CN110010862B - 一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2及其制备方法 - Google Patents

一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种镁二次电池正极材料MXene‑Ti3C2/TiS2及其制备方法，是以二维材料MXene‑Ti3C2为基底，层状结构的TiS2负载在MXene‑Ti3C2片层之中。与现有的技术相比，本发明的有益效果是：本发明一种镁二次电池正极材料MXene‑Ti3C2/TiS2及其制备方法，将TiS2负载在MXene‑Ti3C2片层中，为镁离子的嵌入和脱出建立了可支撑通道。与现有的镁二次电池正极材料相比，充放电容量高出15％‑25％，循环性能也得到很大的提高，库仑效率接近100％。

Description

一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁电池的正极材料，尤其涉及一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2及其制备方法。
背景技术
镁二次电池是近年发展起来的一种新型可充电池，具有能量密度高、资源丰富、成本低、环境友好、安全性高等优点。与锂电池相比有极大的优势，在未来极有可能取代锂电池成为应用广泛的能源。目前，关于镁二次电池的研究还处于起步阶段，主要集中在正极材料和电解液的研究。镁二次电池中，二价镁离子电荷密度高、极化作用强，在材料中扩散速率较慢，适合其嵌入的正极材料较少，严重阻碍了镁二次电池的发展和应用。关于镁二次电池正极材料的报道不断增加，对正极材料的探究和改进一直是镁二次电池的研究热点。
目前镁电池正极材料主要集中在具有层状结构的过渡金属氧化物、硫化物、和硒化物以及橄榄石状结构的聚阴离子型化合物，还有其他一些尖晶石结构和块状堆积结构的化合物。尽管人们对各种材料进行了大量的镁离子嵌入尝试，但是储镁性能均不太理想，都存在着充放电容量低、容量衰减严重的问题。
综上所述，镁电池正极材料的选择非常有限，严重阻碍了镁二次电池的进一步发展，亟待开发新的镁电池正极材料。
发明内容
本发明的目的是，提供一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2及其制备方法，将 TiS2负载在MXene-Ti3C2片层中，为镁离子的嵌入和脱出建立了可支撑通道。与现有的镁二次电池正极材料相比，充放电容量高出15％-25％，循环性能也得到很大的提高，库仑效率接近100％。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2，是以二维材料MXene-Ti3C2为基底，层状结构的TiS2负载在MXene-Ti3C2片层之中。
一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2的制备方法，该方法首先通过化学液刻蚀法制备出二维材料MXene-Ti3C2，以其为基底采用水热法将层状结构TiS2负载在MXene-Ti3C2片层之中，作为镁电池的正极材料，具体方法如下：
首先将MXene-Ti3C2超声30-60min，分散均匀后，加入TiS2并充分搅拌2-5h，最后将上述混合溶液转移到水热反应釜中190-210℃反应20-30h；待反应结束后，将所得分散液用蒸馏水和酒精交替洗涤5-9次，将所得沉淀90-120℃真空干燥10-15h待用。
所述MXene-Ti3C2与TiS2的摩尔比为：1:5～5:1。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2及其制备方法，将TiS2负载在MXene-Ti3C2片层中，为镁离子的嵌入和脱出建立了可支撑通道。与现有的镁二次电池正极材料相比，充放电容量高出15％-25％，循环性能也得到很大的提高，库仑效率接近100％。
附图说明
图1是本发明实施例1的MXene-Ti3C2/TiS2复合材料的扫描电镜形貌图(一)。
图2是本发明实施例1的MXene-Ti3C2/TiS2复合材料的扫描电镜形貌图(二)。
图3是本发明实施例2的MXene-Ti3C2/TiS2复合材料的扫描电镜形貌图(一)。
图4是本发明实施例2的MXene-Ti3C2/TiS2复合材料的扫描电镜形貌图(二)。
图5是本发明实施例3的MXene-Ti3C2/TiS2复合材料的扫描电镜形貌图(一)。
图6是本发明实施例3的MXene-Ti3C2/TiS2复合材料的扫描电镜形貌图(二)。
图7是实施例1-3的MXene-Ti3C2/TiS2复合材料在2θ在10-90°范围内的XRD图谱。
图8是TiS2和实施例3的MXene-Ti3C2/TiS2复合材料的循环性能曲线图。
图9是TiS2和实施例3的MXene-Ti3C2/TiS2复合材料的充放电曲线图。
具体实施方式
下面对本发明做详细说明，但本发明的实施范围不仅仅限于下述的实施方式。
一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2，是以二维材料MXene-Ti3C2为基底，层状结构的TiS2负载在MXene-Ti3C2片层之中。
一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2的制备方法，该方法首先通过化学液刻蚀法制备出二维材料MXene-Ti3C2，以其为基底采用水热法将层状结构TiS2负载在MXene-Ti3C2片层之中，作为镁电池的正极材料，具体方法如下：
