一种低价态钛硫化物、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种低价态钛硫化物、制备方法及其应用，所述方法包括：(1)制备二硫化钛(TiS

A low valent titanium sulfide, its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种低价态钛硫化物、制备方法及其应用
本专利技术属于储能材料
，更具体地，涉及一种低价态钛硫化物、制备方法及其应用。
技术介绍
现阶段，能源与环境是影响人类社会可持续发展的两个主要因素。为应对化石能源耗竭及环境恶化问题，世界各国都在大力开发建立高效、清洁、可再生的新能源(太阳能、风能和潮汐能等)体系。电化学电容器作为一种简单高效的储能技术，在新能源的应用领域(如大型储能电站、移动式交通动力、以及各种便携式电子产品)发挥着至关重要的作用。与目前电化学储能系统中技术最成熟、商业化程度最高的锂离子电池相比，电化学电容器的功率密度是其10倍且循环寿命是其100倍。然而，电化学电容器相对较低的能量密度(比锂离子电池的能量密度低10-20倍)限制了其实际应用。目前商业化的超级电容器大多是双电层超级电容器，它是通过多孔碳材料的吸附/解吸来实现电能/化学能的快速转化与存储。由于双电层的储能机制，即使使用有机电解质来提高电容器电压，碳基电极的低电容(通常低于300Fg-1)也将双电层超级电容器的能量密度限制在约10WhKg-1。为了解决该问题，混合离子超级电容器受到广泛关注与研究。混合离子型电容器是一种既使用了电池型(法拉第型)的电极又使用了电容器型(非法拉第型)电极的新型储能器件。它结合了二次电池以及超级电容器的储能机制，同时具备了二者的特性，能够保证在大倍率充放电条件下，具有高的能量密度。基于以上机理，锂离子混合电容器近年来成为研究人员的研究热点，各种各样锂离子混合电容器体系被报道，例如：MnO@GNS//HNC，Nb2O5纳米颗粒//CNTs，PLTO/C//CNF薄膜和TiNb2O7//AC等。并且美国的Maxwell公司成功将锂离子混合电容器实现了商业化。然而，地球上锂资源的短缺限制了其进一步的发展。钠元素在地球上储量丰富，且与锂位于同一主族具有相似的化学性质，因此，用钠代替锂构建钠离子混合电容器是发展低成本和高性能混合离子电容器的有效途径。但钠离子半径大于锂离子，使人们在研究高比容量、长循环钠离子混合电容器电池型电极材料方面遇到极大困难。二硫化钛具有廉价、结构稳定且理论比容量高等优点，是一种极具应用潜力的钠离子电容器电极材料。然而，二硫化钛较差的导电性导致其作为钠离子电容器负极材料时能量密度和功率密度均不理想。目前，主要通过纳米化以及碳包覆来改善二硫化钛作为钠离子混合电容器的电化学性能，但是这种改善方法往往比较复杂，成本较高，难以大规模化和批量化生产。而且，采用这种材料制备的纳米二硫化钛结构不稳定、易产生副反应，很难应用于实际钠离子电容器。低价态钛硫化物(Ti2S3、TiS、Ti2S等)与二硫化钛具有相似的物理化学特性，但其导电性(Ti2S3：1×103Ω-1cm-1、TiS：1×103Ω-1cm-1、Ti2S：3.3×103Ω-1cm-1)远远高于二硫化钛(TiS2：2×102Ω-1cm-1)，因此相比较二硫化钛，低价态钛硫化物更有作为钠离子电容器的潜力和优势。然而，到目前为止，关于单一相低价态钛硫化物的合成以及其在钠离子电容器方面的应用却鲜有报道。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种低价态钛硫化物、制备方法及其应用，利用低价态钛硫化物的高导电性，实现钠离子电容器的高能量密度和功率密度。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种低价态钛硫化物的制备方法，包括以下步骤：(1)制备TiS2阴极：将TiS2粉末模压成型为片状，并将片状的TiS2固定到集流体上，从而得到TiS2阴极；(2)制备熔盐电解质：在惰性气体保护下，先除去卤素盐的分水，再通过升温，使所述卤素盐完全熔融，从而得到熔盐电解质；(3)制备低价态钛硫化物：将惰性阳极和步骤(1)制备的TiS2阴极置于步骤(2)制备的熔盐电解质中，构建电解池；通过控制电解电压和电解时间使所述TiS2阴极上的TiS2电解，从而得到低价态钛硫化物。进一步地，所述步骤(3)中，在电解TiS2之前，将所述集流体作为阴极，与所述惰性阳极和所述熔盐电解质进行电解反应，以除去所述熔盐电解质中的杂质。