一种硫正极材料的制备方法及其镁硫电池组装方法技术

本发明专利技术涉及能源技术领域，尤其涉及一种硫正极材料的制备方法及其镁硫电池组装方法。硫正极材料的制备方法包括制备少层Ti3C2悬浮液、制备氮掺杂Ti3C2(N

【技术实现步骤摘要】
一种硫正极材料的制备方法及其镁硫电池组装方法


[0001]本专利技术涉及能源
，尤其涉及一种硫正极材料的制备方法及其镁硫电池组装方法。

技术介绍

[0002]日益增长的能源需求促进了先进电能储存装置的广泛发展。锂离子电池作为一种重要的能源载体，在日常生活和现代工业中得到了广泛的应用。然而，这种类型的电池难以避免一些安全问题，需要防止过充电或过放电，此外，锂资源的储存困难和电池运行过程中形成的枝晶问题阻碍了锂离子电池的可持续发展。因此，越来越多的研究工作转向开发其他可充放电金属离子电池，其中包括镁离子电池和镁金属电池。镁电池易于制备，充放电过程中具有热动力稳定性，能够克服锂电池存在的多种缺点。一方面，镁在地壳中含量丰富，其含量是锂的10000倍，这使镁电极成本比锂电极低很多，另一方面，金属镁本身具有较好的化学稳定性，充电时镁阳极不受SEI膜形成的困扰。然而，镁离子在相应的正极材料中的迁移率较低是镁电池技术发展的主要障碍，同时也减缓了相匹配的负极材料和电解液的发展。
[0003]硫因其具有较高的体积理论比容量，是一种理想的镁离子电池正极材料，可用于镁硫电池。商业化的第二代镁离子电池电解液(APC)因为具有强的亲核性，所以可以轻易与硫单质反应，不适应于镁硫电池。为了解决这个问题，2011年J.Muldoon首次将非亲核性的MgHMDSCl/AlCl3/THF电解液应用于镁硫电池，该电池仅仅运行了两个充放电循环。之后，稳定的Mg(CB11H11)2/tetraglyme电解液被应用于镁硫电池，电池电化学性能得到提高。Zhao
‑
Karger再以MgHMDS2/AlCl3/THF电解液应用于镁硫电池，电池在循环20圈以后仍能保持260mA h g
‑1。除此，MgCl2/AlCl3/THF也被应用于镁硫电池，均展现了较为优异的电化学活性。商业化的镁盐Mg(TFSI)2在醚类溶液中有很高的溶解性，其醚溶液同时也是非亲核性的，具有应用于镁硫电池的前景。Se
‑
Young Ha首先将Mg(TFSI)2/glyme/diglyme电解液成功应用在镁离子电池，其抗氧化能力比较强，黏度比较低，且允许可逆的镁沉积/脱出。之后，王春生将Mg(TFSI)2/MgCl2/DME应用于镁硫电池，该电池展现了高比容量、长循环寿命的优异电化学性能，同时他们也研究了Mg(TFSI)2/I2/DME电解液在镁硫电池的应用。
[0004]类似于锂硫电池，应用于镁硫电池的硫单质需要合适的宿主材料，弥补了硫单质导电性差的不足并且可以促进镁硫电池充放电过程中产生的多硫化物的相互转换。近年来，二维过渡金属碳/氮化物(简称MXene)材料以其优良的导电性和高的体积容量成为电化学储能领域最受关注的研究课题之一。MXene由公式M
n+1
X
n
T
x
(n＝1、2、3)表示，其中M是早期过渡金属元素，X表示碳或氮，T表示表面官能团(
‑
O、
‑
OH和
‑
F)。理论计算表明，典型的MXene材料Ti3C2具有较高的Mg
2+
离子存储容量。Min Xu等人提出了一种简单的策略，通过在分层(d)
‑
Ti3C2T
x
层之间预先插入一种常见的阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，使分层(d)
‑
Ti3C2T
x
电极具有镁储存能力，以APC溶剂为电解液，(d)
‑
Ti3C2T
x
/CTAB电极在50mA g
‑1的电流密度下具有300mAh cm
‑3的高可逆体积比容量，(d)
‑
Ti3C2T
x
/CTAB具有优异
的倍率性能和良好的循环稳定性。然而，MXene二维材料在镁硫电池的应用并未被研究。
[0005]因此，本领域的技术人员致力于开发一种硫正极材料的制备方法及其镁硫电池组装方法。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何在工艺上实现Ti3C2材料在更高质量和体积能量密度的镁离子电池的应用。通过实现合成Ti3C2悬浮液和利用液相静电自组装法进一步合成N
‑
Ti3C2的工艺条件，制备得到的N
‑
Ti3C2具有类石墨烯的纳米片状的微观形貌，进一步将其与升华硫熔融复合制备得到S
‑
