CN115036469A - 一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工sei的制备方法及产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法,属于可充镁电池技术领域。所述方法主要包括金属镁箔预处理、溶液配置、SEI生成反应以及清洗梳理步骤,由所述方法制备的人工SEI可以使在传统电解液中极易发生钝化,电化学行为受到极大限制的金属镁负极,实现低过电位的可逆溶解沉积,具有较为优秀的电化学性能。并且本发明所提出的制备方法简便,成本低廉,具有较大的发展应用的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及可充镁电池技术领域,公开了一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法及产品。
背景技术
镁金属具有较低的还原电位(-2.37V vs.NHE)、较高的理论体积比容量(3833mAh.cm3)、较高的地壳丰度(2.7%)以及安全、价格低廉、环境友好等优良特性,被认为是可充镁电池很有前途的一种负极材料。但在实际应用中,由于金属镁会与绝大多数常规镁离子电解液形成固体电解质中间相(SEI),与金属锂、钠形成的可导离子的SEI不同的是,金属镁所形成的SEI具有离子绝缘性,导致Mg2+无法进行可逆的溶解沉积行为,从而限制了金属镁的电化学活性。
为了解决致Mg2+无法进行可逆的溶解沉积行为的难题,目前针对金属镁负极的研究工作大量集中于研发与其具有良好相容性的电解质溶液,该类电解质溶液都具有较强的抗还原性,对金属镁有较高的稳定性,但它们大都易被氧化且合成复杂,不利于推广应用。而随着研究的逐步深入,针对金属镁与传统电解液的钝化问题,本领域继续提出可以通过在镁负极表面构建人工SEI的技术方案,进而促进金属镁与各种电解液体系的相容性。
因此如何设计一种人工SEI制备方法,使金属镁负极能够可逆稳定地工作,是本领域亟需攻克的技术问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种人工SEISEI制备方法,具体为一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法及产品
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
1、一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)预处理:将金属镁箔除去表面氧化层,并用无水乙醇洗涤,真空烘干;
(2)溶液配制:在氩气手套箱中,使用三氯化锑与醚类有机溶剂配置成三氯化锑溶液;
(3)SEI生成反应:将步骤(1)预处理后的镁箔转移至氩气手套箱中,浸泡于步骤(2)所得三氯化锑溶液进行SEI生成反应;
(4)清洗:清洗SEI生成反应后镁箔表面所残留反应溶液并干燥,得可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI。
优选得,步骤(2)中所述醚类有机溶剂包括乙醚、乙二醇二甲醚和四氢呋喃中一种或几种。
优选的,步骤(2)中所配制的三氯化锑溶液浓度为0.1~1.5mol/L。
优选的,步骤(2)浸泡时间为1~50分钟。
优选的,步骤1)金属镁箔为薄片。
优选的,步骤1)金属镁箔为直径8-16mm,厚度为50-300μm的圆片。
优选的,使用配置三氯化锑溶液得有机溶剂清洗镁箔表面所残留反应溶液。
优选的,步骤4)所述干燥条件为在恒温真空干燥箱中,温度设定为35-85℃,干燥时间为6-24小时。
2.根据上述方法制备得到得可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI。
本发明的有益效果在于:
本发明公开了一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI制备方法,通过配制三氯化锑有机溶剂对金属镁箔进行浸泡,以简单离子交换反应原理对镁箔进行反应,通过简单的步骤,即可在金属镁表面制备得到一层锑基杂相SEI。并且通过本发明实施例的验证本发明所制备的人工SEI可以使在传统电解液中极易发生钝化,电化学行为受到极大限制的金属镁负极,实现低过电位的可逆溶解沉积,具有较为优秀的电化学性能。并且本发明所提出的制备方法简便,成本低廉,具有较大的发展应用的潜力。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详细描述,其中:
图1是本发明实施例1经预处理得到的金属镁负极的表面形貌;
图2是本发明实施例1与对比例1在电流密度为0.01mA·cm-2下的恒流充放电时间电位曲线图;
图3是本发明实施例1在电流密度为0.2mA·cm-2下的恒流充放电时间电位曲线图;
图4是本发明实施例1与对比例1的界面阻抗图;
图5是本发明实施例1制得的金属镁负极在镁/铜半电池中持续放电1mAh·cm-2后,铜箔上的镁沉积形貌;
图6是本发明实施例1制得的金属镁负极的扫描电子显微表面形貌;
图7是本发明实施例1制得的金属镁负极在0.2mA·cm-2电流密度下充放电循环60次后的表面形貌;
图8是本发明实施例1制得的金属镁负极的截面形貌。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例为制备一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI,具体方法如下:
