本發(fā)明屬于鈉離子電池的，尤其涉及一種mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、世界人口的迅速增長和全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，導(dǎo)致化石燃料的生產(chǎn)面臨著資源枯竭和環(huán)境污染等嚴(yán)峻問題。太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、海洋能和核聚變能等可再生能源的出現(xiàn)逐漸改變了全球能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)。然而，間歇性的可再生能源只能在合適的條件下才能發(fā)電，只有將來自可再生能源的電力儲(chǔ)存起來才能持續(xù)供應(yīng)電力需求。

2、鋰離子電池作為便攜式電子設(shè)備、混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的主要電源之一，已經(jīng)取得了巨大的成功。然而由于鋰資源有限、價(jià)格昂貴的原因使得鋰電池?zé)o法滿足不斷增長的工業(yè)需求。由于鈉資源豐富價(jià)格低廉，且與鋰相似的物化性質(zhì)、電池部件等原因，使得人們?cè)俅螌⒛抗饩奂解c離子電池上。而鈉離子相對(duì)鋰離子較大的半徑，導(dǎo)致鈉在電池正負(fù)極中嵌入/脫出阻力大，可逆性差，不可逆容量損失大。因此，研發(fā)新型電極材料以提高其電化學(xué)性能刻不容緩。

3、對(duì)負(fù)極材料進(jìn)行深入研究可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)電極反應(yīng)機(jī)理的不同負(fù)極材料可以分為：嵌入型、合金型、以及轉(zhuǎn)化型。嵌入性材料已碳基材料為主，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定但可逆容量較低；合金型材料以四五主族元素為主，具有很高的理論容量，但其巨大的體積膨脹限制了它的發(fā)展。轉(zhuǎn)化型材料以金屬氧化物和金屬硫族化合物為主，由于其較高的理論比容量和豐富的氧化還原位點(diǎn)，比嵌入型材料具有更高的容量，同時(shí)比合金型材料具有更穩(wěn)定的循環(huán)性能，因此轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料在鈉離子電池中得到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)化型材料的儲(chǔ)鈉機(jī)理為：金屬氧化物、硫族化合物與鈉發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生一系列反應(yīng)，最終生成金屬單質(zhì)和na2x(x-硫族元素)。在轉(zhuǎn)化型材料中，過渡金屬硫化物比氧化物有著更高的導(dǎo)電性以及更低的帶隙，且相對(duì)m-o較弱的m-s鍵能夠提供較快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有利于鈉儲(chǔ)存。但是金屬硫化物也存在影響電池循環(huán)壽命的關(guān)鍵問題，比如較低的電導(dǎo)率、較大的體積膨脹以及多硫化物的穿梭效應(yīng)等。

4、為解決上述問題，研究人員采用材料納米化、金屬離子的摻雜、多種金屬硫化物復(fù)合以及表面包覆等手段對(duì)負(fù)極材料進(jìn)行改性。公開號(hào)為cn111628155a的中國專利公開了一種鋰離子/鈉離子電池的負(fù)極材料鉬錫雙金屬硫化物及其制備方法，包括使用草酸錫微米棒為前軀體，通過簡(jiǎn)單的熱處理制備含有多孔結(jié)構(gòu)的二氧化錫微米棒；加入一定量的鉬酸銨、鹽酸多巴胺、乙醇和氨水溶液，攪拌反應(yīng)得到復(fù)合前軀體，再將復(fù)合前軀體在惰性氣氛下進(jìn)行硫化處理，得到棒狀結(jié)構(gòu)sns/mos2@c復(fù)合材料。該專利的所制備復(fù)合材料應(yīng)用于電極中時(shí)穩(wěn)定性雖然得到了一定的增強(qiáng)，但電導(dǎo)率和倍率能力仍需進(jìn)一步提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)金屬硫化物負(fù)極材料的電導(dǎo)率和倍率性能差的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，所制備mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料能夠有效提高材料的電導(dǎo)率和倍率能力，進(jìn)而提高鈉離子電池的綜合性能。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)將鐵源、鉬源和碳源溶解在溶劑中配制混合液，隨后進(jìn)行水熱反應(yīng)，制得雙金屬氧化物納米球；

5、(2)將雙金屬氧化物納米球進(jìn)行高溫硫化處理，制得鐵鉬雙金屬硫化物@碳；

6、(3)將mxene和鐵鉬雙金屬硫化物@碳通過球磨混合，制得mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料。

