CN107302079A - 一种电化学方法制备碳化钛‑硫纳米复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备二维碳化钛纳米片‑硫纳米粒子复合材料的电化学方法，通过以石墨或者金属铂惰性材料为正极，以含有S2‑或者S2O3 2‑的水溶液为电解质，同时将碳化钛纳米片加入到电解质中，在搅拌的情况下，通过在正极上发生的电化学反应能够直接将S2‑或者S2O3 2‑氧化成硫纳米粒子，并且同时与碳化钛纳米片复合，形成碳化钛纳米片‑硫纳米粒子复合材料。该碳化钛纳米片‑硫纳米粒子复合材料可以作为正极材料用于锂‑硫电池，显示了优异的倍率性能和良好的充放电循环性能。

Description

一种电化学方法制备碳化钛-硫纳米复合材料
技术领域
本发明涉及锂-硫储能电池领域，具体说是一种碳化钛纳米片-硫纳米粒子复合电极材料及其制备方法。
背景技术
二维结构的碳化钛纳米材料是一种新型的类石墨烯二维纳米材料，具有厚度薄、电导率高等优点，可以应用于锂离子电池、锂-硫电池、超级电容器、燃料电池等领域。
锂-硫电池由于其较高的容量和较低的成本引起了人们的普遍关注，但由于其充放电循环性能较差，限制了其产业化应用，解决电极材料充放电循环性能差的问题必将促进其产业化应用。碳化钛纳米片与单质硫粒子之间可以形成较强的化学键，两者复合形成的碳化钛-硫复合材料作为锂-硫电池的负极材料展示了优异的充放电循环性能、较高的比容量和良好的倍率性能。开发具有比容量高、倍率性能良好以及充放电循环性能优异的碳化钛纳米片-硫纳米粒子的正极材料具有非常重要的意义，能够为锂-硫电池的产业化应用提供必要的技术支持。
发明内容
为了提高锂-硫电池的充放电循环性能和比容量，本发明的目的在于提供一种具有良好充放电循环性能和较高比容量的碳化钛二维纳米片-硫纳米粒子复合电极材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
首先，以Ti3SiC2、Ti3AlC2或者Ti2AlC陶瓷材料为原料，通过HF酸化学刻蚀以及超声处理的方法制备出Ti3C2或者Ti2C二维纳米片，将碳化钛纳米片分散于含有S2-或者S2O3 2-离子的电解液之中，其中碳化钛纳米片的浓度为0.01-10克/升，S2-或者S2O3 2-离子的浓度均在0.01-10 molL-1之间，电解质的温度在0-80oC之间；以石墨或者铂惰性材料为正、负极材料，在搅拌的条件下通过控制电极间的电压，电压控制在0.3-30.0V之间，可以制备出碳化钛纳米片-硫纳米粒子复合电极材料，通过控制电压的方法可以制备出“三明治”结构的硫纳米粒子-碳化钛纳米片-硫纳米粒子复合电极材料。
本发明的优良效果在于：
通过采用电化学的方法可以将硫纳米粒子沉积在碳化钛纳米片上，制备出碳化钛纳米片-硫纳米粒子复合材料。
1.本发明无需高温、高压等苛刻的实验条件，可以简单、快速的制备出碳化钛纳米片-硫纳米粒子复合材料。
2.采用本发明制备的碳化钛纳米片-硫纳米粒子复合材料作为正极应用于锂-硫电池中，具有充放电循环性能好、比容量高以及倍率性能好的有点。
具体实施方式
实施例 1
通过HF化学刻蚀Ti3SiC2以及超声处理制备出Ti3C2二维纳米片，将所制备的Ti3C2二维纳米片分散于含有硫化钠的电解质溶液之中，其中硫化钠的浓度为1mol L-1，Ti3C2二维纳米片的浓度为约在3 g/L，以石墨棒为电解池中的正负极，在充分搅拌的情况下，控制正负极间的电压为2V，在室温条件下进行电解，2小时后停止电解，通过真空抽滤及水洗，可以制备出碳化钛纳米片-硫纳米粒子复合材料。以该复合材料作为正极，以金属锂为负极，以体积比为1:1的乙二醇二甲醚与1,3-二氧戊环的溶液为电解质溶剂，其中该溶剂中含有浓度为1mol L-1双三氟甲烷磺酰亚胺锂，以及质量浓度为2% 的LiNO3，控制电压在1.8-3.0V，以2小时充放电电流速率(1/2C)进行恒流充放电，经过400次充放电循环之后，该电极的比容量仍保持为原来的80%，经过600次充放电循环之后，该电极的比容量任然可以达到700 mAhg-1；以1/4小时充放电电流速率(4C)进行恒流充放电，该电极的比容量高达620 mAh g-1。
实施例 2
通过HF化学刻蚀Ti3AlC2以及超声处理制备出Ti3C2二维纳米片，将所制备的Ti3C2二维纳米片分散于含有Na2S2O3的电解质溶液之中，其中Na2S2O3的浓度为3 mol L-1，Ti3C2二维纳米片的浓度为约在2 g/L，以铂丝为电解池中的正负极，在充分搅拌的情况下，控制正负极间的电压为5V，在室温条件下进行电解，3小时后停止电解，通过真空抽滤及水洗，可以制备出碳化钛纳米片-硫纳米粒子复合材料。以该复合材料作为正极，以金属锂为负极，以体积比为1:1的乙二醇二甲醚与1,3-二氧戊环的溶液为电解质溶剂，其中该溶剂中含有浓度为1mol L-1双三氟甲烷磺酰亚胺锂，以及质量浓度为2% 的LiNO3，控制电压在1.8-3.0V，以2小时充放电电流速率(1/2C)进行恒流充放电，经过400次充放电循环之后，该电极的比容量仍保持为原来的70%，该电极的比容量任然可以达到680 mAhg-1；以1/4小时充放电电流速率(4C)进行恒流充放电，该电极的比容量高达600 mAh g-1。
实施例 3
通过HF化学刻蚀Ti2AlC以及超声处理制备出Ti2C二维纳米片，将所制备的Ti2C二维纳米片分散于含有Na2S2O3的电解质溶液之中，其中Na2S2O3的浓度为5 mol L-1，Ti3C2二维纳米片的浓度为约在5 g/L，以铂丝为电解池中的正负极，在充分搅拌的情况下，控制正负极间的电压为5V，在室温条件下进行电解，1小时后停止电解，通过真空抽滤及水洗，可以制备出碳化钛纳米片-硫纳米粒子复合材料。以该复合材料作为正极，以金属锂为负极，以体积比为1:1的乙二醇二甲醚与1,3-二氧戊环的溶液为电解质溶剂，其中该溶剂中含有浓度为1mol L-1双三氟甲烷磺酰亚胺锂，以及质量浓度为2% 的LiNO3，控制电压在1.8-3.0V，以2小时充放电电流速率(1/2C)进行恒流充放电，经过400次充放电循环之后，该电极的比容量仍保持为原来的75%，该电极的比容量任然可以达到710 mAhg-1；以1/4小时充放电电流速率(4C)进行恒流充放电，该电极的比容量高达580 mAh g-1。

