[发明专利]一种纳米黑磷烯在镁离子电池负极材料中的应用

说明书

本发明公开了一种纳米黑磷烯在镁离子电池负极材料中的应用，该纳米黑磷烯的片层厚度≤10nm，片层尺寸≤500nm。本发明首次公开了纳米黑磷烯在镁离子电池负极材料中的应用，采用纳米黑磷烯作为镁离子电池负极材料，将镁离子电池从不能使用传统常规简单离子盐/有机电解液体系的困境中解放出来，为进一步开发高电压正极材料及提高镁离子电池的高能量密度提供了可能。

技术领域

本发明涉及镁离子电池的技术领域，尤其涉及一种纳米黑磷烯在镁离子电池负极材料中的应用。

背景技术

近年来，传统化石能源日趋殆尽，而人类对能源的需求不断增大，同时传统化石能源的使用过程造成的环境污染严重，人类未来能源系统面临着严峻的挑战。寻找并开发清洁可再生能源是当务之急。目前，具有应用潜力的新型能源有氢能、生物质能、核能、风能和太阳能等，然而当前，各可再生能源之间的高效转化和存储还是比较困难。因此，为实现人们对可再生能源的有效利用，必须发展便捷高效的新型储能技术。

镁离子电池由于镁资源丰富低成本、体积容量高(3833mAh/cm³)、无枝晶形成安全性好等优势，在大型动力电池系统中具有良好的应用前景，正迅速成为一种很有前途的储能和转换技术。但金属镁还原性较强，容易与传统电解液反应形成致密的钝化膜，使得镁离子不能通过，阻止了镁离子的可逆沉积/溶解反应。因此，如果选择镁金属为负极，具有较宽电化学工作窗口和稳定的传统电解液就不能使用，这就阻碍了具有高电位和高比容量的正极材料的开发，因此，研究其他材质的镁离子电池负极材料替代镁金属负极，对开发高电压正极材料和镁离子全电池具有重要意义。由于镁离子电荷密度大与电极材料有很强的库伦作用，镁离子在电极材料中的扩散缓慢，导致大多数负极材料的脱嵌镁离子并不理想，所以，寻找适用于镁离子电池负极材料的材料成为当前研究的热点。

黑磷是一种具有金属光泽的晶体，具有褶皱层状结构。常温常压下，黑磷是单质磷的同素异形体中最为稳定的一种。黑磷具有可调节的直接带隙，且当层数和尺寸合适时，其有较高的载流子迁移率(最高为6.5×10⁴cm²/Vs)和明显的各向异性。黑磷具有低工作电位(0.15V vs.Mg²⁺/Mg)和高理论比容量(2596mAh·g^-1)，在能源存储能领域具有良好的应用前景。纳米黑磷作为锂离子和钠离子电池负极材料，已经得到相关报道和应用，但相对于锂离子和钠离子电池，镁离子电池中，由于镁离子离子半径小且带两个电荷，镁离子电荷密度大，使得镁离子与电极材料有很强的库伦作用，引起镁离子在电极材料中的扩散缓慢，导致大多数锂/钠离子的电池材料当用作镁离子电池材料时性能很差甚至不具有电化学活性。目前，仅有Bi、Bi-Sb、Sn、Pb、Bi-Sn、Ga-Mg等少数几种合金型负极材料被报道具有嵌/脱镁离子的可逆性，且电化学比容量和循环性能仍不能满足需求，黑磷及黑磷烯作为新兴的二维材料，在镁离子电池负极材料方面的储镁电化学活性还未见报道。

发明内容

针对上述问题，本发明首次公开了一种特定形貌的纳米黑磷烯在镁离子电池负极材料中的应用，采用纳米黑磷烯作为镁离子电池负极材料，将镁离子电池从不能使用传统常规简单离子盐/有机电解液体系的困境中解放出来，为进一步开发高电压正极材料及提高镁离子电池的高能量密度提供了可能。

具体技术方案如下：

一种纳米黑磷烯在镁离子电池负极材料中的应用，所述纳米黑磷烯的片层厚度≤10nm，片层尺寸≤500nm。

本发明首次公开了纳米黑磷烯在镁离子电池负极材料中的应用，经试验发现，当纳米黑磷烯的片层厚度≤10nm，片层尺寸≤500nm时，具有低厚度和小横向片径尺寸的纳米黑磷烯缩短了镁离子的扩散距离，以及纳米黑磷烯之间的孔隙有利于电解液的浸润，促进了镁离子的扩散，同时小尺寸能缓冲镁离子嵌入/脱出的结构变化，提高结构的稳定性，增强了嵌/脱镁离子的可逆性，使得纳米黑磷烯作为镁离子电池负极材料成为可能。