[发明专利]一种新型镁二次电池电极材料及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学电源领域，涉及一种镁二次电池电极材料及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的发展，全球能源资源的短缺与人们对能源的需求量日益增加的矛盾越来越尖锐。开发具有高能量密度的电池体系成为当前电源系统的主要目标。作为地球上储量最丰富的轻金属元素之一的镁，由于其良好的物化性能被广泛应用于很多领域。现在对于二次镁电池的研究很多，都是基于二次锂离子电池之上的。由于在元素周期表中镁和锂处于对角线位置，除了它们具有类似的原子半径和化学性质之外，镁的熔点（648.8℃）比锂的熔点（180.5℃）要高的多，也没有锂的金属活动性强，所以安全性上二次镁电池要更好。虽然质量比容量没有锂（3862mAh g-1）那么高，但也相当可观(2205mAh g-1)。而且我国镁资源极其丰富，镁价格上要远远低于锂,而且镁对环境友好，所以二次镁电池越来越受到人们的关注。

目前对镁离子电池的研究主要集中在可使镁金属可逆的溶解/沉积的电解液和能够可逆嵌脱镁离子的材料上。然而现有的镁离子电池电极材料存在着以下几个问题:①过渡金属氧化物与硫化物和传统的镁电池电解质溶液不兼容；②镁的动力学嵌入通常非常缓慢；③镁的嵌入量非常低；④充、放电电压差异非常大，也就是有高的过电位；⑤在多次循环下，容量衰减严重。虽然单纯的钛酸镁（赵明,焦丽芳,袁华堂,王伟,王永梅。可充镁电池正极材料MgTi2O5的研究。南开大学学报（自然科学版），2006,39：39-42）在镁电池体系中虽然已有相关报道，但是其只报道了可逆行为并无电池材料容量报道。此外，本课题组将纯相的钛酸锂作为镁离子电池负极材料（郭玉国,吴娜,吴兴隆,殷雅侠,万立骏；一种镁二次电池负极材料及其应用；申请号：201310295729.1；申请日:2013.07.16）进行研究，取得一定成果，电池表现出较高的容量和很好的循环稳定性。然而促进镁电池的进一步发展，需要更多电极材料的开发。而钛酸锂镁作为镁离子电池电极材料尚未见有人报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较高比容量和循环稳定性的钛酸锂镁电极材料，并成功地实现了此材料在镁离子电池中的应用，提高了镁离子电池的性能。

本发明所提供的应用是所述钛酸锂镁作为镁离子电池电极材料的应用。

本发明提供的制备所述钛酸锂镁电极材料的方法，为采用锂源化合物，镁源化合物和钛源化合物共混，结合高温烧结工艺，制备得到具有特定纳米尺寸的最终产物。具体包括如下步骤：

将锂源化合物，镁源化合物，钛源化合物按照Li:Mg:Ti=0～1/3:1～2:5/3～2的比例制备成共混液，加入表面活性剂。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中，蒸干溶剂后，得到白色固体。将固体在一定温度下煅烧10-40h，得不同颗粒尺寸的最终产物钛酸锂镁。优选地，煅烧温度为400－800℃，更优选，煅烧温度为500－700℃。

优选地,按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取，加入乙醇/水作为溶剂，加入硬脂酸配成均一的溶液。将均匀混合的溶液，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。

本发明中所提供的镁离子电池由电极材料钛酸锂镁，金属镁，电解液体系三部分组成。

其中本发明中组装的镁离子电池所采用的电解液体系包括格氏试剂（Grignard）衍生物的醚电解液，镁锂共混盐电解液体系以及简单镁离子盐有机电解液体系。

具体地，本发明提供如下几项发明：

1.一种钛酸锂镁，其化学式为MgxLiyTizOw(0.5＜x＜2，0＜y≤1/3,5/3≤z＜2,4≤w＜5)，其粒径分布在20-200nm之间。

2.如项1所述的钛酸锂镁，其特征在于：通过以下步骤制备：

将特定的锂源、镁源、钛源按照特定比例制备成共混液，加入表面活性剂。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中，蒸干溶剂后，得到白色固体，将固体在特定温度下煅烧得具有特殊纳米尺寸的最终产物钛酸锂镁;

所述反应溶液中锂源、镁源和钛源的摩尔比为0～1/3:0.5～2:5/3～2，优选为1/3:1：5/3；镁源与表面活性剂的摩尔比为100～2000：1；

所述固体的煅烧温度为400－800℃，优选500－700℃；

所述固体的煅烧时间为10-40h，优选10-20h；