法。进一步的，本发明提供一种碲掺杂mxene材料的应用，将所述碲掺杂mxene材料用作钠离子电池负极。

本发明采用以下技术方案：

一种碲掺杂mxene材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将mxene和碲源按照质量比为1：1～5(例如1：2、1：3、1：4)分别加入两个石英方舟中；

(2)将两个石英舟放置在管式炉中，其中，盛放碲源的石英方舟位于进气侧，盛放mxene的石英方舟位于出气侧，两方舟间隔1-5cm(例如2、3、4cm)；

(3)在气体流速为70-300ml/min(例如80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300ml/min)的惰性气体保护下，以3～8℃/min的升温速度加热至300-500℃，保温3-5小时后冷至室温；

(4)收集位于出气侧的石英方舟中的固体，即得到碲掺杂mxene材料。

进一步地，所述碲源为碲粉、亚碲酸钠中的至少一种。优选粒径为50-150目(例如80、100、120目)的碲粉，优选纯度为99.99％。

所述mxene为ti3c2tx、mo3c2tx、v3c2tx、ti3n2tx、mo3n2tx、v3n2tx、ti2ctx中的一种或多种，可选ti3n2tx，可选v3c2tx，可选v3n2tx，优选质量比为4～9：1的ti3c2tx和v3c2tx，可选ti3c2tx、v3n2tx和v3c2tx(例如质量比为4～9：1：1)，tx为表面官能团-o、-f或-oh。

进一步地，所述碲掺杂mxene材料中碲掺杂量为0.5wt％-15wt％。

进一步优选地，所述碲掺杂mxene材料中碲掺杂量为1.5wt％-10wt％，例如1.5wt％-5wt％，例如5wt％-9wt％。

进一步地，所述惰性气体为ar。

进一步地，步骤(3)中在气体流速为220-300ml/min(例如250ml/min)的惰性气体保护下，以4～6℃/min(例如5℃/min)的升温速度加热至350-450℃，保温3-5小时后冷至室温。

一种碲掺杂mxene材料的制备方法制备得到的碲掺杂mxene材料。

一种碲掺杂mxene材料的应用，将所述碲掺杂mxene材料用于钠离子电池负极。将碲掺杂mxene与碳黑、粘结剂按8:1:1的比例(质量比)混合，均匀涂覆在集流体上，经真空干燥、切片后，用于钠离子电池负极，可极大提高钠离子电池的比容量、循环稳定性能。该材料制备方法简单，安全环保，适合大规模应用。

碲原子半径大于s原子，在掺入mxene后，层间距更宽、活性位点更多，显著提高钠离子电池性能。

本发明的有益效果：

(1)本发明制备的碲掺杂的mxene材料可极大提高钠离子电池的比容量、循环稳定性能；

(2)本发明的制备方法简单，安全环保，适合大规模应用。

附图说明

图1是对比例1中未掺杂mxene材料的扫描电镜图；

图2是实施例2中碲掺杂mxene材料的扫描电镜图；

图3是对比例1中未掺杂mxene钠离子电池负极循环性能图；

图4是实施例2中碲掺杂mxene钠离子电池负极循环性能图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，现结合以下具体实施例做进一步说明，但是本发明不限于具体实施例。

实施例1

一种碲掺杂mxene材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将50mgmxene材料(ti3c2tx)和50mg碲粉分别加入两个石英方舟中，并将两个石英方舟放置在管式炉中间位置，其中盛放碲粉的方舟位于进气侧，盛放mxene的方舟位于出气侧，两方舟间隔1cm；

(2)在气体流速为70ml/min的惰性气体保护下，以5℃/min的升温速率加热至300℃，保温3小时后随炉冷至室温；

(3)收集位于出气侧的方舟中的固体，即得到碲掺杂mxene材料。

(4)将(3)所得的碲掺杂mxene与碳黑、粘结剂按8:1:1的比例(质量比)混合，均匀涂覆在集流体上，经真空干燥、切片后，用于钠离子电池负极。

本实施例掺杂后的mxene比表面积为141.3m²/g，层间距为0.71nm，碲原子含量为0.7％，远大于未掺杂mxene的比表面积(33.7m²/g)、层间距(0.64nm)，掺杂的mxene钠离子电池负极的在100ma/g的电流密度下，循环100圈后的可逆容量为198.1mah/g，是未掺杂mxene钠离子电池负极(107.2mah/g)的1.85倍。

