[发明专利]一种用于镁电池负极的生物质炭/镁复合材料的制备方法

说明书

一种用于镁电池负极的生物质炭/镁复合材料的制备方法，涉及一种新型复合材料及其制备方法。为了解决金属镁负极在大多数常规电解液中生成钝化膜而导致电池循环性能降低的问题。方法：称取块状的生物质炭和金属基体；将块状或预处理后粉末状的生物质炭置于钢模具中得到预制体并进行预热，得到预热的生物质炭预制体；将金属基体在保护气氛下加热得到熔融态的金属基体；液态金属浸渗得到生物质炭/镁复合材料。本发明将生物质炭与金属镁采用自排气压力浸渗技术进行复合，利用生物质炭作为金属镁表面的保护膜，避免了常规电解液在金属镁上的还原分解而生成钝化膜，在镁金属表面可作为镁离子传输通道，实现了镁离子可逆的沉积/剥离。

技术领域

本发明涉及一种新型复合材料及其制备方法。

背景技术

为了解决短期暂态、频率调节和负载平衡问题，电网对能量存储的需求越来越大。作为电化学储能的代表，高比容量、高能量密度以及环境友好的可充电电池的发展成为了现代电化学所面临的最大挑战。

锂离子电池在储能设备和电子产品领域有着广泛而成熟的应用。然而，受限于锂资源稀少、成本高以及难以回收再利用等，随着未来应用在能量密度和高安全性方面的要求越来越高，目前的锂离子电池预计不足以满足这一快速增长市场的需求。因此，迫切需要发明新一代的储能系统来解决这些问题。与锂离子电池相比，镁电池具有三个无可比拟的优势：一、资源丰富，镁是地壳中除去氧和硅元素之外第六丰富的元素，含量约为2％，特别地，我国镁储量位居世界首位；二、镁负极体积能量密度高，体积比容量高达3833mAh·cm^-3，将近是锂负极(2046mAh·cm^-3)的两倍；三、安全性高，在某些电解液中具有100％库仑效率的无枝晶沉积有效缓解类似锂离子电池在生产和使用过程中使用不当导致电解液易燃易爆的问题，提高了储能系统的安全性。

然而，当前限制可充电镁电池发展的最大因素之一是镁的高化学活性决定，只有既不提供也不接受质子的溶液才适合作为电解质，但是这些溶液会在镁表面容易生成钝化膜。该钝化膜是电子的绝缘体，但同时也会阻碍镁离子的传输，从而阻断可逆的电化学反应。目前镁电池负极设计主要集中在嵌入型负极和合金化负极材料等非金属镁负极方面的研究。作为镁离子宿主材料，受正、负极材料限制，电池容量有限，此外负极材料的结构和化学不稳定性导致电池的循环性能以及倍率性能相对较差。采用纳米级的镁颗粒作为负极材料，通获得更薄的钝化膜使得镁离子的传输距离缩短，迁移动力学加快，然而却不能从根本上解决钝化的问题。因此急需一种成本低廉，工艺简单，环境友好，可大规模制备且能直接应用在商用电解液中的镁电池负极极片的制备方法。

发明内容

本发明为了解决金属镁负极在大多数常规电解液中生成钝化膜而导致电池循环性能降低的问题，提出了一种用于镁电池负极的生物质炭/镁复合材料的制备方法

本发明用于镁电池负极的生物质炭/镁复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

一、称料：称取块状的生物质炭和金属基体作为原料；

二、生物质炭预制体的制备：

将步骤一称取的块状的生物质炭置于钢模具中，得到预制体，将预制体带模具移至加热炉中进行预热，得到预热的生物质炭预制体；

或将步骤一称取的块状的生物质炭依次进行球磨、过筛和干燥；得到粒径均匀的生物质炭粉；将生物质炭粉置于钢模具中，预压后得到预制体，将预制体带模具移至加热炉中进行预热，得到预热的生物质炭预制体；

三、熔融态金属基体制备：

将步骤一称取的金属基体在保护气氛下加热，得到熔融态的金属基体；

四、液态金属浸渗：

在氦气、氮气或氩气保护气氛下，将步骤二中所得的预热的生物质炭预制体带模具置于压力机台面上，将熔融态的金属基体倒入模具内，进行压力浸渗，得到用于镁电池负极的生物质炭/镁复合材料。