Claims (8)

1.一种电化学方法制备碳化钛-硫纳米复合材料，其特征在于：该复合材料通过电化学的方法制备。
2.按照权利要求1所述的一种电化学方法制备碳化钛-硫纳米复合材料，其特征在于：电极材料均为石墨或者金属铂。
3.按照权利要求1或2所述的一种电化学方法制备碳化钛-硫纳米复合材料，其特征在于：以含S2-或者S2O3 2-离子的水溶液为电解质，其中S2-或者S2O3 2-离子的浓度在0.01-10molL-1之间。
4.按照权利要求1所述的一种电化学方法制备碳化钛-硫纳米复合材料，其特征在于：碳化钛纳米片通过搅拌分散于电解质溶液之中，其浓度在0.01-10克/升之间。
5.按照权利要求1所述的一种电化学方法制备碳化钛-硫纳米复合材料，其特征在于：电解质温度为0-80oC之间。
6. 按照权利要求1所述的一种电化学方法制备碳化钛-硫纳米复合材料，其特征在于：正负极之间的电压在0.3-30 V之间。
7.按照权利要求1所述的一种电化学方法制备碳化钛-硫纳米复合材料，其特征在于：硫纳米粒子生长在碳化钛纳米片两个面上，具有硫纳米粒子-碳化钛纳米片-硫纳米粒子的“三明治”结构。
8. 按照权利要求1或6所述的一种电化学方法制备碳化钛-硫纳米复合材料, 其特征在于：碳化钛纳米片的化学组成为Ti3C2或Ti2C，其厚度在1纳米-30纳米之间。
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