[发明专利]一种镁二次电池的正极材料及其制备方法

说明书

一种镁二次电池的正极材料，所述的正极材料为碳纳米材料原位包覆二硫化亚铁所形成的二硫化亚铁/纳米碳复合材料,并将其应用于镁二次电池中，所述的二硫化亚铁/纳米碳复合材料中碳材料与二硫化亚铁的重量百分比为：碳材料2％～5％、二硫化亚铁98％～95％。本发明采用二硫化亚铁作为基础材料，采用掺杂纳米级碳材料进行原位碳包覆，通过“一步水热法”得到最终的复合材料。使得该材料用于镁二次电池正极材料时，能够为镁离子的可逆扩散提供更多的通道，使得电池具有更高的充放电比容量和优异的循环性能。本发明的基底材料的合成仅需两种元素，步骤方法简便，无需高温煅烧，制备后可直接应用，制备原料丰富，成本低，易于大规模生产。

技术领域

本发明涉及二次电池领域，尤其涉及一种镁二次电池的正极材料及其制备方法。

背景技术

随着全世界能源消耗不断增多，环境污染日益加重，人们普遍意识到开发和利用绿色可再生能源的重要性。因此，一些新型环保、大容量的二次电池受到了研究人员的广泛关注，包括锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池等。然而锂离子电池存在成本较高和安全性较差的问题，铅酸电池和镍镉电池含有有害元素，对环境能造成污染。

金属镁与金属锂为对角线元素，所以其化学性能和离子半径等特征与锂具有很多相似之处。此外，镁在地壳中含量丰富，大约为锂的10⁴倍，而金属镁的稳定性更高，熔点也高于锂，使其相对于锂更安全，被视为是具有良好应用前景的高比容量密度的金属负极材料。虽然理论比容量不及锂(3862mAh g^-1)，但也比较可观(2205mAh g^-1)。镁二次电池作为新型绿色电池被人们广泛研发，相比于研究成熟的锂离子电池，虽然现在在便携式设备上发展不及锂离子电池，但镁二次电池有望在价格、使用安全性能以及大负荷储能等方面得到进一步的突破。然而，与锂离子相比，镁离子具有较大的电荷密度，且溶剂化现象比较严重，因而导致镁离子比锂离子更难嵌入到基体材料中，因此寻找可供镁离子进行可逆脱出和嵌入的基体材料是镁二次电池研究的重点。

目前，镁二次电池正极材料的研究主要集中于过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、聚阴离子型化合物等化合物。其中过渡金属硫化物作为镁二次电池的正极材料具有可观的研究前景，并且过渡金属硫化物被认为是一种典型的可逆嵌入/脱出基质材料。与过渡金属氧化物相比，过渡金属硫化物的晶体结构不易捕获镁离子，可以提高镁离子的可逆脱嵌的程度。镁二次电池硫化物正极材料主要包括谢弗雷尔(Chevrel)相化合物(Mo₆S₈)以及二元金属硫化物(MoS₂、TiS₂等)。Chevrel相化合物(Mo₆S₈)被看作是一种良好的镁离子嵌入的基体材料，作为镁二次电池正极材料Chevrel相化合物具有良好的循环性能和扩散动力学性质，然而这种材料的制备条件比较苛刻，需要包括三种元素(铜、钼、硫)的化合物在特定的气氛、温度下长时间反应来制备，且反应过程繁琐。二元金属硫化物(MoS₂、TiS₂等)作为镁二次电池正极材料也被广泛研究并取得了一定成果。有研究者通过液体间化学反应制备出具有不同结构特点的MoS₂作为正极材料应用在镁二次电池中，然而，电池的放电比容量仅为2～25mAh g^-1，循环效率为10％～40％。具有层状结构的TiS₂，可使离子嵌入到片层的间隙中，研究人员比较了二维层状(1-TiS₂)TiS₂与三维立方(c-TiS₂)TiS₂在0.2mol L^-1的二丁基镁电解液中的化学嵌镁性能，分别得到了Mg_0.25TiS₂和Mg_0.22TiS₂，能够实现对镁离子的可逆脱嵌，但电池的容量衰减比较严重。