(N
‑
Ti3C2)复合材料。该复合材料配以Mg(TFSI)2/2AlCl3/2LiTFSI/diglyme电解液，组装成的镁硫电池具有较高的充放电比容量和较好的循环性能
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种硫正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1、制备少层Ti3C2悬浮液：
[0009]取1,2,3g氟化锂加入20,30,40mL浓盐酸中，搅拌5
‑
20min，再加入1gTi3AlC2，40
‑
80℃条件下反应24
‑
48h；将反应产物加入去离子水离心多次(4000rpm)取沉淀物，直至上清液pH值接近6.0，再向沉淀物中加入100
‑
200mL去离子水，在0
‑
20℃、N2气氛下搅拌1
‑
4h；之后，超声后得到的产物先离心10
‑
30min(4000rpm)去除底物沉淀后再加入适量去离子水，再离心5
‑
15min(10000rpm)去除底物沉淀；最后得到少层Ti3C2悬浮液(1
‑
4mg mL
‑1)，且悬浮液中的Ti3C2呈现纳米片状形貌；
[0010]步骤2、制备氮掺杂Ti3C2(N
‑
Ti3C2)材料：
[0011]取1
‑
3g三聚氰胺分散到30mL的无水乙醇中，剧烈搅拌0.5
‑
2h，然后再加入1
‑
5mL的浓盐酸，继续搅拌1
‑
3h，送入烘箱使溶剂烘干；之后，将得到的白色固体颗粒研磨成粉末，用水和无水乙醇离心洗涤多次，得到表面为正电性的三聚氰胺粉末；取50mL少层Ti3C2悬浮液，与100mg表面为正电性的三聚氰胺粉末共同溶解在50mL的稀盐酸中，悬浮液中出现大量絮状物，将该产物用去离子水离心3次(4000rpm)后去除上清液，沉淀物经过冷冻干燥，作为前驱体；最后，该前驱体在N2气氛下加热1
‑
4h(400
‑
700℃)，便得到氮掺杂Ti3C2材料；
[0012]步骤3、制备S
‑
(N
‑
Ti3C2)复合材料：
[0013]将0.6g升华硫和0.4g氮掺杂Ti3C2充分研磨20min，再放置在管式炉中，N2气氛下于155℃保温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫正极材料的制备方法，特征在于，包括以下步骤：步骤1、制备少层Ti3C2悬浮液：取1,2,3g氟化锂加入20,30,40mL浓盐酸中，搅拌5
‑
20min，再加入1gTi3AlC2，40
‑
80℃条件下反应24
‑
48h；将反应产物加入去离子水离心多次(4000rpm)取沉淀物，直至上清液pH值接近6.0，再向沉淀物中加入100
‑
200mL去离子水，在0
‑
20℃、N2气氛下搅拌1
‑
4h；之后，超声后得到的产物先离心10
‑
30min(4000rpm)去除底物沉淀后再加入适量去离子水，再离心5
‑
15min(10000rpm)去除底物沉淀；最后得到少层Ti3C2悬浮液(1
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4mg mL
‑1)，且悬浮液中的Ti3C2呈现纳米片状形貌；步骤2、制备氮掺杂Ti3C2(N
‑
Ti3C2)材料：取1
‑
3g三聚氰胺分散到30mL的无水乙醇中，剧烈搅拌0.5
‑
2h，然后再加入1
‑
5mL的浓盐酸，继续搅拌1
‑
3h，送入烘箱使溶剂烘干；之后，将得到的白色固体颗粒研磨成粉末，用水和无水乙醇离心洗涤多次，得到表面为正电性的三聚氰胺粉末；取50mL少层Ti3C2悬浮液，与100mg表面为正电性的三聚氰胺粉末共同溶解在50mL的稀盐酸中，悬浮液中出现大量絮状物，将该产物用去离子水离心3次(4000rpm)后去除上清液，沉淀物经过冷冻干燥，作为前驱体；最后，该前驱体在N2气氛下加热1
‑
4h(400
‑
700℃)，便得到氮掺杂Ti3C2材料；步骤3、制备S
‑
(N
‑
Ti3C2)复合材料：将0.6g升华硫和0.4g氮掺杂Ti3C2充分研磨20min，再放置在管式炉中，N2气氛下于155℃保温12h，自然冷却后得到硫正极材料S
‑
(N
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：邹建新，徐昊，郭瑞，
申请(专利权)人：上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：