一种镁锂双离子电池复合正极材料及其制备方法和应用、电池体系技术

本发明专利技术提供了一种镁锂双离子电池复合正极材料及其制备方法和应用、电池体系，属于镁离子电池领域。本发明专利技术中聚苯胺层对复合正极材料有保护作用，PANI涂覆的VS4/rGO具有更高的导电性和更完整的结构，有利于实现大电流密度下的充放电；PANI导电层不参与电化学反应，包覆于VS4表面提高了其导电性能，能够很好的适应大电流密度下的充放电过程，同时，PANI层减小了核心VS4在充放电过程中的活性物质损失，从而保持了结构完整性；PANI层使VS4能更好地适应Mg

A Composite Cathode Material for Magnesium-Lithium Dual-Ion Batteries and Its Preparation, Application and Battery System

【技术实现步骤摘要】
一种镁锂双离子电池复合正极材料及其制备方法和应用、电池体系
本专利技术属于镁离子电池
，尤其涉及一种镁锂双离子电池复合正极材料及其制备方法和应用、电池体系。
技术介绍
在“后锂离子电池”时代，锂离子电池仍然是实用化二次电池的主体，但近年来由于锂离子电池导致的安全事故不断，加之锂资源非常有限，促使人们将目光转向能够代替锂离子电池的新型安全可靠的二次电池。镁作为一种储量丰富的金属元素，具有较高的安全性，较低的成本以及与锂相当的容量。因而镁离子电池以及用于解决镁离子电池自身缺陷的镁锂双离子电池备受研究人员的关注。镁离子电池虽具备镁阳极的诸多优势，但组装成电池则具有很多亟待解决的问题，例如电解液与阳极、正极集流体的匹配问题，镁离子在正极嵌入/脱嵌的缓慢动力学问题等。向镁离子电解液中添加锂盐使正极中发生锂离子的嵌入/脱嵌或镁离子和锂离子的共嵌入/脱嵌，可以解决镁离子嵌入动力学缓慢的问题，并保留镁阳极的优势。但电池稳定循环容量偏低，循环稳定性较差仍然制约着镁离子电池的发展。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种镁锂双离子电池复合正极材料及其制备方法和应用、电池体系。本专利技术提供的镁锂双离子电池复合正极材料包括VS4/rGO纳米复合材料和包裹VS4/rGO纳米复合材料的聚苯胺层，具有循环稳定、循环容量高的优点。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种镁锂双离子电池复合正极材料，包括VS4/rGO纳米复合材料和包裹所述VS4/rGO纳米复合材料的聚苯胺层，所述VS4负载在还原氧化石墨烯上。优选地，所述VS4/rGO纳米复合材料的形貌为VS4纳米带以及由VS4纳米带堆砌而成的纳米花，所述VS4/rGO纳米复合材料具有二维和三维的分级微观结构。优选地，所述VS4/rGO纳米复合材料与聚苯胺层的质量比为4:1～5:1。优选地，所述VS4/rGO纳米复合材料中rGO的含量为2.0～3.0wt.％。本专利技术还提供了上述技术方案所述的镁锂双离子电池复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯、水、Na3VO4和硫代乙酰胺混合后进行水热反应，得到VS4/rGO纳米复合材料；将所述VS4/rGO纳米复合材料、苯胺和HCl溶液混合后，加入过硫酸铵的HCl溶液，进行聚合反应，得到所述镁锂双离子电池复合正极材料。优选地，所述Na3VO4和硫代乙酰胺的摩尔比为1:5～1:6。优选地，所述水热反应的温度为160～180℃，所述水热反应的时间为20～24h。优选地，所述苯胺与过硫酸铵的摩尔比为1:1。本专利技术还提供了上述技术方案所述的镁锂双离子电池复合正极材料在镁锂双离子电池中的应用。一种电池体系，阳极为镁箔，隔膜为WhatmanGF/F，以无水AlCl3、PhMgCl以及LiCl在四氢呋喃中合成的产物为电解液，阴极为由上述技术方案所述的镁锂双离子电池复合正极材料、导电炭黑和聚偏二氟乙烯制得的正极极片。本专利技术提供了一种镁锂双离子电池复合正极材料，包括VS4/rGO纳米复合材料和包裹所述VS4/rGO纳米复合材料的聚苯胺层，所述VS4负载在还原氧化石墨烯上。本专利技术提供的镁锂双离子电池复合正极材料以VS4/rGO为核，PANI(聚苯胺)涂层为壳的核壳结构材料具有结构简单，成本低廉，循环稳定，循环容量高的优点，聚苯胺层对复合正极材料有保护作用，相比直接暴露于电解液环境的VS4/rGO，PANI涂覆的VS4/rGO具有更高的导电性和更完整的结构，有利于实现大电流密度下的充放电(100mAh·g-1，200mAh·g-1，300mAh·g-1，500mAh·g-1)，使得镁锂双离子电池的发展和应用具备较大的潜力；PANI导电层不参与电化学反应，包覆于VS4表面提高了其导电性能，能够很好的适应大电流密度下的充放电过程，同时，PANI层减小了核心VS4在充放电过程中的活性物质损失，例如充放电过程活性物质的脱落和溶解，从而保持了结构完整性；PANI层使VS4能更好地适应Mg2+和Li+嵌入脱嵌导致的体积变化，并且减小了集流体上活性物质的损失，从而显著提高了阴极材料的稳定循环容量，电池在100mA·g-1电流密度下经过100次循环后仍能保持稳定的180.0mAh·g-1的容量，相比未涂覆PANI的VS4/rGO材料提高了35.3％；VS4负载在还原氧化石墨烯上，不会发生团聚，可对镁锂双离子电池的发展应用有所启发。