一种MXene泡沫复合聚合物固态电解质及其制备方法与应用

本发明涉及电化学，尤其是涉及一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质的制备与应用。

背景技术：

1、随着现代社会对便携式电子产品需求的不断增加，电池技术的发展变得越来越重要。锂离子电池因其高能量密度、长寿命和良好的循环性能而成为了最受欢迎的电池之一。然而，锂离子电池中的液态电解质在高温下可能引起热失控，而且容易泄漏，这些问题对电池的性能和安全性产生了重大影响。因此，研究和开发新型固态电解质，以取代液态电解质，已成为锂离子电池领域的一个重要研究方向。

2、固态电解质是一种重要的电池材料，用于替代传统液态电解质以提高电池的安全性和稳定性。然而，传统的固态电解质存在离子传输速度慢和界面接触不良等问题，限制了电池性能的提升。mxene材料是一类新型二维材料，具有优异的导电性、化学稳定性和大量的表面官能团。它由过渡金属碳化物或氮化物通过化学剥离方法制备而成，具有丰富的官能团可用于改善材料的性能。然而mxene掺杂的固态电解质的高温稳定性和循环稳定性能仍待优化。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质及其制备方法与应用，以改善mxene掺杂的聚合物固态电解质的高温稳定性和循环稳定性等电化学性能。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质，包括聚合物基质，锂盐，mxene材料和纳米海绵泡沫；所述聚合物基质，锂盐和mxene分散于纳米海绵泡沫中。

4、进一步地，所述的聚合物基质为聚氧化乙烯，分子量为600000～1000000g/mol。

5、进一步地，所述的锂盐包括高氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、六氟磷酸锂双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂或双二氟磺酰亚胺锂中的一种或多种。

6、进一步地，所述的mxene材料包括ti3c2、v2c、ti2c、nb4c3、nb2c、ti3(c,n)2、(ti,nb)4c3、(ti,zr)4c3、(nb,zr)4c3、mo2c、(ti,v)2c、(ti,nb)2c、(ti,v)3c2、(cr,v)3c2、(cr2ti)c2、(mo2ti)c2、(mo2ti2)c3和ti4n3中的一种或多种。

7、本发明还提供一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)将聚合物基质与锂盐充分溶解于溶剂中，混合搅拌均匀，制得聚合物电解质前驱体；

9、(2)将mxene材料溶解后和纳米海绵泡沫混合均匀，干燥得到基底复合材料；

10、(3)将步骤(1)中制得的聚合物电解质前驱体浇筑在基底复合材料中，固化后物理压制成薄膜，得到mxene泡沫复合聚合物固态电解质。

11、进一步地，步骤(1)中锂盐与聚合物基质的质量比为(1-1.5):10，搅拌时间为12-24h，搅拌温度为60-100℃。

12、进一步地，步骤(2)中mxene材料的浓度为8-12mg/ml，纳米海绵泡沫的厚度为2-5mm，混合搅拌时间为1-2h。

13、进一步地，步骤(3)中浇筑时间为2-4h，固化温度为40-60℃，固化时间为8-20h，优选12-18h。更进一步地，浇筑环境需要洁净，无污染。

14、进一步地，步骤(3)中压制温度为60-100℃，压制强度为10-50mpa。

15、本发明以纳米海泡沫为框架，最终制得的mxene泡沫复合聚合物固态电解质整体呈现均匀分散且平整饱满。

16、本发明还提供一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质在锂电池中的应用。

17、本发明使用的纳米海绵泡沫是一种多孔、开放式的聚合物材料，纳米海绵泡具有高的孔隙度和表面积，有利于电解质的浸透和离子传输，从而提高电解质的离子导电性能。同时，纳米海绵泡沫还具有良好的机械强度和稳定性，能够保持固态电解质的结构完整性和稳定性，从而提高电池的使用寿命和安全性。此外，纳米海绵泡的孔隙结构和尺寸可以通过控制制备条件来实现调控，从而满足不同电解质的需求。纳米海绵泡还可以通过降解来实现对电池废弃物的环境友好处理，有利于实现电池的可持续发展。