进一步地，所述步骤(1)中，所述TiS2的用量为0.3～1.5g。进一步地，所述步骤(1)中，所述模压的压力为10～30MPa。进一步地，所述步骤(2)中，所述卤素盐包括以下至少之一：氯化钙、氯化钾、氯化锂、氯化钠。进一步地，所述步骤(2)中，所述卤素盐的熔融温度为300～900℃。进一步地，所述步骤(3)中，所述电解电压为1.5～3.2V。进一步地，所述步骤(3)中，所述电解时间为0.5～24h。本专利技术另一方面提供了一种低价态钛硫化物，通过上述方法制备而成。本专利技术另一方面提供了一种钠离子混合电容器，包括：负极、正极、介于正负极之间的隔膜以及电解液，其中，所述负极由上述低价态钛硫化物制备而成。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：(1)本专利技术使用TiS2作为原材料制备TiS2阴极，使用卤素盐制备熔盐电解质，并通过控制电解电压和电解时间，从而得到具有高电导率的低价态钛硫化物；(2)由于高温熔盐电解质具有高的离子电导率以及高效的传质过程，因此，相比于传统的热还原方法，熔盐电解法合成低价态钛硫化物所需合成温度更低且合成时间更短；(3)在合成过程中施加电场，由于电场的精确可控，使产物的成份可控度高，因此，相比于传统合成方法更容易得到单一相的低价态钛硫化物；(4)在电解TiS2之前，将集流体作为阴极，与惰性阳极和熔盐电解质进行电解反应，能够除去熔盐电解质中的杂质，从而减少电解的副反应，有利于电解的高速进行；(5)本专利技术制备的低价态钛硫化物由于具有高电导率，因此它作为钠离子混合电容器负极材料时具有优异的电化学性能。附图说明图1为本专利技术提供的一种低价态钛硫化物的制备方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例1得到的低价态钛硫化物材料的X射线衍射图(XRD)；图3为本专利技术实施例1得到的低价态钛硫化物材料的扫描电镜图(SEM)；图4为本专利技术实施例1得到的低价态钛硫化物作为钠离子混合电容器负极在1Ag-1电流密度下的充放电曲线示意图；图5为本专利技术实施例1得到的低价态钛硫化物作为钠离子混合电容器负极在1Ag-1电流密度下的长循环性能示意图；图6为本专利技术实施例2得到的低价态钛硫化物材料的X射线衍射图(XRD)；图7为本专利技术实施例2得到的低价态钛硫化物材料的扫描电镜图(SEM)；图8为本专利技术实施例2得到的低价态钛硫化物作为钠离子混合电容器负极在1Ag-1电流密度下的充放电曲线示意图；图9为本专利技术实施例2得到的低价态钛硫化物作为钠离子混合电容器负极在1Ag-1电流密度下的长循环性能示意图；图10为本专利技术实施例3得到的低价态钛硫化物材料的X射线衍射图(XRD)；图11为本专利技术实施例3得到的低价态钛硫化物材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低价态钛硫化物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)制备TiS

【技术特征摘要】
1.一种低价态钛硫化物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备TiS2阴极：将TiS2粉末模压成型为片状，并将片状的TiS2固定到集流体上，从而得到TiS2阴极；
(2)制备熔盐电解质：在惰性气体保护下，先除去卤素盐的分水，再通过升温，使所述卤素盐完全熔融，从而得到熔盐电解质；
(3)制备低价态钛硫化物：将惰性阳极和步骤(1)制备的TiS2阴极置于步骤(2)制备的熔盐电解质中，构建电解池；通过控制电解电压和电解时间使所述TiS2阴极上的TiS2电解，从而得到低价态钛硫化物。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在电解TiS2之前，将所述集流体作为阴极，与所述惰性阳极和所述熔盐电解质进行电解反应，以除去所述熔盐电解质中的杂质。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述TiS2的用量为0.3～1.5g。


4.根据权利要求1或2...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋凯，陶宏伟，周敏，王康丽，陈曼琳，王如星，李浩秒，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42