实施例的数据表明，本专利技术提供的镁锂双离子电池复合正极材料表现出优异的电化学性能：1)极高的首次放电比容量，最高可达635.0mAh·g-1；2)可逆循环过程，容量保持稳定、衰减极低，100mA·g-1电流密度下保持高达180.0mAh·g-1的比容量；3)具有较高的倍率性能，倍率容量，在500mA·g-1的高电流密度下仍然能表现出142.0mAh·g-1的放电比容量。4)相比于许多镁锂双离子电池，以PANI涂覆的VS4/rGO纳米复合物为阴极材料的镁锂双离子电池具有较高的平均放电电压，于1.25～1.4V和0.8～1.1V的范围内。附图说明图1为实施例1镁锂双离子电池复合正极材料的开路电压测试曲线；图2为实施例1镁锂双离子电池复合正极材料的循环容量和库伦效率曲线；图3为实施例1镁锂双离子电池复合正极材料前三次的电压容量图；图4为实施例1镁锂双离子电池复合正极材料的倍率性能测试曲线；图5为实施例1镁锂双离子电池复合正极材料的循环伏安测试曲线；图6为实施例1镁锂双离子电池复合正极材料在不同倍率下的扫描电子显微镜测试谱图；图7为实施例1镁锂双离子电池复合正极材料在不同倍率下的透射电子显微镜谱图；图8为实施例1镁锂双离子电池复合正极材料的能谱测试图；图9为实施例1镁锂双离子电池复合正极材料的X射线衍射图。具体实施方式本专利技术提供了一种镁锂双离子电池复合正极材料，包括VS4/rGO纳米复合材料和包裹所述VS4/rGO纳米复合材料的聚苯胺层，所述VS4负载在还原氧化石墨烯上。在本专利技术中，所述VS4/rGO纳米复合材料的形貌为VS4纳米带以及由VS4纳米带堆砌而成的纳米花，所述VS4/rGO纳米复合材料具有二维和三维的分级微观结构。在本专利技术中，所述VS4/rGO纳米复合材料与聚苯胺层的质量比优选为4:1～5:1。在本专利技术中，所述VS4/rGO纳米复合材料中rGO的含量优选为2.0～3.0wt.％，更优选为2.7～3.0wt.％。本专利技术还提供了上述技术方案所述的镁锂双离子电池复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯、水、Na3VO4和硫代乙酰胺混合后进行水热反应，得到VS4/rGO纳米复合材料；将所述VS4/rGO纳米复合材料、苯胺和HCl溶液混合后，加入过硫酸铵的HCl溶液，进行聚合反应，得到所述镁锂双离子电池复合正极材料。本专利技术将氧化石墨烯、水、Na3VO4和硫代乙酰胺混合后进行水热反应，得到VS4/rGO纳米复合材料。在本专利技术中，所述Na3VO4和硫代乙酰胺的摩尔比优选为1:5～1:6。在本专利技术中，所述氧化石墨烯与Na3VO4的质量比优选为1:27～1:28，更优选为1:27.5～1:28。在本专利技术中，所述氧化石墨烯与水的用量比优选为75～80mg：150～160mL。在本专利技术中，所述水热反应的温度优选为160本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镁锂双离子电池复合正极材料，其特征在于，包括VS4/rGO纳米复合材料和包裹所述VS4/rGO纳米复合材料的聚苯胺层，所述VS4负载在还原氧化石墨烯上。

【技术特征摘要】
1.一种镁锂双离子电池复合正极材料，其特征在于，包括VS4/rGO纳米复合材料和包裹所述VS4/rGO纳米复合材料的聚苯胺层，所述VS4负载在还原氧化石墨烯上。2.根据权利要求1所述的镁锂双离子电池复合正极材料，其特征在于，所述VS4/rGO纳米复合材料的形貌为VS4纳米带以及由VS4纳米带堆砌而成的纳米花，所述VS4/rGO纳米复合材料具有二维和三维的分级微观结构。3.根据权利要求1所述的镁锂双离子电池复合正极材料，其特征在于，所述VS4/rGO纳米复合材料与聚苯胺层的质量比为4:1～5:1。4.根据据权利要求1或3所述的镁锂双离子电池复合正极材料，其特征在于，所述VS4/rGO纳米复合材料中rGO的含量为2.0～3.0wt.％。5.权利要求1～4任一项所述的镁锂双离子电池复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将氧化石墨烯、水、Na3VO4和硫代乙酰胺混合后进行水热反应，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢惠民，景鹏程，杨文文，曹媛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11