一种三维多孔结构的硅碳/MXene/rGO复合负极材料

本发明属于电化学与新能源，具体涉及一种三维多孔结构的硅碳/mxene/rgo复合负极材料的制备及其在锂离子电池中的应用。

背景技术：

1、锂离子电池作为当前最具竞争力的电化学储能装置，已广泛应用于便携式电子设备、电动汽车及大规模储能领域。随着市场对能量密度需求的持续提升，开发高比容量负极材料以突破现有体系瓶颈变得尤为迫切。

2、硅负极因其极高的理论比容量（4200 mah g-1）、较低的嵌锂电位（~0.4 v vs. li/li+）以及丰富的地壳储量，被认为是理想的候选材料。然而，硅负极在充放电过程中伴随高达>300%的体积膨胀，导致以下致命缺陷：不稳定的固体电解质界面（sei）层；活性颗粒粉化、破裂，失去电接触；导电网络崩塌，极化增大，容量快速衰减；固有的低电导率（10-5~ 10-3s cm-1）和低锂离子扩散系数（10-14~ 10-13cm s-1）导致其倍率性能差。

3、mxene（化学通式为mn+1xntx，其中m为ti、v、mo等过渡金属，x为c或n，tx代表-oh、-f、-o等表面官能团）具备金属级电导率（≈105s cm-1）、高杨氏模量（≈330 gpa）、丰富的表面官能团及良好的亲水性。还原氧化石墨烯（rgo）片层具备大比表面积与高柔韧性，能与mxene协同构建连续、柔韧且导电的一体化三维框架。该框架不仅为活性物质的负载提供了充足空间，其贯通的多孔结构也有利于电解液的快速渗透与离子传输。同时，本工作通过原位酚醛树脂聚合与碳化工艺，在硅颗粒表面构筑了均匀的无定形碳壳层。该碳层可作为内部缓冲层，有效约束了硅在嵌锂/脱锂过程中的剧烈体积形变；其优异的电导率可以改善导电性和倍率性能；该碳层还可以显著减少硅与电解液的直接接触，减少副反应的发生，增强了界面稳定性。

4、因此，将具有高容量的硅碳颗粒、高导电的mxene与具有结构支撑作用的rgo进行多尺度、强界面耦合，从而实现其在长周期循环过程中对体积应力的自适应调节与导电网络的持久维持，仍是当前高能量密度锂离子电池负极材料设计的前沿研究方向。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种三维多孔结构的硅碳/mxene/rgo复合负极材料，通过将硅碳颗粒与二维材料mxene/rgo组装成三维多孔网络，形成内部碳层机械缓冲与外部三维导电骨架应力分散的双重保护结构，解决硅体积膨胀导致的导电网络断裂、界面剥离及容量衰减问题，达到提升负极循环稳定性与动力学性能的目的。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种三维多孔结构的硅碳/mxene/rgo复合负极材料的制备及其在锂离子电池中的应用，包括以下步骤：

4、（1）制备mxene分散液：采用lif/hcl混合溶液原位刻蚀ti3alc2max相，经水洗、超声剥离及离心后得到单层或少层ti3alc2mxene水性分散液；

5、（2）硅基材料预处理：将硅纳米颗粒与硅烷偶联剂在去离子水中进行表面改性处理，获得表面带正电的氨基化硅颗粒；

6、（3）原位聚合包覆与碳化：向所述氨基化硅颗粒分散体系中加入酚醛树脂前驱体进行原位聚合反应，在惰性气氛下碳化，得到硅碳复合材料；

7、（4）三维多孔结构组装：将步骤（3）所得硅碳复合材料、步骤（1）所得mxene分散液及go分散液按比例在惰性气体保护下搅拌分散，用草酸进行化学还原，采用低温水热和冷冻干燥法获得三维多孔结构材料。

8、优选的，所述步骤（1）所述mxene选自ti3c2tx，所述温度为30-40 ℃，时间为20-30h。

9、优选的，所述步骤（2）所述硅烷偶联剂为aptes；所述温度为室温，时间为12-36 h。

10、优选的，所述步骤（3）所述酚醛树脂前驱体包括间苯二酚和甲醛，其摩尔比为1:1.53.0；并加入氨水调节ph值；所述温度为40-60 ℃，时间为20-30 h。

11、优选的，所述碳化过程在氩气气氛下进行，温度为650-850 ℃，时间为2-5 h。

12、优选的，步骤（4）中所述硅碳颗粒、mxene固体质量与go固体质量比为(610):(0.52):(14)；所述草酸添加量为硅碳颗粒质量的1030%。

13、本发明还提供了上述技术方案所述一种三维多孔结构的硅碳/mxene/rgo复合负极材料在锂离子电池中的应用。

14、本发明的目的在于提供一种三维多孔结构的硅碳/mxene/rgo复合负极材料，通过将硅碳颗粒与二维材料mxene/rgo组装成三维多孔网络，形成内部碳层机械缓冲与外部三维导电骨架应力分散的双重保护结构，解决硅体积膨胀导致的导电网络断裂、界面剥离及容量衰减问题，达到提升负极循环稳定性与动力学性能的目的。

15、本发明采用原位聚合法与化学还原法相结合的创新工艺，实现了对硅纳米颗粒的多尺度精准包覆。其中，首先在氨基化硅颗粒表面上原位聚合酚醛树脂后碳化，再与二维材料mxene/rgo组装成三维多孔网络，形成内部碳层机械缓冲与外部三维导电骨架应力分散的双重保护结构。该结构不仅通过碳层有效缓解硅的体积膨胀，更借助mxene/rgo的三维连续导电通路和强韧多孔骨架及促进了界面电子转移，显著提高了电极结构稳定性与离子/电子传输效率，协同增强了电极的力学稳定性和电荷传输动力学。

1.一种基于三维多孔结构的硅碳/mxene/rgo复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（1）所述mxene为二维过渡金属碳化物，选自ti3c2tx，片层厚度为0.5-1.5 nm，横向尺寸为0.5-5 μm，电导率为104-105 s cm-1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（2）所述硅烷偶联剂为aptes；所述温度为室温，时间为12-36 h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（3）所述间苯二酚与甲醛的摩尔比为1:(1.8-2.5)；所述温度为48-55 ℃，时间为22-26 h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（4）所述硅碳复合颗粒、mxene固体质量及go固体质量的比例为(7.5-8.5):(0.8-1.2):(1.5-2.5)；所述草酸质量为硅碳复合颗粒质量的18%-25%。

6.根据权利要求1所述的硅碳复合负极材料，其特征在于所述碳化在氩气气氛下进行，温度为650-850 ℃，时间为2-5 h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（4）所述加入草酸后反应温度为65-75 ℃，时间为10-15 h。

8.一种锂离子电池应用，其特征在于，以权利要求1所述的硅碳/mxene/rgo复合负极材料应用于锂离子电池负极材料。