[发明专利]镁硫电池及过渡金属硫化物/硫复合正极材料和复合方法

说明书

本发明公开了一种镁硫电池及过渡金属硫化物/硫复合正极材料和复合方法，所述镁硫电池包括含过渡金属硫化物/硫复合正极材料的正极、镁离子电解液以及镁金属负极；其中，所述过渡金属硫化物/硫复合正极材料中，过渡金属硫化物为M_xS_y，M为阳离子，包括：Mo、Ti、Cu、Co、V、Fe、Cr、Ni、Mn、Zn、Sc、Nb、Mo、Zr、W、Re、Ta中的一种或多种；1≤x≤9，1≤y≤9，且x、y的取值满足保持化合物电中性；所述过渡金属硫化物/硫复合正极材料中，硫源包括单质硫、MgS、多硫化镁MgS_z中的一种或多种；其中1＜z≤4；所述过渡金属硫化物/硫复合正极材料中，硫的质量百分比为5％～95％。

技术领域

本发明涉及新型电池技术领域，尤其涉及一种镁硫电池及过渡金属硫化物/硫复合正极材料和复合方法。

背景技术

随着社会对绿色能源的需求，锂离子电池逐渐成为移动电子设备和电动汽车的主流电源。经过多年的发展，锂离子电池的能量密度逐渐接近嵌入式化学的理论极限，其容量和能量密度很难再获得大的提升。而金属二次电池可以把金属负极和正极材料结合起来，得益于金属负极的高容量和低电位，可以进一步提高电池的能量密度。而在所有的金属负极中，镁金属具有高容量(特别是体积容量为3833mA h/cm³，对比锂金属的2046mA h/cm³)，低还原电位(-2.4V vs.SHE)的优点。更重要的是，镁金属负极可以实现库伦效率100％的沉积和溶解，且没有枝晶产生，安全性能高。但是由于镁离子带有两个单位的正电荷，与正极材料有强烈的相互作用，导致扩散缓慢，动力学性能差。因此很多镁电池正极材料的过电位比较大，镁离子的嵌入程度低。找到具有快速动力学、高能量密度的正极材料成为镁电池发展的主要挑战。

镁硫电池以硫作为正极，以镁金属作为负极，其理论能量密度为1700Wh/kg和3200Wh/L。同时硫作为镁电池正极材料，进行固液两相反应，可取得较快的反应动力学。因此，相比于传统的锂离子电池，镁硫电池具有更好的安全性能，更低的价格，以及更高的能量密度等。但是相比于传统的锂离子电池和锂硫电池，镁硫电池的发展还处于初级阶段。限制镁硫电池发展的因素主要有：硫及其最终放电产物MgS和MgS₂是绝缘体，反应活性差，导致电池可逆性差；另外，硫在充放电过程中会形成多硫离子，多硫离子的穿梭效应会导致镁负极的钝化。为解决以上问题，科研人员通常设计S/C复合材料来提高正极的导电性，同时减轻穿梭效应。但是碳材料的加入降低了复合正极的容量，同时提高了电解液的用量，降低了镁硫电池整体的能量密度。另外，碳材料对多硫离子的吸附能力有限，并不能抑制穿梭效应，因此镁硫电池的循环性能难以获得大的提升。大多数S/C复合正极材料在100个循环内的容量保持率低于50％，正极的整体容量普遍低于200mA h/g，并且硫的容量利用率较低(低于400mA h/g)。

发明内容

本发明的目的是提供一种镁硫电池及过渡金属硫化物/硫复合正极材料和复合方法，能够在保持镁硫电池高能量密度的同时，提高其循环稳定性。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种镁硫电池，包括含过渡金属硫化物/硫复合正极材料的正极、镁离子电解液以及镁金属负极；

其中，所述过渡金属硫化物/硫复合正极材料中，过渡金属硫化物为M_xS_y，M为阳离子，包括：Mo、Ti、Cu、Co、V、Fe、Cr、Ni、Mn、Zn、Sc、Nb、Mo、Zr、W、Re、Ta中的一种或多种；1≤x≤9，1≤y≤9，且x、y的取值满足保持化合物电中性；所述过渡金属硫化物/硫复合正极材料中，硫源包括单质硫、MgS、多硫化镁MgS_z中的一种或多种；其中1＜z≤4；

所述过渡金属硫化物/硫复合正极材料中，硫的质量百分比为5％～95％。

优选的，所述过渡金属硫化物/硫复合正极材料还包括碳材料；