7、所述鐵源為氯化鐵或/和硝酸鐵；所述鉬源為鉬酸鈉、鉬酸銨或七鉬酸銨中的一種或兩種以上。

8、所述碳源為聚乙烯吡咯烷酮或聚多巴胺，混合液中碳源的濃度為0.01-0.5g/ml，所述溶劑為水。

9、所述鐵源和鉬源的摩爾比為(1-3)：(1-3)，混合液中鉬源的濃度為0.01-0.1mmol/ml。

10、所述水熱反應(yīng)的條件為：溫度160-240℃，時(shí)間為12-24h。

11、所述高溫硫化處理所用的硫源為升華硫、硫脲或硫代乙酰胺中的一種或兩種以上；雙金屬氧化物納米球與硫源的質(zhì)量比(0.01-1)：(0.01-1)。

12、所述高溫硫化處理的溫度為200-700℃，時(shí)間為2-6h。

13、所述mxene和鐵鉬雙金屬硫化物@碳的質(zhì)量比為1：(1-2)。

14、一種mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料作為鈉離子電池負(fù)極材料，制備方法為：mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合，然后溶解并混合均勻得到漿料，在集流體表面均勻涂覆漿料，得到鈉離子電池負(fù)極極片。

15、本發(fā)明的有益效果：

16、1、本發(fā)明所使用的合成方法流程短，工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)物形貌均一。制備得到的mxene-鐵鉬雙金屬硫化物復(fù)合材料是一種鈉離子電池負(fù)極材料，所制備的mxene-鐵鉬雙金屬硫化物復(fù)合材料形貌均勻可控。

17、2、本發(fā)明通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，mxene-鐵鉬雙金屬硫化物復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)高效電子傳輸并提供更多的活性位點(diǎn)，有利于電池電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。第二，由于mxene-雙金屬硫化物的異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)材料的機(jī)械穩(wěn)定性，有效減小其充放電過程中的體積膨脹并縮短正負(fù)電極間的粒子擴(kuò)散路徑，提高電極的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。第三，能夠有效提高材料的電導(dǎo)率和倍率能力，進(jìn)而提高鈉離子電池的綜合性能。

技術(shù)特征：

1.一種mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述鐵源為氯化鐵或/和硝酸鐵；所述鉬源為鉬酸鈉、鉬酸銨或七鉬酸銨中的一種或兩種以上。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述碳源為聚乙烯吡咯烷酮或聚多巴胺，混合液中碳源的濃度為0.01-0.5g/ml，所述溶劑為水。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述鐵源和鉬源的摩爾比為(1-3)：(1-3)，混合液中鉬源的濃度為0.01-0.1mmol/ml。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述水熱反應(yīng)的條件為：溫度160-240℃，時(shí)間為12-24h。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述高溫硫化處理所用的硫源為升華硫、硫脲或硫代乙酰胺中的一種或兩種以上；雙金屬氧化物納米球與硫源的質(zhì)量比(0.01-1)：(0.01-1)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述高溫硫化處理的溫度為200-700℃，時(shí)間為2-6h。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述mxene和鐵鉬雙金屬硫化物@碳的質(zhì)量比為1:(1-2)。

9.權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述方法制備的mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料。

10.權(quán)利要求9所述mxene-鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料作為鈉離子電池負(fù)極材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種Mxene?鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于鈉離子電池的技術(shù)領(lǐng)域，用以解決金屬硫化物負(fù)極材料的電導(dǎo)率和倍率性能差的技術(shù)問題。本發(fā)明Mxene?鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：將鐵源、鉬源和碳源溶解在溶劑中配制混合液；隨后進(jìn)行水熱反應(yīng)，制得雙金屬氧化物納米球；將雙金屬氧化物納米球進(jìn)行高溫硫化處理，制得鐵鉬雙金屬硫化物@碳；將Mxene和鐵鉬雙金屬硫化物@碳通過球磨混合，制得Mxene?鐵鉬雙金屬硫化物@碳復(fù)合材料。本發(fā)明復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)高效電子傳輸并提供更多的活性位點(diǎn)，有利于電池電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；可以增強(qiáng)材料的機(jī)械穩(wěn)定性，有效減小其充放電過程中的體積膨脹并縮短正負(fù)電極間的粒子擴(kuò)散路徑，提高電極的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；能夠有效提高材料的電導(dǎo)率和倍率能力，進(jìn)而提高鈉離子電池的綜合性能。

技術(shù)研發(fā)人員：霍鋒,劉楠,李麗媛,郭晨陽,李會(huì)林,胡晨星
受保護(hù)的技術(shù)使用者：龍子湖新能源實(shí)驗(yàn)室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6