[發明專利]一種納米黑磷烯在鎂離子電池負極材料中的應用

有效

• 申請號: 202010423996.2
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111554917B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 賈冬玲
• 申請（專利權）人: 上海健康醫學院
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M10/054
• 代理公司: 杭州知閑專利代理事務所(特殊普通合伙) 33315
• 代理人: 朱朦琪

本發明公開了一種納米黑磷烯在鎂離子電池負極材料中的應用，該納米黑磷烯的片層厚度≤10nm，片層尺寸≤500nm。本發明首次公開了納米黑磷烯在鎂離子電池負極材料中的應用，采用納米黑磷烯作為鎂離子電池負極材料，將鎂離子電池從不能使用傳統常規簡單離子鹽/有機電解液體系的困境中解放出來，為進一步開發高電壓正極材料及提高鎂離子電池的高能量密度提供了可能。

技術領域

本發明涉及鎂離子電池的技術領域，尤其涉及一種納米黑磷烯在鎂離子電池負極材料中的應用。

背景技術

近年來，傳統化石能源日趨殆盡，而人類對能源的需求不斷增大，同時傳統化石能源的使用過程造成的環境污染嚴重，人類未來能源系統面臨著嚴峻的挑戰。尋找并開發清潔可再生能源是當務之急。目前，具有應用潛力的新型能源有氫能、生物質能、核能、風能和太陽能等，然而當前，各可再生能源之間的高效轉化和存儲還是比較困難。因此，為實現人們對可再生能源的有效利用，必須發展便捷高效的新型儲能技術。

鎂離子電池由于鎂資源豐富低成本、體積容量高(3833mAh/cm³)、無枝晶形成安全性好等優勢，在大型動力電池系統中具有良好的應用前景，正迅速成為一種很有前途的儲能和轉換技術。但金屬鎂還原性較強，容易與傳統電解液反應形成致密的鈍化膜，使得鎂離子不能通過，阻止了鎂離子的可逆沉積/溶解反應。因此，如果選擇鎂金屬為負極，具有較寬電化學工作窗口和穩定的傳統電解液就不能使用，這就阻礙了具有高電位和高比容量的正極材料的開發，因此，研究其他材質的鎂離子電池負極材料替代鎂金屬負極，對開發高電壓正極材料和鎂離子全電池具有重要意義。由于鎂離子電荷密度大與電極材料有很強的庫倫作用，鎂離子在電極材料中的擴散緩慢，導致大多數負極材料的脫嵌鎂離子并不理想，所以，尋找適用于鎂離子電池負極材料的材料成為當前研究的熱點。

黑磷是一種具有金屬光澤的晶體，具有褶皺層狀結構。常溫常壓下，黑磷是單質磷的同素異形體中最為穩定的一種。黑磷具有可調節的直接帶隙，且當層數和尺寸合適時，其有較高的載流子遷移率(最高為6.5×10⁴cm²/Vs)和明顯的各向異性。黑磷具有低工作電位(0.15V vs.Mg²⁺/Mg)和高理論比容量(2596mAh·g^-1)，在能源存儲能領域具有良好的應用前景。納米黑磷作為鋰離子和鈉離子電池負極材料，已經得到相關報道和應用，但相對于鋰離子和鈉離子電池，鎂離子電池中，由于鎂離子離子半徑小且帶兩個電荷，鎂離子電荷密度大，使得鎂離子與電極材料有很強的庫倫作用，引起鎂離子在電極材料中的擴散緩慢，導致大多數鋰/鈉離子的電池材料當用作鎂離子電池材料時性能很差甚至不具有電化學活性。目前，僅有Bi、Bi-Sb、Sn、Pb、Bi-Sn、Ga-Mg等少數幾種合金型負極材料被報道具有嵌/脫鎂離子的可逆性，且電化學比容量和循環性能仍不能滿足需求，黑磷及黑磷烯作為新興的二維材料，在鎂離子電池負極材料方面的儲鎂電化學活性還未見報道。

發明內容

針對上述問題，本發明首次公開了一種特定形貌的納米黑磷烯在鎂離子電池負極材料中的應用，采用納米黑磷烯作為鎂離子電池負極材料，將鎂離子電池從不能使用傳統常規簡單離子鹽/有機電解液體系的困境中解放出來，為進一步開發高電壓正極材料及提高鎂離子電池的高能量密度提供了可能。

具體技術方案如下：

一種納米黑磷烯在鎂離子電池負極材料中的應用，所述納米黑磷烯的片層厚度≤10nm，片層尺寸≤500nm。

本發明首次公開了納米黑磷烯在鎂離子電池負極材料中的應用，經試驗發現，當納米黑磷烯的片層厚度≤10nm，片層尺寸≤500nm時，具有低厚度和小橫向片徑尺寸的納米黑磷烯縮短了鎂離子的擴散距離，以及納米黑磷烯之間的孔隙有利于電解液的浸潤，促進了鎂離子的擴散，同時小尺寸能緩沖鎂離子嵌入/脫出的結構變化，提高結構的穩定性，增強了嵌/脫鎂離子的可逆性，使得納米黑磷烯作為鎂離子電池負極材料成為可能。