[发明专利]一种镁离子二次电池及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型二次电池，具体的涉及一种以镁为负极，异质元素参杂的碳材料为正极活性物质的镁离子二次电池。

本发明还涉及上述镁离子二次电池的制备方法。

背景技术

金属镁作为可充放二次电池具有比能量高(2202mAh g-1)，电极电位为负(-2.36V)，相比较于锂，其具有储量丰富、价格便宜，无枝晶、安全性能好等优点。然而能否寻找到或如何制备出较高比容量密度且较良好充放电循环性能的正极材料成为镁二次电池发展的关键一环。目前，各种MT_x(M为金属，T为硫属元素)材料、MnO_x材料、聚有机二硫化物材料等被研究者用于镁离子二次电池的正极材料，然而异质元素掺杂的碳材料作为镁离子二次电池正极材料的研究仍存在一定的空白。由此，本发明采用新方法制备了一一系列异质元素掺杂的碳材料作为新型镁离子二次电池正极材料，其具有较良好的比容量以及充放电循环性能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，发明了一种镁离子二次电池，其采用如下技术方案来实现。

一种镁离子二次电池，包括依次叠合的镁负极、隔膜和以异质元素掺杂的碳材料为活性物质的正极；所述隔膜一侧或两侧浸润有电解质溶液；

所述异质元素为N、P、S中的一种或两种以上。

所述异质元素的质量掺杂量为1-4％，所述碳材料多壁碳纳米管、石墨烯、活性碳中的一种或两种以上。N、P、S电负性较强，掺杂于碳材料中形成带负电的位点，能够稳定带正电的镁离子，提高理论比容量。

所述正极制备于一集流体上，所述集流体为碳纸、碳布、铝箔中的一种。

所述隔膜为玻璃纤维膜、PE/PE/PP膜中的一种；所述电解质溶液为AlCl₂-(phMgCl₂)溶液、Mg(BPh₂Bu₂)₂溶液、Mg(AlCl₂BuEt)₂溶液中的一种，物质的量浓度0.2mol l^-1-0.5mol l^-1。上述有机电解质电位窗口较宽，能在较高和较低电位下保持稳定。

所述正极的厚度为0.01-0.05mm。

所述镁离子二次电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)正极活性物质的制备：

a.于去离子水或无水乙醇中的一种中加入质量比为1：0.5-1：2的碳材料和一种或两种以上的含有N、P、S中一种或两种以上的异质元素的前体；超声分散后经旋转蒸发干燥，得固体混合物；

b.将步骤a所得固体混合物置于高温炉中，从室温程序升温至500℃-900℃后，降至室温，得异质元素掺杂的正极活性物质；掺杂过程中异质元素的前体中的部分N、P、S被掺杂到碳材料中。

(2)正极的制备：

a.将步骤(1)所得正极活性物质、导电材料与粘结剂混合均匀，所述正极活性物质与 粘结剂的质量的比为6：1-9；1，所述正极活性物质与导电材料的质量比为2:1-4:1；

b.于步骤(2)a所述混合物中按照每10mg混合物0.1-0.5ml的溶剂的比例滴加溶剂，研磨后得浆液；上述条件恰好保证浆液成粘稠的糊状，同时保证研磨时的流动性和摩擦力，确保磨匀磨细。

c.采用刷涂或刮涂或滚压的方法将步骤(2)b得浆液制备于所述集流体上，干燥后制备得到正极；所述集流体为碳纸、碳布、铝箔中的一种；

(3)电池的组装：

隔膜一侧或两侧浸润有电解质溶液，将步骤(1)所得正极、由电解质润湿的隔膜和镁负极依次叠合，制得镁离子二次电池。

步骤(1)a所述碳材料为多壁碳纳米管、石墨烯、活性碳中的一种或两种以上；异质元素的前体为三聚氰胺、二苄基二硫、三聚氰胺磷酸酯中的一种或两种以上；

步骤(1)b所述程序升温的升温速率为5-10℃/min。

步骤(2)a中所述导电材料为乙炔黑、Vulcan XC-72、Black Pearls2000、super P中的一种或两种以上；所述粘结剂为PVDF、PTFE中的一种或两种以上；

步骤(2)b中所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、无水乙醇中的一种或两种以上。