[发明专利]一种全有机镁离子电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种全有机镁离子电池，包括正极、负极、电解液、隔膜和封装材料；负极选用聚酰亚胺负极材料，正极选用P型有机聚合物正极材料，电解液为包含镁电解质盐的有机电解溶液；正极材料和负极材料包含有机活性物质、导电剂、粘结剂和集流体。本发明基于镁盐的常规有机电解液与有机聚合物负极匹配构建镁离子电池；并将P型有机聚合物电极材料用于镁离子电池正极，通过结合/脱除阴离子进行储能。相比于现有技术，本发明提供的基于聚酰亚胺负极和P型聚合物正极的全有机镁离子电池循环性能和倍率性能好、输出电压较高、制备简单、成本较低；且正负极材料来源广、加工时对环境友好、易回收、具备可持续发展潜力。

技术领域

本发明涉及镁离子电池领域，尤其涉及一种基于聚酰亚胺负极和P型聚合物正极的全有机镁离子电池及其制备方法。

背景技术

过去的几十年里，以锂离子电池为主要代表的电池开发取得了重大的进展，并被广泛应用到各个领域，但随着电动汽车的发展，人们对性能更加优异的电池需求更加迫切，加之锂的储量有限，人们需要寻找另外的金属离子电池替代锂离子电池。镁在周期表中处于锂的对角线位置，根据对角线法则，两者化学性质具有很多的相似之处。但是镁的价格比锂低得多(是锂的1/24)；镁及几乎镁的所有化合物无毒或低毒、对环境友好；镁不如锂活泼，易操作，加工处理安全，安全性能好；镁的标准氢电势只有-2.3V，理论比容量为2205mAhg^-1(比锂的3862mAh g-¹低)，但是我国的镁资源丰富，储量居世界首位，镁离子电池的发展是很有前途的。镁离子电池的工作机理和锂离子电池类似，但是自从2000年，以色列的AurbchD改良镁电池以来，人们对于镁电池的研究并没有产生足够多的热情(Aurbach D,LuZ,Schechter A,et al.Prototype systems for rechargeable magnesium batteries[J].Nature,2000,407(6805):724-727)。原因是镁电池的发展主要受到两方面的阻碍：一方面，由于镁比较活泼，在绝大部分溶液中都会像锂一样被立即覆盖一层表面钝化膜，但是不同的是，锂的表面膜可以传导锂离子，而镁电极表面生成的这种钝化膜却不传导二价的镁离子，使镁的沉积和溶解难以顺利进行，从而使得电池难以循环起来；另一方面，二价镁离子的离子半径小、电荷密度大，溶剂化作用强，可供镁离子快速嵌入的基质材料很少。因此寻找合适的电解质溶液体系和能嵌入镁离子的正极材料是镁二次电池研究的关键(冯真真.镁二次电池材料制备及电化学性能研究[D].上海:上海交通大学,2008)。

在镁离子电解液的研究方面，第一代电解液基于路易斯碱(Bu₂Mg)和路易斯酸(EtAlCl₂)溶在四氢呋喃(THF)的Mg(BuEtAlCl₂)₂/THF电解液，路易斯酸的加入，可以破环有氧化镁和氢氧化镁等组成的钝化膜，使得镁离子可以在负极镁片中可逆的沉积和溶解，但存在电压窗口低(2.2V)，难以匹配高电势正极材料的问题，且在高温环境下存在安全隐患的问题。第二代电解液基于(PhMgCl)₂–AlCl₃/THF溶液，其电压窗口高于3V，但由于无法与硫化物正极材料匹配，依然难以开发高能量密度的镁离子电池。而且电解液溶剂THF易挥发，在应用到扣式电池里时难以长时间循环，且在升温时存在起火的潜在危险。而且常见的电池集流体如Cu，Al和不锈钢等在氯离子含量很高的电解液中易被腐蚀，在高电压下发生氧化。而开发的其它非醚类溶剂则存在镁的沉积和溶解可逆性差，且电压窗口低的问题。