[发明专利]一种复合正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种复合正极材料及其制备方法和应用，复合正极材料包括：Mg掺杂焦磷酸钛和磷酸钛镁；复合正极材料的化学通式为Ti_1‑0.5xMg_xP₂O₇/Mg_0.5Ti₂(PO₄)₃,其中0.01≤x≤0.015；Mg掺杂焦磷酸钛和磷酸钛镁的质量比为[7‑9]：[1‑3]；复合正极材料由含钛元素的材料、含磷元素的材料和含镁元素的材料通过固相二次烧结法制备得到，其中，含镁元素的材料过量2％；镁元素占复合正极材料的质量百分比为0.1％‑0.5％；复合正极材料的X射线衍射图中的最强特征衍射峰与次高特征衍射峰的峰强比为1.95。

技术领域

本发明涉及镁电池材料技术领域，特别涉及一种复合正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

镁作为地球上储量最丰富的轻金属元素之一，由于其良好的物理化学、机械等性能被广泛用于各个领域。磷酸钛镁的NASICON结构较为稳定，且层间距较大，有利于镁离子的脱嵌，但其容量相对较低，作为正极材料的报道较少，专利文献CN102931403A，一种磷酸钛镁在可充镁电池正极材料中的应用方法,虽然将磷酸钛镁作为正极材料应用于可充镁电池中，但是其容量较低，根据该专利实施例1和附图2的记载，其第27圈的放电容量仅为48.6mAh·g^-1。

焦磷酸钛的化学式为TiP₂O₇，是一种聚阴离子型化合物，它是由TiO₆正八面体和P₂O₇双四面体通过顶角连接；这种结构十分稳定，使得焦磷酸钛材料具有优异的热稳定性。但是目前关于焦磷酸钛作为镁二次电池正极材料的报道罕见，且电化学性能不佳。

通过元素掺杂后来提升材料的电子电导率，改进材料的电化学性能，是常用的技术手段，例如NASICON型的LiM₂(PO₄)₃(M为Ti、Ge、Zr)材料，目前文献中报道了各种提高LiM₂(PO₄)₃性能的方式，主要包括包覆导电材料、或通过恰当的合成方式减少材料的尺寸、或是元素掺杂，其中通过元素掺杂能够大幅度提升电子电导率，改进材料的电化学性能。

因此，寻找合适的掺杂元素改善焦磷酸钛的性能，并且复合改性，使其应用于镁二次电池中可以具有优良的电化学性能，是我们目前的研究方向之一。

发明内容

本发明实施例提供的一种复合正极材料及其制备方法和应用，通过将含钛元素的材料、含磷元素的材料和过量的含镁元素的材料，进行固相二次烧结法，得到镁掺杂焦磷酸钛与磷酸钛镁复合正极材料，其中，在第一次烧结过程中，微量的Mg就可以使掺杂Mg后的焦磷酸钛材料具有高的导电性能，镁元素替代部分钛元素位掺杂到焦磷酸钛中，不改变焦磷酸钛材料的晶型结构，改善焦磷酸钛材料的电化学性能的同时具有电化学稳定性；另外，通过二次烧结生成的磷酸钛镁材料，磷酸钛镁材料的NASICON结构具有足够大的层间距使镁离子可以在磷酸钛镁中进行可逆的嵌入与脱出，并且，即使在大量镁离子脱嵌过程中，磷酸钛镁的晶体结构依然稳定，可提高电池的充放电性能；本发明的复合正极材料，由于镁掺杂焦磷酸钛与磷酸钛镁材料的复合，可发挥二者的协同作用，提高电池的初始容量、循环容量，并提升电池的快充性能及放电电压。

本发明提供的复合正极材料制备方法简单，适用于批量生产，成本低，可以促进焦磷酸钛材料和磷酸钛镁材料在电池材料领域的广泛应用。