CN103872304A - 一种新型镁二次电池电极材料及其应用 - Google Patents

一种新型镁二次电池电极材料及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有特定颗粒尺寸的镁二次电池电极材料及其制备方法。其化学式为MgxLiyTizOw(0.5＜x＜2，0＜y≤1/3,5/3≤z＜2,4≤w＜5)。将该据此发明制得的材料应用于镁离子电池，电池具有充放电容量高，循环稳定性好，倍率性能好的优点。

Description

一种新型镁二次电池电极材料及其应用
技术领域
本发明属于电化学电源领域，涉及一种镁二次电池电极材料及其制备方法。
背景技术
随着人类社会的发展，全球能源资源的短缺与人们对能源的需求量日益增加的矛盾越来越尖锐。开发具有高能量密度的电池体系成为当前电源系统的主要目标。作为地球上储量最丰富的轻金属元素之一的镁，由于其良好的物化性能被广泛应用于很多领域。现在对于二次镁电池的研究很多，都是基于二次锂离子电池之上的。由于在元素周期表中镁和锂处于对角线位置，除了它们具有类似的原子半径和化学性质之外，镁的熔点（648.8℃）比锂的熔点（180.5℃）要高的多，也没有锂的金属活动性强，所以安全性上二次镁电池要更好。虽然质量比容量没有锂（3862mAh g-1）那么高，但也相当可观(2205mAh g-1)。而且我国镁资源极其丰富，镁价格上要远远低于锂,而且镁对环境友好，所以二次镁电池越来越受到人们的关注。
目前对镁离子电池的研究主要集中在可使镁金属可逆的溶解/沉积的电解液和能够可逆嵌脱镁离子的材料上。然而现有的镁离子电池电极材料存在着以下几个问题:①过渡金属氧化物与硫化物和传统的镁电池电解质溶液不兼容；②镁的动力学嵌入通常非常缓慢；③镁的嵌入量非常低；④充、放电电压差异非常大，也就是有高的过电位；⑤在多次循环下，容量衰减严重。虽然单纯的钛酸镁（赵明,焦丽芳,袁华堂,王伟,王永梅。可充镁电池正极材料MgTi2O5的研究。南开大学学报（自然科学版），2006,39：39-42）在镁电池体系中虽然已有相关报道，但是其只报道了可逆行为并无电池材料容量报道。此外，本课题组将纯相的钛酸锂作为镁离子电池负极材料（郭玉国,吴娜,吴兴隆,殷雅侠,万立骏；一种镁二次电池负极材料及其应用；申请号：201310295729.1；申请日:2013.07.16）进行研究，取得一定成果，电池表现出较高的容量和很好的循环稳定性。然而促进镁电池的进一步发展，需要更多电极材料的开发。而钛酸锂镁作为镁离子电池电极材料尚未见有人报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较高比容量和循环稳定性的钛酸锂镁电极材料，并成功地实现了此材料在镁离子电池中的应用，提高了镁离子电池的性能。
本发明所提供的应用是所述钛酸锂镁作为镁离子电池电极材料的应用。
本发明提供的制备所述钛酸锂镁电极材料的方法，为采用锂源化合物，镁源化合物和钛源化合物共混，结合高温烧结工艺，制备得到具有特定纳米尺寸的最终产物。具体包括如下步骤：
将锂源化合物，镁源化合物，钛源化合物按照Li:Mg:Ti=0～1/3:1～2:5/3～2的比例制备成共混液，加入表面活性剂。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中，蒸干溶剂后，得到白色固体。将固体在一定温度下煅烧10-40h，得不同颗粒尺寸的最终产物钛酸锂镁。优选地，煅烧温度为400－800℃，更优选，煅烧温度为500－700℃。
优选地,按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取，加入乙醇/水作为溶剂，加入硬脂酸配成均一的溶液。将均匀混合的溶液，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。
本发明中所提供的镁离子电池由电极材料钛酸锂镁，金属镁，电解液体系三部分组成。
其中本发明中组装的镁离子电池所采用的电解液体系包括格氏试剂（Grignard）衍生物的醚电解液，镁锂共混盐电解液体系以及简单镁离子盐有机电解液体系。
具体地，本发明提供如下几项发明：
1.一种钛酸锂镁，其化学式为MgxLiyTizOw(0.5＜x＜2，0＜y≤1/3,5/3≤z＜2,4≤w＜5)，其粒径分布在20-200nm之间。
2.如项1所述的钛酸锂镁，其特征在于：通过以下步骤制备：
将特定的锂源、镁源、钛源按照特定比例制备成共混液，加入表面活性剂。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中，蒸干溶剂后，得到白色固体，将固体在特定温度下煅烧得具有特殊纳米尺寸的最终产物钛酸锂镁;
所述反应溶液中锂源、镁源和钛源的摩尔比为0～1/3:0.5～2:5/3～2，优选为1/3:1：5/3；镁源与表面活性剂的摩尔比为100～2000：1；
所述固体的煅烧温度为400－800℃，优选500－700℃；
所述固体的煅烧时间为10-40h，优选10-20h；
所述锂源可选自Li2CO3、LiOH、Li、LiNO3、CH3COOLi、LiCl、LiF中的一种或多种，优选LiCl；
所述锂源可选自MgCO3、Mg(OH)2、Mg、Mg(NO3)2、Mg(CH3COO)24H2O、Mg(C2O4)22H2O、MgCl2中的一种或多种，优选MgCl2；
所述钛源为钛酸四正丁酯、TiSO4、TiCl4、异丙醇钛中的一种或多种，优选TiCl4。