1),将金属镁箔冲压成直径12mm圆片,经由砂纸打磨去除表面氧化层,无水乙醇超声洗涤,真空干燥箱烘干12小时后,完成预处理,得到金属镁负极片;
2)配制三氯化锑溶液参数如下:溶剂为乙二醇二甲醚,浓度为1mol/L,磁力搅拌12小时。
3)将步骤一中得到的极片转移至氩气手套箱中,将其浸泡在步骤二制得的溶液中12min,进行离子交换反应。
4)反应结束后,用溶剂乙二醇二甲醚清洗极片两次,随后将极片放置在无尘纸上吸附残留的液体,干燥6小时后,极片表面SEI制备完成。
利用扫描电镜(见图1、图6)及肉眼即可观察到极片上成功制备了致密的SEI层。
对比实施例1
对比实施例1为直接采用预处理所得到的金属镁负极片。
使用实施例一与对比例一的极片,在水值、氧值小于0.01ppm的氩气手套箱中,采用规格为CR2032的扣式电池装配对称电池,即正负极均为金属镁负极,与镁/铜半电池进行充放电测试,隔膜采用Whatman GF/D玻璃纤维隔膜,电解液使用0.5M Mg(TFSI)2in DME,每次滴加140μL。测试条件为25℃,采用新威电池测试系统。
在电流密度0.01mA·cm-2,重放电各30min的对比实验中,实施例1相较对比实施1,将过电位降至其十分之一,并且保持良好的稳定性,结果由图2所示
图3是本发明实施例1在电流密度为0.2mA·cm-2下的恒流充放电时间电位曲线图;
在阻抗性能测试中,可见图4,实施例1的界面电阻相较对比实施例1明显降低。
在镁/铜半电池测试中,在持续放电1mAh·cm-2后,实施例1在铜箔侧可以清晰地观察到沉积镁的形貌,结果参见图5,而对比实施例1则无法实现镁沉积。
采用扫描电子显微镜对进行了60次循环的实施例一组装的对称电池的极片进行了观察,结果见图7,可见所制备的SEI层具有较好的循环稳定性。
同时采用扫描电子显微镜表征了实施例一的截面,见图8。
实施例2
本实施例为制备一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI,具体方法如下:
1)将金属镁箔冲压成直径12mm圆片,经由砂纸打磨去除表面氧化层,无水乙醇超声洗涤,真空干燥箱烘干12小时后,完成预处理,得到金属镁负极片;
2)配制三氯化锑溶液参数如下:溶剂为乙二醇二甲醚,浓度为1.5mol/L,磁力搅拌12小时。
3)将步骤一中得到的极片转移至氩气手套箱中,将其浸泡在步骤二制得的溶液中6min,进行离子交换反应。
4)反应结束后,用溶剂乙二醇二甲醚清洗极片两次,随后将极片放置在无尘纸上吸附残留的液体,干燥6小时后,极片表面SEI制备完成。所形成的SEI层均匀致密,显著改善了金属镁负极在传统电解液中的钝化情况,实现了低过电位的可逆溶解沉积。
上述实施例充分验证了本发明所制备的人工SEI可以使在传统电解液中极易发生钝化,电化学行为受到极大限制的金属镁负极,实现低过电位的可逆溶解沉积,具有较为优秀的电化学性能。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:
(1)预处理:将金属镁箔除去表面氧化层,并用无水乙醇洗涤,真空烘干;
(2)溶液配制:在氩气手套箱中,使用三氯化锑与醚类有机溶剂配置成三氯化锑溶液;
(3)SEI生成反应:将步骤(1)预处理后的镁箔转移至氩气手套箱中,浸泡于步骤(2)所得三氯化锑溶液进行SEI生成反应;
(4)清洗:清洗SEI生成反应后镁箔表面所残留反应溶液并干燥,得可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI。
2.根据权利要求1所述的一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述醚类有机溶剂包括乙醚、乙二醇二甲醚和四氢呋喃中一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所配制的三氯化锑溶液浓度为0.1~1.5mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法,其特征在于:步骤(2)浸泡时间为1~50分钟。
5.根据权利要求1所述的一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法,其特征在于:步骤1)金属镁箔为薄片。
6.根据权利要求1所述的一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法,其特征在于:步骤1)金属镁箔为直径8-16mm,厚度为50-300μm的圆片。
7.根据权利要求1所述的一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法,其特征在于:使用配置三氯化锑溶液得有机溶剂清洗镁箔表面所残留反应溶液。
8.根据权利要求1所述的一种可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI的制备方法,其特征在于:步骤4)所述干燥条件为在恒温真空干燥箱中,温度设定为35-85℃,干燥时间为6-24小时。
9.由权利要求1-8任一种方法制备得到可在传统电解液中可逆循环的金属镁负极人工SEI。
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- 2022-06-02 CN CN202210624902.7A patent/CN115036469A/zh active Pending
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