[发明专利]一种碳包覆磷酸钛镁电极材料及其制备方法和碳包覆磷酸钛镁复合电极

说明书

本发明属于电极材料技术领域，本发明提供一种碳包覆磷酸钛镁电极材料及其制备方法和碳包覆磷酸钛镁复合电极。本发明使用反应时间短和温度低的溶剂热法合成形貌均匀的磷酸钛镁前驱体，经过二次烧结合成纯度高的磷酸钛镁；再和葡萄糖复合后，经过一次烧结形成碳包覆的磷酸钛镁。其形貌为三维隧道结构，复合在磷酸钛镁表面的碳层厚度为3～5nm。本发明通过提升磷酸钛镁的导电性来改善磷酸钛镁电极材料的倍率性能以及延长其循环寿命。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种碳包覆磷酸钛镁电极材料及其制备方法和碳包覆磷酸钛镁复合电极。

背景技术

镁离子电池作为锂离子电池的替代品成为下一代电化学储能技术已显示出巨大的优势。与锂相比，镁在地球上资源丰富、分布均匀、易于开采，具有先天的成本优势。由于Mg²⁺的二价性质，镁的体积容量为3833mAh/cm³，比锂(2046mAh/cm³)的容量更大。最重要的是，与锂和钠金属阳极不同，镁金属可以在周围环境中安全处理，并且在沉积时不会生长枝晶，这表明在实际应用中具有更高的安全性。

钠超离子结构NASICON其本身的高安全性和长寿命用于电池非常有吸引力。NASICON结构材料具有快速离子扩散能力的开放骨架结构，使得其能够在碱金属离子或碱土金属离子在嵌入迁出的时候结构不会发生大的变化，造成结构塌陷影响循环寿命。钛基磷酸盐骨架材料具有较高的结构稳定性、易于生产和丰富的结构多样性。镁比同周期的钠具有更小的原子半径，更高的比表面电荷密度，所以镁离子的极化效应也比钠离子要强。磷酸钛镁在电化学性能上也与磷酸钛钠表现出不一样的特点，其作为锂离子电池的替代品也存在一定的潜力。

磷酸钛镁拥有NASICON结构材料的优异特性，但是也不可避免的在导电性方面表现不佳，导致其倍率性能差和循环衰减较大。通常的改进方法有制备纳米尺寸材料、金属掺杂、高导电材料修饰以及碳层包覆等。与其它的改进方式相比碳层包覆具有操作简单和碳源丰富等优点。

因此，通过改进磷酸钛镁，研究开发一种导电性、倍率性能优异以及循环寿命长的磷酸钛镁电极材料，其作为下一代大规模储能的候选材料无疑是具备很强潜力。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种碳包覆磷酸钛镁电极材料及其制备方法和碳包覆磷酸钛镁复合电极。本发明使用反应时间短和温度低的溶剂热法合成形貌均匀的磷酸钛镁前驱体，经过二次烧结合成纯度高的磷酸钛镁；再和葡萄糖复合后，经过一次烧结形成碳包覆的磷酸钛镁。其形貌为三维隧道结构，复合在磷酸钛镁表面的碳层厚度为3～5nm。本发明通过提升磷酸钛镁的导电性来改善磷酸钛镁电极材料的倍率性能以及延长其循环寿命。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳包覆磷酸钛镁电极材料的制备方法，包含如下步骤：

1)将二水合乙酸镁和磷酸二氢铵的混合溶液与钛酸正丁酯溶液混合后进行反应，得到前驱体；

2)将前驱体顺次进行第一次研磨、第一次烧结、第二次研磨、保护气氛下第二次烧结，得到磷酸钛镁；

3)将磷酸钛镁、葡萄糖和乙醇溶液混合后顺次进行干燥、细化处理、烧结，得到碳包覆磷酸钛镁电极材料。

作为优选，步骤1)所述二水合乙酸镁、磷酸二氢铵、钛酸正丁酯的质量体积比为0.4～0.7g：1.5～2.5g：2～5mL；混合溶液中的溶剂为水；所述二水合乙酸镁和水的质量体积比为0.4～0.7g：10～30mL；所述钛酸正丁酯溶液中的溶剂为无水乙醇；钛酸正丁酯和无水乙醇的体积比为2～5：50～70。

作为优选，步骤1)所述混合的时间为2～4h；所述反应的温度为 140～180℃，反应的时间为2～4h。