所选表面活性剂可选自硬脂酸，十二烷基苯磺酸钠，N,N-二(2-羟基乙基)乙烯二胺，季铵化物，脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦（司盘），聚山梨酯（吐温），(C3H6O-C2H4O)x，卵磷脂,中的一种或多种，优选硬脂酸、脂肪酸山梨坦（司盘）、N,N-二(2-羟基乙基)乙烯二胺或(C3H6O-C2H4O)x。
4.如项1-2任一所述的钛酸锂镁作为镁离子电池电极材料的应用。
5.如项3所述的镁离子电池电极，其特征在于所述镁离子电池电极材料含有项1-3任一所述的钛酸锂镁电极材料以及含有导电添加剂、粘结剂和相应溶剂。
6.如项4所述的电极材料，其特征在于：组装的镁离子电池，采用的电解液体系包括格氏试剂（Grignard）衍生物的醚电解液，镁锂共混盐电解液体系以及简单镁离子盐有机电解液体系。
其中格氏试剂（Grignard）衍生物的醚类电解液，格氏试剂（Grignard）衍生物选自Mg(AlX3-nRn’R’n”)m(AlX’3-n”’R”n””R”’n””’)2-m型配合物中的至少一种,其中X为氯或溴，R为甲基、乙基、丙基、异丙基、烯丙基、丁基、苯基、萘基、对烷基苯基或间烷基苯基，0≤n≤3,0≤m≤2，优选为Mg(AlCl2EtBu)2或(PhMgCl)2-AlCl3；所述醚类电解液中，醚类溶剂选自四氢呋喃、1,4-二氧杂环己烷、1,3-二氧戊杂环己烷环、乙二醇二甲醚和三乙二醇二甲醚中的至少一种，更优选四氢呋喃；镁盐浓度为0.1-1M，优选0.25-0.5M，更优选的为0.25M。
在镁锂共混盐电解液体系中，镁盐优选格氏试剂（Grignard）衍生物，其中格氏试剂衍生物选自Mg(AlX3-nRn’R’n”)m(AlX’3-n”’R”n””R”’n””’)2-m型配合物中的至少一种,其中X为氯或溴，R为甲基、乙基、丙基、异丙基、烯丙基、丁基、苯基、萘基、对烷基苯基或间烷基苯基，0≤n≤3,0≤m≤2，优选为Mg(AlCl2EtBu)2或(PhMgCl)2-AlCl3。所述醚类电解液中，醚类溶剂选自四氢呋喃、1,4-二氧杂环己烷、1,3-二氧戊杂环己烷环、乙二醇二甲醚和三乙二醇二甲醚中的至少一种，更优选四氢呋喃；镁盐浓度为0.1-1M，优选0.25-0.5M；锂盐优选六氟磷酸锂、高氯酸锂、硝酸锂、氯化锂和二（三氟甲基磺酰）亚胺锂中的至少一种，更优选氯化锂；
在镁盐碳酸酯类有机电解液中，镁盐优选三氟甲基磺酸镁、氯化镁、硝酸镁、高氯酸镁，优选氯化镁；优选地，所述碳酸酯类电解液中，溶剂选自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯中的至少一种，溶质选自硝酸镁、高氯酸镁、氯化镁中的至少一种。
优选地，所述镁离子电池电极由项1－5任一所述的钛酸锂镁材料制得。
7、如项4所述的电极，其特征在于：优选地，所述导电添加剂为碳黑、Super-P、科琴黑中的一种或多种：
优选地，所述粘结剂及相应溶剂为聚偏氟乙烯（PVDF）（以N-甲基吡咯烷酮（NMP）为溶剂）或聚丙烯酸（PAA）、羧甲基纤维素钠（CMC）、丁苯橡胶/羧甲基纤维素钠、海藻酸钠（SA）、明胶（均以水为溶剂）中的一种或多种；优选地，所述粘结剂为海藻酸钠，优选地所述海藻酸钠以水溶液的形式使用。
8、如项4或5所述镁离子电池电极的制备方法，该方法包括将所述钛酸锂镁电极材料，经制浆、涂片、干燥的工艺流程制得。
9.一种能量存储元件，其特征在于：所述能量存储元件含有项1－2任一所述的电极材料。
10.一种便携式电子设备，其特征在于：所述便携式电子设备使用项9所述的能量存储元件。本发明还提供一种便携式电子设备，该电子设备使用上述能量存储元件，该便携式电子设备优选移动电话、照相机、摄像机、MP3、MP4、笔记本电脑。
本发明提供的制备钛酸锂镁的方法简单，原料易得，适宜大规模生产，实用化程度高。且得到的钛酸锂镁为纳米级，大大缩小了镁离子的扩散路径，提高了产物的电化学活性，可直接作为电池的电极材料使用。
附图说明
图1为实施例1制备的钛酸锂镁的X射线衍射（XRD）图。
图2为实施例1制备的钛酸锂镁的扫描电镜（SEM）图。
图3为实施例1制备的钛酸锂镁装配成镁离子电池在C/20条件下的充放电曲线。
图4为实施例1制备的钛酸锂镁装配成镁离子电池的放电容量与循环次数曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取按LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。
用粉末X射线衍射仪（Rigaku DmaxrB，CuKα射线）分析确证结构。结果如图1所示。从图中可以看出，谱图中杂质峰较弱，说明产物纯度较高的钛酸锂镁。
用扫描电子显微镜（JEOL-6700F）表征了钛酸锂镁的形貌，如图2所示。由图可见，该材料的颗粒粒径范围为20-200nm。
钛酸锂镁的电化学性能表征：
将制备得到的钛酸锂镁、碳黑和粘结剂以质量比70：20：10混合配成浆料，均匀地涂敷到铜箔集流体上得到工作电极，以镁金属薄片作为对电极，玻璃纤维膜（英国Whatman公司）作为隔膜，0.25mol/LMg(AlCl2EtBu)2/THF作为电解液，在手套箱中装配得到Swagelok型电池。
将上述装配的电池在Arbin BT2000充放电测试仪上进行充放电测试，测试的充放电区间为0-2.1V。