18、本发明通过将聚合物基质浇筑进mxene泡沫中得到复合聚合物固态电解质材料，能够改善原本不足的循环稳定性，以及增加其离子导电率使其拥有更好的电化学性能。纳米海绵泡沫作为框架结构提供了较大的界面面积和离子传输通道，能够提高固态电解质的离子传导性能，并改善电池的循环稳定性和能量密度。本发明中将纳米海绵泡沫与mxene混合后，直接避免了mxene的堆叠，可以进一步提高电解质的各方面性能，更加适用于固态电解质体系。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、1、本发明将聚合物基质直接浇筑进mxene泡沫并通过常规的固化、热压制备，工艺路线简单，操作方便，最终得到的的mxene泡沫复合聚合物固态电解质分散均匀且饱满。

21、2、本发明以常用的聚合物基质，mxene材料和纳米海绵泡沫作为原料，原料可设计性强，选择范围广。

22、3、本发明采用的纳米海绵泡沫是一种新型的多孔聚合材料，其具有良好的孔隙结构和高比表面积；mxene材料具有优异的导电性和化学稳定性；聚氧化乙烯(peo)也是一种锂离子电池中常用的固态电解质材料。本发明将这三种材料结合起来，制得的mxene泡沫复合聚合物固态电解质具有较高的离子传导率和较好的耐高温性能，能够显著改善其电化学性能，有效提高锂离子电池的安全性和循环寿命。

23、4、本发明制备的泡沫复合聚合物固态电解质，能够克服传统固态电解质的缺点，提高电池的性能和安全性，为高性能储能器件的发展提供新的可能性，在锂离子电池、超级电容器、电化学储能器件和光(电)催化剂电极等众多领域具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质，其特征在于，包括聚合物基质，锂盐，mxene材料和纳米海绵泡沫；所述聚合物基质，锂盐和mxene分散于纳米海绵泡沫中。

2.根据权利要求1所述的一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质，其特征在于，所述的聚合物基质为聚氧化乙烯，分子量为600000～1000000g/mol。

3.根据权利要求1所述的一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质，其特征在于，所述的锂盐包括高氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、六氟磷酸锂双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂或双二氟磺酰亚胺锂中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质，其特征在于，所述的mxene材料包括ti3c2、v2c、ti2c、nb4c3、nb2c、ti3(c,n)2、(ti,nb)4c3、(ti,zr)4c3、(nb,zr)4c3、mo2c、(ti,v)2c、(ti,nb)2c、(ti,v)3c2、(cr,v)3c2、(cr2ti)c2、(mo2ti)c2、(mo2ti2)c3和ti4n3中的一种或多种。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的mxene泡沫复合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中锂盐与聚合物基质的质量比为(1-1.5):10，搅拌时间为12-24h，搅拌温度为60-100℃。

7.根据权利要求5所述的一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的mxene材料的浓度为8-12mg/ml，纳米海绵泡沫的厚度为2-5mm，混合搅拌时间为1-2h。

8.根据权利要求5所述的一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(3)中浇筑持续时间为2-4h，固化温度为40-60℃，固化时间为8-20h。

9.根据权利要求5所述的一种mxene泡沫复合聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(3)中压制温度为60-100℃，压制强度为10-50mpa。

10.一种如权利要求1-4任一项所述的mxene泡沫复合聚合物固态电解质作为锂电池固态电解质的应用。

技术总结
本发明涉及一种MXene泡沫复合聚合物固态电解质及其制备方法与应用，制备方法主要包括：(1)将聚合物基质与锂盐充分溶解，混合搅拌均匀，制得聚合物电解质前驱体；(2)将MXene材料和纳米海绵泡沫混合均匀，干燥得到基底复合材料；(3)将聚合物电解质前驱体浇筑在基底复合材料中，固化后物理压制成薄膜即得。与现有技术相比，本发明利用纳米海绵泡沫优异的吸水性和气孔结构以促进聚合物电解质前驱体的分散和固化。MXene与纳米海绵泡沫的复合直接避免了MXene的堆叠并可进一步提高聚合物固态电解质的离子传导性能，耐高温性能和稳定性。本发明制备的MXene泡沫复合聚合物固态电解质可以广泛应用于锂离子电池、超级电容器、电化学储能器件等领域。

技术研发人员：杨金虎,马健,周辰,田泽怡,陆航,马瑾,刘婷婷,董田,廖柯璇,陈卢,孟朔
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16