[发明专利]一种镁二次电池负极材料及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学电源领域，具体涉及一种镁二次电池负极材料与其在镁二次电池中的应用。包含由该负极材料搭配多种电解液体系组装的镁二次及其高体积能量密度型储能器件中的应用。

背景技术

当前世界各国能源资源的日益短缺，而对能源的需求量却在日益增加，寻求一种新能源的课题就摆在我们面前。而随着人们生活水平提高及电池技术的发展，以电池为能源的电动车将逐步取代部分燃油车。在现有的一次和二次电池中，锂电池的能量密度大，因而被广泛研究和应用。虽然锂离子电池在近三十年来已经被广泛深入研究，且已投入市场，然而安全和价格仍然是其需要长期面对的问题。尤其是大型动力锂二次电池仍存在诸多安全隐患。因此，在实际的动力电源中仍是采用传统的有毒且容量较低的铅酸或镍镉电池。与锂二次电池相比较，镁二次电池成本更低，并更符合一个新倡导的理念——安全性。而与传统铅酸或镍镉电池相比，镁二次电池不仅在比能量高以及工作温度范围宽方面占优势，更重要的是镁二次电池无污染，环境友好。由此可知，新型镁二次电池将有广阔的发展前景。

金属镁比较活泼，跟锂极其相似,容易与同极性质子溶剂、常用盐的阴离子[如ClO₄^-、AsF₆^-、PF₆^-、BF₄^-、SO₂CF₃^-]及不可避免存在的大气杂质（如H₂O、O₂、N₂）反应，形成钝化层覆盖在金属的表面。金属镁表面的覆盖层致密，不易于镁离子通过，从而阻碍了镁离子在有机电解液中的溶解与沉积。虽然镁的理论比容量较高（2205mAh/g），但是选择金属镁作为镁二次电池的负极，具有较宽电化学稳定窗口的简单离子盐/有机电解液体系不能同时使用。这就进一步阻碍了具有高电位高容量的储镁正极材料的开发。因此，如果预研制成功具有高比能量的镁二次电池，首先应将镁二次电池从限定在较窄电化学窗口的电解液体系中解放出来。这样以来，开发出能代替金属镁并具有高比容量循环稳定的负极材料势在必行并有重大意义。

而不同颗粒尺寸的钛酸锂作为锂离子电池负极材料，已经被研究得比较多并得到一定程度的应用。同时此种材料在钠电池体系中也已经得到相关报道和应用。但是由于颗粒尺度以及电解液等一系列问题，钛酸锂材料一直未被成功地应用于镁二次电池中。

发明内容

本发明的目的在于针对现有状况的不足，提供一种具有特定颗粒尺度的能适用于大部分电解液体系并具有较高比容量和循环稳定性的镁二次电池负极材料钛酸锂，并成功地实现了钛酸锂在镁二次电池中的应用。并且本发明的发明人意料不到地发现，由该钛酸锂组装的镁二次电池在采用镁锂共混盐电解液体系，电池容量得到显著的提升。采用该材料作为镁二次电池负极材料，将镁二次电池从不能使用普通的简单离子盐/有机电解液体系的困境中解放出来，从而为开发高电压正极材料及高能量密度的镁二次电池提供可能。

本发明所提供的应用是所述负极材料钛酸锂作为镁二次电池负极材料的应用。

本发明所提供的负极材料钛酸锂特征是以颗粒形式存在，其颗粒尺度为纳米级，所述钛酸锂颗粒的粒径可为1nm-50nm。优选地，颗粒粒径为1nm-40nm。

本发明提供的制备所述钛酸锂负极材料的方法，为采用锂源化合物，钛源化合物共混，结合高温烧结工艺，制备得到最终产物。具体包括如下步骤：

将锂源化合物，钛源化合物按照Li:Ti=4-4.5:5的比例制备成共混液。将均一的共混溶液倒入培养皿中，置于烘箱中，蒸干溶剂后，得到淡黄色固体。将固体在一定温度下煅烧10-40h，得最终产物钛酸锂。优选地，煅烧温度为400－800℃，更优选，煅烧温度为500－700℃。

本发明中所提供的镁二次电池由负极材料钛酸锂，参比电极金属镁，电解液体系三部分组成。

其中本发明中组装的镁二次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：

1.一种镁二次电池负极材料，其为钛酸锂或者包含钛酸锂，所述钛酸锂的粒径为1-50nm。