结果如图3和图4所示，电池具有很好的充放电曲线以及很好的循环稳定性。可见，本发明中合成的钛酸锂镁用作镁离子电池电极材料时，电池具有良好的电化学性能。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
为简化说明，下述实施例2－24中模拟电池的制备方法同实施例1。
实施例2、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在800℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例3、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在400℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例4、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧5h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例5、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧20h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例6、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧40h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例7、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/9:1：17/9的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例8、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=2/3:1：4/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例9、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1.3：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例10、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:0.8：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例11、制备钛酸锂镁
按Li2CO3：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取Li2CO3、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。将均匀混合的溶液，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例12、制备钛酸锂镁
按LiOH：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiOH、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。将均匀混合的溶液，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例13、制备钛酸锂镁
按LiNO3：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiNO3、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。将均匀混合的溶液，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例14、制备钛酸锂镁
按LiNO3：Mg(NO3)2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiNO3、Mg(NO3)2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。将均匀混合的溶液，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例15、制备钛酸锂镁
按LiNO3：MgCO3：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiNO3、MgCO3、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。将均匀混合的溶液，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例16、制备钛酸锂镁
按LiNO3：Mg：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiNO3、Mg、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。将均匀混合的溶液，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例17、制备钛酸锂镁
按LiNO3：MgCl2：TiSO4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiNO3、MgCl2、TiSO4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。将均匀混合的溶液，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例18、制备钛酸锂镁
按LiNO3：MgCl2：异丙醇钛=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiNO3、MgCl2、异丙醇钛，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入硬脂酸，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。将均匀混合的溶液，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例19、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiNO3、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入脂肪酸山梨坦（司盘），加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例20、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入十二烷基磺酸钠，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例21、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入N,N-二(2-羟基乙基)乙烯二胺，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例22、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入(C3H6O-C2H4O)x，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例23、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入卵磷脂，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
实施例24、制备钛酸锂镁
按LiCl：MgCl2：TiCl4=1/3:1：5/3的摩尔比称取LiCl、MgCl2、TiCl4，按Mg：表面活性剂的摩尔比为232的比例加入脂肪酸甘油，加入乙醇/水作为溶剂，配成均一的溶液。。采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度。将均一粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中烘干溶剂。将所得固体，在600℃下煅烧10h。反应完毕，得到粉末状固体。本实施例中制备得到的钛酸锂镁及模拟电池测试结果列于表1。
表1、钛酸锂镁材料的制备条件及模拟电池测试结果
Figure BDA0000478572870000141
Figure BDA0000478572870000151
根据表1的结果和可以看出，本发明以乙醇/水为反应媒介，分别利用选取适当的锂源、镁源和钛源，通过控制合适的反应条件（表面活性剂，煅烧温度和时间），可方便制备出具有特定纳米尺寸的钛酸锂镁。利用本发明方法不但可以大大降低材料的制备成本，而且本发明得到的钛酸锂镁用于镁离子电池均显示了较高的比容量（100mA h/g以上）。其中使用LiCl、MgCl2、TiCl4分别作为锂源、镁源和钛源效果尤其好。
实施例25、钛酸锂镁的电化学性能表征
选取实施例1中的钛酸锂镁，采用镁锂共混盐电解液体系[Mg(AlCl2EtBu)2-LiNO3/THF电解液]，将其与镁组装成电池之后，电池放电容量达175mA h/g。电池表现出良好的循环稳定性。
实施例26、钛酸锂镁的电化学性能表征
选取实施例1中的钛酸锂镁，采用镁盐碳酸酯类有机电解液体系[MgCl2/EC/PC电解液]，将其与镁组装成电池之后，电池放电容量达145mA h/g。电池表现出良好的循环稳定性。
实施例27、不同粘结剂体系钛酸锂镁的电化学性能表征
选取实施例1中的钛酸锂镁，其他条件相同，换用不同的粘结剂（如聚丙烯酸），组装电池，电池放电容量仅达170mA h/g，且容量衰减较快。
根据实施案例27-29的结果可以看出，本发明制备出钛酸锂镁用于镁离子电池在有机电解液以及共混电解液体系，均能显示良好的性能。此外，案例1的产品及组装电池方案为最优的方案。
比较例1、制备钛酸锂镁及电化学性能表征
采用已有报道的方法，采用钛酸锂、钛白粉、氧化镁和氯化钠900℃下煅烧，制备得到改性的钛酸锂。采用此案例中的改性钛酸锂作为活性物质，其他条件与实施例1均同，组装的镁电池比容量在10mA h/g以下。
比较例2、制备钛酸锂镁及电化学性能表征
采用实施案例1中相同原料，将制备材料的粒径控制在500nm以上，制备得到大尺寸的钛酸锂镁。采用此案例中的大尺寸钛酸锂镁作为活性物质，其他条件与实施例1相同，组装的镁电池比容量基本为0mA h/g。
