[发明专利]一种用于镁硫电池负极的碳包覆镁纳米颗粒及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于镁硫电池负极的碳包覆镁纳米颗粒及其制备方法。采用简单的球磨混合辅助高温焙烧的方法制备碳包覆镁纳米颗粒复合材料，该复合材料可作为镁硫电池的负极材料。该方法既扩大了镁的比表面积，提高了反应的活性，也可以大大降低负极镁的重量，提高整体的能量密度，此外，碳包覆可以避免镁与电解液发生副反应产生惰性的SEI膜，这有利于电化学反应的顺利进行。

技术领域

本发明涉及一种用于镁硫电池负极的碳包覆镁纳米颗粒及其制备方法，属于化学电源领域。

背景技术

可充二次电池的开发是解决可再生能源存储问题的关键。在当前众多的二次电池中，锂离子电池在便携式设备的应用取得了最大的成功。然而传统的锂离子电池在能量密度、安全性等方面难以满足电动汽车、电网存储等新兴市场的快速发展需求。因此，开发安全且能量密度高的新型二次电池储能体系成为了一个亟待解决的全球性问题。硫单质具有高的理论质量比容量(1675 mA·h/g)和体积比容量(3459 mA·h/cm³)，被认为是最有前景的正极材料之一。以硫为正极的锂硫(Li-S)电池具有 2500 W·h/kg 的理论能量密度，是商业锂离子电池的5倍以上。然而，金属锂和电解液界面会发生持续不良的副反应，导致“死锂”的产生和电解液的损耗，严重影响Li-S电池的容量和循环寿命。此外，金属锂在充放电过程中易形成枝晶，引起电池短路甚至爆炸，存在严重的安全性问题。金属镁作为金属锂的对角线元素，二者化学性质相似，而且金属镁的还原电势[-2.37 V vs. 标准氢电极(SHE)]较低，是一种非常有潜力的多价态电池负极材料。与金属锂相比较，金属镁负极具有诸多的优势：

1）体积比容量高（3833 mA·h/cm³ vs. 2062 mA·h/cm³），约为金属锂的两倍，这意味着未来商业化的镁电池占用的空间可以更加小；

2）储量丰富，成本低廉（~$2700/吨 vs. ~$64000/吨），有助于降低未来电池的生产成本。

3）金属镁没有金属锂活泼，暴露在空气或者水中具有更高的安全性。

4）镁离子具有较低的扩散系数，使得镁在电沉积的过程中并不容易生成枝晶，安全性好。

将金属镁与非金属硫进行匹配得到的镁硫（Mg-S）电池的理论能量密度大于3260Wh/L。因此，镁硫电池引起了大家广泛的关注。

但是金属镁具有较强的还原性，其表面极易被氧化，生成一层不能传导电子和镁离子的钝化层。尽管目前己经开发了一系列能够可逆沉积溶解镁的电解液，但镁在其中依然较为敏感，痕量的水或者杂质会很快地在镁片表面还原，生成氧化镁、碳酸镁等物质，使得镁负极在电化学循环过程中依旧存在被钝化的风险。此外镁的电化学活性较低，反应速率较慢，极化较大。由于上述因素，直接使用金属镁片作为镁硫电池负极不能取得良好的电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于镁硫电池负极的碳包覆镁纳米颗粒及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种碳包覆镁纳米颗粒及其制备方法，采用球磨法辅助高温焙烧的方法制备，包括以下步骤：

第一步，将碳源粉末、镁粉按一定质量比放入球磨罐中，球磨一段时间；

第二步，将球磨得到的粉料放入真空管式炉中，在保护气体氛围下，于一定温度下焙烧一定时间得到碳包覆的镁纳米颗粒复合材料。

较佳的，第一步中，碳源为含有碳、氧等元素的高分子材料，优选葡萄糖、蔗糖、纤维素、氧化石墨烯等中任意一种或几种。

较佳的，第一步中，碳源与镁粉的质量比为1:1-1:5。

较佳的，第一步中，球料比为3:1-10:1，球磨的时间为1-6 h，转速为300-600转/min。

具体的，第二步中，保护气体为N₂或Ar。