实施例2

一种碲掺杂mxene材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取50mg的mxene材料(ti3c2tx)和150mg碲粉分别加入两个石英方舟中，并将两个石英方舟放置在管式炉中间位置，其中盛放碲粉的方舟位于进气侧，盛放mxene的方舟位于出气侧，两方舟间隔3cm；

(2)在气体流速为180ml/min的惰性气体保护下，以5℃/min的升温速率加热至400℃，保温4小时后随炉冷至室温；

(3)收集位于出气侧的方舟中的固体，即得到碲掺杂mxene材料。

(4)将(3)所得的碲掺杂mxene与碳黑、粘结剂按8:1:1的比例(质量比)混合，均匀涂覆在集流体上，经真空干燥、切片后，用于钠离子电池负极。

本实施例掺杂后的mxene比表面积为327.8m²/g，层间距为0.79nm，碲原子含量为3.1％，远大于未掺杂mxene的比表面积(33.7m²/g)、层间距(0.64nm)，图4所示掺杂的mxene钠离子电池负极在100ma/g的电流密度下，循环100圈后的可逆容量为332.5mah/g，是图3所示未掺杂mxene钠离子电池负极(107.2mah/g)的3.1倍。

实施例3

一种碲掺杂mxene材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取50mg的mxene材料(ti2ctx)和250mg碲粉分别加入两个石英方舟中，并将两个石英方舟放置在管式炉中间位置，其中盛放碲粉的方舟位于进气侧，盛放mxene的方舟位于出气侧，两方舟间隔5cm；

(2)在气体流速为300ml/min的惰性气体保护下，以5℃/min的升温速率加热至500℃，保温5小时后随炉冷至室温；

(3)收集位于出气侧的方舟中的固体，即得到碲掺杂mxene材料。将(3)所得的碲掺杂mxene与碳黑、粘结剂按8:1:1的比例(质量比)混合，均匀涂覆在集流体上，经真空干燥、切片后，用于钠离子电池负极。

本实施例掺杂后的mxene比表面积为289.1m²/g，层间距为0.78nm，碲原子含量为9.6％，远大于未掺杂mxene的比表面积(33.7m²/g)、层间距(0.64nm)，掺杂的mxene钠离子电池负极在100ma/g的电流密度下，循环100圈后的可逆容量为289.4mah/g，是未掺杂mxene钠离子电池负极(107.2mah/g)的2.7倍。

实施例4

一种碲掺杂mxene材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取50mg的mxene材料(40mgti3c2tx和10mgv3c2tx)和150mg碲粉分别加入两个石英方舟中，并将两个石英方舟放置在管式炉中间位置，其中盛放碲粉的方舟位于进气侧，盛放mxene的方舟位于出气侧，两方舟间隔2cm；

(2)在气体流速为230ml/min的惰性气体保护下，以4℃/min的升温速率加热至380℃，保温4小时后随炉冷至室温；

(3)收集位于出气侧的方舟中的固体，即得到碲掺杂mxene材料。

(4)将(3)所得的碲掺杂mxene与碳黑、粘结剂按8:1:1的比例(质量比)混合，均匀涂覆在集流体上，经真空干燥、切片后，用于钠离子电池负极。

本实施例掺杂的mxene钠离子电池负极在100ma/g的电流密度下，循环100圈后的可逆容量为370.1mah/g，是未掺杂mxene钠离子电池负极(107.2mah/g)的3.5倍。

实施例5

一种碲掺杂mxene材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取50mg的mxene材料(v3c2tx)和100mg碲粉分别加入两个石英方舟中，并将两个石英方舟放置在管式炉中间位置，其中盛放碲粉的方舟位于进气侧，盛放mxene的方舟位于出气侧，两方舟间隔3cm；

(2)在气体流速为260ml/min的惰性气体保护下，以6℃/min的升温速率加热至420℃，保温3小时后随炉冷至室温；

(3)收集位于出气侧的方舟中的固体，即得到碲掺杂mxene材料。

(4)将(3)所得的碲掺杂mxene与碳黑、粘结剂按8:1:1的比例(质量比)混合，均匀涂覆在集流体上，经真空干燥、切片后，用于钠离子电池负极。

本实施例掺杂的mxene钠离子电池负极在100ma/g的电流密度下，循环100圈后的可逆容量为353.1mah/g，是未掺杂mxene钠离子电池负极(107.2mah/g)的3.3倍。

对比例1：未掺杂mxene钠离子电池负极，使用未掺杂mxene制备钠离子电池负极的过程同实施例2。

表1：性能测试

以上所述仅为本发明的具体实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明作的等效变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之中。