由比较例1和2的结果与前述实施例的比较可以看出，只有本发明制备的具有特定纳米尺寸的钛酸锂镁用于镁离子电池，才能显示良好的性能。

Claims (10)

1.一种钛酸锂镁，其化学式为MgxLiyTizOw(0.5＜x＜2，0＜y≤1/3,5/3≤z＜2,4≤w＜5)，其粒径分布在20-200nm之间。
2.权利要求1所述的钛酸锂镁，其特征在于：通过以下步骤制备：
将锂源、镁源、钛源及表面活性剂，按照一定的比例制备成共混液，采用旋转蒸发仪将所得溶液旋转蒸发至一定浓度，将粘稠胶体溶液倒入培养皿中，置于烘箱中，蒸干溶剂后，得到白色固体，将固体煅烧得到不同颗粒尺寸的钛酸锂镁;
所述反应溶液中锂源、镁源和钛源的摩尔比为0～1/3:0.5～2:5/3～2，优选为1/3:1：5/3；镁源与表面活性剂的摩尔比为100～2000：1；
所选表面活性剂可选自硬脂酸，十二烷基苯磺酸钠，N,N-二(2-羟基乙基)乙烯二胺，季铵化物，脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦（司盘），聚山梨酯（吐温），(C3H6O-C2H4O)x，卵磷脂,中的一种或多种，优选硬脂酸、脂肪酸山梨坦（司盘）、N,N-二(2-羟基乙基)乙烯二胺或(C3H6O-C2H4O)x；
所述固体的煅烧温度为400－800℃，优选500－700℃；
所述固体的煅烧时间为10-40h，优选10-20h；
所述锂源可选自Li2CO3、LiOH、Li、LiNO3、CH3COOLi、LiCl、LiF中的一种或多种，优选LiCl；
所述镁源可选自MgCO3、Mg(OH)2、Mg、Mg(NO3)2、Mg(CH3COO)24H2O、Mg(C2O4)22H2O、MgCl2中的一种或多种，优选MgCl2；
所述钛源为钛酸四正丁酯、TiSO4、TiCl4、异丙醇钛中的一种或多种，优选TiCl4。
3.权利要求1-2任一所述的钛酸锂镁作为镁离子电池电极材料的应用。
4.一种镁离子电池电极，其特征在于所述材料含有权利要求1-4任一所述的钛酸锂镁作为电极材料，以及含有导电添加剂、粘结剂和相应溶剂。
5.权利要求4所述的电极，其特征在于：所述导电添加剂为碳黑、Super-P、科琴黑中的一种或多种：
优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯（PVDF）（以N-甲基吡咯烷酮（NMP）为溶剂）或聚丙烯酸（PAA）、羧甲基纤维素钠（CMC）、丁苯橡胶/羧甲基纤维素钠、海藻酸钠（SA）、明胶中的一种或多种；优选地，所述溶剂为水；优选地，所述粘结剂为海藻酸钠。
6.权利要求5所述的电极材料，其特征在于：组装的镁离子电池，采用的电解液体系包括格氏试剂（Grignard）衍生物的醚电解液，镁锂共混盐电解液体系以及简单镁离子盐有机电解液体系；
其中格氏试剂（Grignard）衍生物的醚类电解液，格氏试剂（Grignard）衍生物选自Mg(AlX3-nRn’R’n”)m(AlX’3-n”’R”n””R”’n””’)2-m型配合物中的至少一种,其中X为氯或溴，R为甲基、乙基、丙基、异丙基、烯丙基、丁基、苯基、萘基、对烷基苯基或间烷基苯基，0≤n≤3,0≤m≤2，优选为Mg(AlCl2EtBu)2或(PhMgCl)2-AlCl3；所述醚类电解液中，醚类溶剂选自四氢呋喃、1,4-二氧杂环己烷、1,3-二氧戊杂环己烷环、乙二醇二甲醚和三乙二醇二甲醚中的至少一种，更优选四氢呋喃；镁盐浓度为0.1-1M，优选0.25-0.5M，更优选的为0.25M；
在镁锂共混盐电解液体系中，镁盐优选格氏试剂（Grignard）衍生物，其中格氏试剂衍生物选自Mg(AlX3-nRn’R’n”)m(AlX’3-n”’R”n””R”’n””’)2-m型配合物中的至少一种,其中X为氯或溴，R为甲基、乙基、丙基、异丙基、烯丙基、丁基、苯基、萘基、对烷基苯基或间烷基苯基，0≤n≤3,0≤m≤2，优选为Mg(AlCl2EtBu)2或(PhMgCl)2-AlCl3；所述醚类电解液中，醚类溶剂选自四氢呋喃、1,4-二氧杂环己烷、1,3-二氧戊杂环己烷环、乙二醇二甲醚和三乙二醇二甲醚中的至少一种，更优选四氢呋喃；镁盐浓度为0.1-1M，优选0.25-0.5M；锂盐优选六氟磷酸锂、高氯酸锂、硝酸锂、氯化锂和二（三氟甲基磺酰）亚胺锂中的至少一种，更优选氯化锂；
在镁盐碳酸酯类有机电解液中，镁盐优选三氟甲基磺酸镁、氯化镁、硝酸镁、高氯酸镁，优选氯化镁；优选地，所述碳酸酯类电解液中，溶剂选自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯中的至少一种，溶质选自硝酸镁、高氯酸镁、氯化镁中的至少一种。
优选地，所述镁离子电池电极由权利要求1－4任一所述的钛酸锂镁材料制得。
7.权利要求4或5所述镁离子电池电极的制备方法，该方法包括将所述钛酸锂镁电极材料，经制浆、涂片、干燥的工艺流程制得。
8.一种能量存储元件，其特征在于：所述能量存储元件含有权利要求1－3任一所述的电极材料。
9.一种便携式电子设备，其特征在于：所述便携式电子设备使用权利要求8所述的能量存储元件。
10.权利要求9所述的便携式电子设备，其中所述便携式电子设备为移动电话、照相机、摄像机、MP3、MP4或笔记本电脑。
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