[发明专利]一种掺杂型锰酸镁材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种掺杂型锰酸镁材料及其制备方法和应用，所述材料的化学式为Mg_xMn_yM_2‑yO₄，其中，0.9≤x≤1，1.8≤y<2，所述M为过渡金属元素。所述制备方法为：将镁源化合物、锰源化合物、M源化合物与柠檬酸混合溶解于溶剂中，加热搅拌得到湿凝胶，去除所述溶剂后得到干凝胶，将所述干凝胶煅烧后得到所述掺杂型锰酸镁材料。所述掺杂型锰酸镁材料作为镁离子电池正极材料时，具有优异的电化学性能，所述制备方法制备工艺操作简单、易于控制、有利于实现规模化工业生产。

技术领域

本发明属于电池材料领域，涉及一种锰酸镁材料，尤其一种掺杂型锰酸镁材料及其制备方法和应用。

背景技术

镁二次电池被认为是极具潜力的新型二次电池。镁二次电池的构成核心Mg负极、电解质溶液和具有良好脱嵌镁离子性能的正极材料。对镁离子脱嵌材料的研究始于上世纪七十年代，但至今并未形成产业化生产，最主要的原因是与锂离子相比较，镁离子的半径小、电荷密度大，溶剂化更加严重，导致镁离子比锂离子更难嵌入到一般的正极材料中。因此，镁二次电池研究的核心将是开发出具有良好脱嵌镁离子性能的正极材料。目前在镁离子电池正极材料这方面已有部分专利，如CN 107946585 A公开了一种掺杂硼酸锰镁镁离子电池正极材料的制备方法，但是制得的MgMn(B₂O₅)_0.98F_0.08在电化学性能方面仍有不足，放电容量以及电压都较低。

四方相的MgMn₂O₄，具有较高的理论可逆比容量，是一种有良好前景的镁离子电池正极材料，由于Mg²⁺离子本身的极化作用很强，使其具有较高的扩散能垒，Mg²⁺离子的在材料中的扩散速率慢，限制了其电化学性能。因此，针对此类材料存在的问题，我们设计出具有较高表面积的掺杂型锰酸镁材料，一方面较高的比表面积可以缩短Mg²⁺离子的扩散路径，提高Mg²⁺离子的扩散速率，而且有利于电解液与正极材料充分结合，增加有效的接触面积，使得电荷能够较好的在电解液与正极中传输。另一方面，Mn³⁺离子的Jahn～Teller效应使得MgMn₂O₄是一种扭曲的尖晶石结构(四方相)，采用阳离子掺杂，掺杂的阳离子替代Mn³⁺离子，使得四方相结构(扭曲的尖晶石结构)趋向于尖晶石结构。通过以上的形貌调控以及掺杂改性，获得了优异的电化学性能。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种掺杂型锰酸镁材料及其制备方法和应用，所述掺杂型锰酸镁材料作为镁离子电池正极材料时，具有优异的电化学性能，所述制备方法制备工艺操作简单、易于控制、有利于实现规模化工业生产。

为达到上述技术效果，本发明采用以下技术方案：

本发明目的之一在于提供一种掺杂型锰酸镁材料，所述材料的化学式为Mg_xMn_yM_2-yO₄，其中，0.9≤x≤1.0，1.8≤y<2.0，所述M为过渡金属元素。

其中，x可以是0.9、0.91、0.92、0.93、0.94、0.95、0.96、0.97、0.98、0.99或1.0等，y可以是1.8、1.82、1.85、1.88、1.90、1.92、1.95、1.98或1.99等，但并不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。