一种提升TiO2电极材料钠离子存储性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种硫化二氧化钛(S

【技术实现步骤摘要】
一种提升TiO2电极材料钠离子存储性能的方法


[0001]本专利技术属于能源材料制备
，具体涉及一种S
‑
TiO2电极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]从过去的几十年一直到现在，市场上主流的电子设备、储能设备以及电动汽车等产品的电源都被锂离子电池占据了主导地位，但市场上日益增加的电池需求可能会导致资源枯竭等严重问题。由于锂元素储量少和成本较高等原因，近年来钠离子电池已逐渐进入研究者的视野并成为十分有前景的锂离子电池的替代者。
[0003]尽管钠离子半径比锂离子大一些，但许多用于锂离子电池的正负极材料也适用于钠离子电池。同样一些用于提高锂离子传导率的方法也可以应用到钠离子电池中，例如引入阳离子掺杂物或者缺陷，添加碳纳米管、石墨烯等高导电性物质的方法。
[0004]TiO2作为一种多晶型材料在钠离子电池领域被大量研究，在经过一系列对关于钠离子电池的文献的调研后，人们发现在TiO2多晶型中，无论是锐钛矿相TiO2，金红石相TiO2还是青铜矿相TiO2都表现出与插入型负极材料相似的性能，此外还有一项基本理论研究表明钠离子插入锐钛矿晶格的活化势垒与锂离子相当。然而结晶相TiO2导电性较差并且具有较低的电导率，这就意味着锂离子或钠离子只能在该主体材料的薄表面层进行高速脱嵌，无论是钠离子或电子的转移速率，还是钠离子存储能力都十分有限，严重影响了电极材料的电化学性能。因此对TiO2进行改性，提供一种新的电极材料，开发一种用于提升TiO2电极材料钠离子存储性能的方法，以提高TiO2电极材料的电化学性能是十分有必要的。

技术实现思路

[0005]针对结晶相TiO2导电性较差并且具有较低的导电率的问题，本专利技术的目的在于提供一种提升TiO2电极材料的钠离子/电子转移速率以及钠离子存储能力的方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下的技术方案：
[0007]本专利技术的技术方案之一，一种S
‑
TiO2电极材料,所述S
‑
TiO2电极材料为核壳结构，内核为TiO2晶体核，壳层为S原子嵌入形成的非晶层，所述壳层结构具有各向同性。
[0008]本专利技术的技术方案之二，一种上述的S
‑
TiO2电极材料的制备方法，用高温氩气气流将气态硫吹至TiO2表面硫化反应2h。S
‑
TiO2的微观制备流程如图1所示。
[0009]进一步地，所述TiO2为锐钛矿型TiO2粉末，所述气态硫由硫粉加热升华而成。
[0010]进一步地，所述锐钛矿型TiO2粉末的粒度为纳米级别。
[0011]进一步地，所述锐钛矿型TiO2粉末与所述硫粉的质量比为1:1.2。
[0012]硫粉质量要大于TiO2粉末质量，保证由硫粉升华产生的气态硫充分与TiO2粉末接触并反应。
[0013]进一步地，所述高温氩气气流的温度为450
‑
550℃。
[0014]硫化温度要高于硫粉的沸点但不得高于550℃，因为二氧化钛由锐钛矿相转变为
金红石相的相变温度范围在550
‑
800℃范围内，而在TiO2多晶型中，锐钛矿型TiO2具有最优的储钠性能。
[0015]进一步地，所述高温氩气气流的流速为400ml/min，所述高温氩气气流的优选温度为550℃。
[0016]本专利技术的技术方案之三，一种提升TiO2电极材料钠离子存储性能的方法，将上述的S
‑
TiO2电极材料作为活性物质制备负极，金属钠作为对电极，制备钠离子电池。
[0017]进一步地，所述负极以石墨烯作为导电剂，PVDF作为粘结剂；所述钠离子电池以聚丙烯微孔膜作为电极隔膜，NaClO4溶液作为电解液。
[0018]进一步地，按质量比计，活性物质:导电剂:粘结剂＝7:2:1；所述NaClO4溶液的浓度为1mol/L，所述NaClO4溶液的溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯按体积比1:1配制成的混合溶液。
[0019]本专利技术的技术方案之四，根据上述的提升TiO2电极材料钠离子存储性能的方法制备得到的钠离子电池。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021](1)本专利技术提供的核壳结构的S
‑
TiO2电极材料表面出现了一层较为明显的对Na
+
传导十分有利的由S原子聚集形成的非晶壳层，该非晶壳层具有各向同性，可以在材料表层获得更多的钠离子迁移通道，从而获得更加优异的性能。该非晶壳层与晶核TiO2相互作用产生的异质界面不仅可以在充放电循环过程中保护电极材料不与电解质发生副反应，还可以提供内置驱动力加速界面电荷转移速率。本专利技术利用“一步气相硫化法”将S原子掺杂在TiO2表面，获得的表面掺杂S原子的TiO2(S
‑
TiO2)电极材料具有较窄的带隙和较优异的充放电循环稳定性，离子传输特性优异，在循环稳定性、阻抗和比容量方面都优于纯TiO2。
[0022](2)本专利技术提供的制备方法制备过程简单，环保，易规模制备，是一种具有推广价值的、可实现批量生产S
‑
TiO2的制备方法。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为S
‑
TiO2的微观制备流程图；
[0025]图2为TiO2粉末的XRD精修谱图；
[0026]图3为实施例1制得的S
‑
TiO2粉末的XRD精修谱图；
[0027]图4为实施例1制得的S
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TiO2粉末的SEM及Mapping图，其中(a)为TiO2的SEM图，(b)为S的Mapping图，(c)为Ti的Mapping图，(d)为O的Mapping图；
[0028]图5为实施例1制得的S
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TiO2粉末的TEM及Mapping图，其中a、b为S
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TiO2的TEM图，c为Ti的Mapping图，d为O的Mapping图，e、f为S的Mapping图，g、h、j、k为S
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TiO2的局部TEM图；i、l为TEM分析图；
[0029]图6为TiO2粉末和实施例1制得的S
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TiO2粉末的能谱分析结果，其中a为紫外可见光吸收光谱，b为XPS全谱图，c为O元素高分辨谱，d为S元素高分辨谱；
[0030]图7为实施例1制得的S
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TiO2粉末和TiO2粉末作为钠离子电池的负极材料时的电化学性能综合表征及对比图，其中a为TiO2粉末作为钠离子电池的负极材料时的循环伏安曲线，b为实施例1制得的S
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TiO2粉末作为钠离子电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种S
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TiO2电极材料,其特征在于，所述S
‑
TiO2电极材料为核壳结构，内核为TiO2晶体核，壳层为S原子嵌入形成的非晶层，所述壳层结构具有各向同性。2.一种根据权利要求1所述的S
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TiO2电极材料的制备方法，其特征在于，用高温氩气气流将气态硫吹至TiO2表面硫化反应2h。3.根据权利要求2所述的S
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TiO2电极材料的制备方法，其特征在于，所述TiO2为锐钛矿型TiO2粉末，所述气态硫由硫粉加热升华而成。4.根据权利要求3所述的S
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TiO2电极材料的制备方法，其特征在于，所述锐钛矿型TiO2粉末与硫粉的质量比为1:1.2。5.根据权利要求2所述的S
‑
TiO2电极材料的制备方法，其特征在于，所述高温氩气气流的温度为450
‑
550℃。6.根据权利要求2所述的S
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永涛，张坤，李海文，斯庭智，柳东明，张庆安，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：