MXene-Ti3C2的制备：将盐酸和氟化锂按照摩尔比1:1混合加入聚四氯乙烯的烧杯中，搅拌30-60分钟；将与氟化锂等质量的Ti3AlC2缓慢加入上述混合溶液中；室温下(25℃)磁力搅拌20-30h，转速200-250rpm；将反应后的溶液离心4000-5000rpm，将上方浑浊液体倒入废液桶(酸性)；将剩下的沉淀物用脱氧水进行反复的超声离心洗涤，直到液体PH 值达到6停止；将所得沉淀120-150℃真空干燥待用，即为MXene-Ti3C2。
首先将MXene-Ti3C2超声30-60min，分散均匀后，加入TiS2并充分搅拌2-5h，最后将上述混合溶液转移到水热反应釜中190-210℃反应20-30h；待反应结束后，将所得分散液用蒸馏水和酒精交替洗涤5-9次，将所得沉淀90-120℃真空干燥10-15h待用。
所述MXene-Ti3C2与TiS2的摩尔比为：1:5～5:1。
利用镁二次电池正极材料MXene-TiC2/TiS2组装电池的方法：
将制备的MXene-Ti3C2/TiS2复合材料和TiS2分别与导电炭黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF) 按质量比8:1:1分散在溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中，经充分研磨形成的浆料均匀地涂覆在铜箔上。将铜箔在真空烘箱中110℃干燥12h烘干后在粉末压片机上压片，制成电极材料，称取铜箔涂覆前后的质量并计算出活性物质的质量后，放入手套箱中作为正极片待用。在手套箱中，按负极壳、镁片、电解液、玻璃纤维隔膜、电解液、正极、垫片、弹簧片、正极壳的顺序，自下而上地依次进行组装，然后压片进行封装，封装好的电池静置6h对电池进行电化学性能测试。
为了研究不同比例的TiS2和MXene-Ti3C2的复合材料的负载情况，依次选取不同比例的TiS2和MXene-Ti3C2进行实验，通过对所制备的不同试样的微观结构进行研究。并将制备的复合材料作为镁电池正极材料进行电化学性能测试。
通过以下三个实施例来说明，每个实施例的TiS2和MXene-Ti3C2摩尔配比依次为1:2、 1:1和2:1。
实施案例1：
1)按摩尔比1:2准确称量TiS2 0.3g；MXene-Ti3C2 0.6g。
2)将0.6g MXene-Ti3C2倒入100mL烧杯中，加入70mL蒸馏水超声45min，分散均匀后，加入0.3g TiS2并充分搅拌3h，混合均匀。
3)将上述混合溶液转移到100mL水热反应釜中190℃反应24h。
4)待反应结束后，将所得混合分散液离心，倒掉离心后的上层悬浮液。将沉淀物用蒸馏水和酒精交替洗涤6次。
5)将所得沉淀120℃真空干燥12h待用。
实施案例2：
1)按摩尔比1:1准确称量TiS2 0.3g；MXene-Ti3C2 0.3g。
2)将0.3g MXene-Ti3C2倒入100mL烧杯中，加入70mL蒸馏水超声50min，分散均匀后，加入0.3g TiS2并充分搅拌5h，混合均匀。
3)将上述混合溶液转移到100mL水热反应釜中200℃反应25h。
4)待反应结束后，将所得混合分散液离心，倒掉离心后的上层悬浮液。将沉淀物用蒸馏水和酒精交替洗涤7次。
5)将所得沉淀100℃真空干燥13h待用。
实施案例3：
1)按摩尔比2:1准确称量TiS2 0.3g；MXene-Ti3C2 0.15g。
2)将0.15g MXene-Ti3C2倒入100mL烧杯中，加入70mL蒸馏水超声60min分散均匀后，加入0.3g TiS2并充分搅拌4h，混合均匀。
3)将上述混合溶液转移到100mL水热反应釜中210℃反应26h。
4)待反应结束后，将所得混合分散液离心，倒掉离心后的上层悬浮液。将沉淀物用蒸馏水和酒精交替洗涤5次。
5)将所得沉淀110℃真空干燥15h待用。
上述三个实施例中，实施例3中的TiS2和MXene-Ti3C2的复合摩尔比为最佳配比，TiS2和MXene-Ti3C2的复合状态最好，MXene-Ti3C2层间堆叠不严重，层间距增大，为镁离子的进出提供了可支撑的通道(见图1-图7)。
将实施例3制得的MXene-Ti3C2/TiS2复合材料与TiS2进行电化学性能测试，所测得的循环性能曲线如图8，充放电曲线如图9。图8可以看出MXene-Ti3C2/TiS2复合材料循环性能比TiS2好，容量衰减比较少,且库仑效率达100％；图9可以看出MXene-Ti3C2/TiS2复合材料的充放电容量远大于TiS2。

Claims (2)

1.一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2，其特征在于，是以二维材料MXene-Ti3C2为基底，层状结构的TiS2负载在MXene-Ti3C2片层之中；
所述的镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2的制备方法，该方法首先通过化学液刻蚀法制备出二维材料MXene-Ti3C2，以其为基底采用水热法将层状结构TiS2负载在MXene-Ti3C2片层之中，作为镁电池的正极材料，具体方法如下：
首先将MXene-Ti3C2超声30-60min，分散均匀后，加入TiS2并充分搅拌2-5h，最后将上述混合溶液转移到水热反应釜中190-210℃反应20-30h；待反应结束后，将所得分散液用蒸馏水和酒精交替洗涤5-9次，将所得沉淀90-120℃真空干燥10-15h待用。
2.根据权利要求1所述的一种镁二次电池正极材料MXene-Ti3C2/TiS2，其特征在于，所述MXene-Ti3C2与TiS2的摩尔比为：1:5～5:1。
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