本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种基于微米级二硫化镍的镁离子电池正极材料。
背景技术：
1、当前，锂离子电池已成为便携式电子设备、交通运输、环境保护和航空航天等领域的主要能源供应方案。然而，随着社会经济的不断发展，锂元素的有限储备与对锂离子电池深入开发的需求之间的矛盾日益突出，这严重限制了锂离子电池的持续发展。为了应对未来大型动力电源和大规模储能系统的需求，人们开始将目光转向新型能源和储能系统的研究。
2、在这种情况下，镁离子电池作为一种备受瞩目的替代方案，受到越来越多的关注。与传统的锂离子电池相比，镁离子电池具有着诸多优势和潜力。首先，镁元素在地壳中的储备丰富，相对于锂来说更加充足，这使得镁离子电池具备了更为可持续的发展前景。其次，金属镁作为主要的负极材料具有较低的还原电位，相对应的体积比容量也远高于锂离子电池，这意味着镁离子电池在能量密度方面具备了潜力。此外，金属镁还具有资源丰富、易于提炼、无毒性等诸多优点，使其成为一种备受青睐的电池材料。
3、然而，尽管镁离子电池具备着广阔的发展前景，但也面临着一系列挑战。其中，寻找合适的正极材料是其中的关键问题之一。目前，最先进的镁离子电池仍然缺乏具有吸引力的正极材料，这限制了电池性能的提升和商业化应用。而在这个背景下，二硫化镍(nis2)作为一种备受关注的正极材料出现在人们的视野中。nis2晶格结构中相邻原子之间的最小间距为nis2的一维空腔结构可以为mg2的定向传输提供路径，因此mg2+能够在nis2晶体结构中自由穿梭，nis2的晶体结构为其储存mg2+提供了可能。通过第一性原理计算对nis2的电荷密度分析，具有富阴离子特性的nis2在镁离子传输时能吸引mg2+进而对其进行存储，从而有望解决镁离子在正极材料中扩散缓慢的问题。
4、尽管存在挑战，但镁离子电池作为一种新兴技术，仍然具有广阔的发展前景。二硫化镍等新型正极材料的出现为镁离子电池的进一步发展提供了希望，然而关于nis2作为镁离子电池正极材料的相关技术鲜见报道，因此，亟需开发镁离子电池的nis2正极材料，以提高镁离子电池的电化学性能。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于微米级二硫化镍的镁离子电池正极材料。本发明设计构筑了结构稳定、可提供较多活性位点的nis2材料作为镁离子电池的正极材料的主要原料组分，优化了镁离子电池电化学储镁性能，提高了镁离子电池的循环性能和倍率性能。
2、具体地，nis2为椭球形，颗粒尺寸为1～5μm，所述镁离子电池正极材料的原料组分包括二硫化镍、碳纳米管，所述二硫化镍均匀地负载在碳纳米管上，所述碳纳米管为网络结构。
3、本发明利用二硫化镍作为镁离子电池的正极材料的主要原料组分，结合碳纳米管作为导电剂以提高电池的电化学性能。这主要归因于该正极材料独特的结构特点，具体表现在以下几个方面：(1)nis2独特的晶体结构。其晶格结构中相邻原子之间的最小间距为形成了一维空腔结构，为镁离子(mg2+)的定向传输提供了路径，使得mg2+能够在nis2晶体结构中自由穿梭，实现了对其存储的可能性。同时，nis2具有富阴离子特性，在镁离子传输时能够吸引mg2+，促进了镁离子的存储。此外，nis2晶体结构中在mg2+嵌入/脱出过程中涉及s-s键的断裂和再生成，从而实现了快速的正极氧化还原动力学。(2)碳纳米管的协同作用。碳纳米管的加入提高了nis2的导电性，加快了电荷传输效率，同时改善了nis2的分散性，极大地提高了nis2与电解液的可及性。碳纳米管提供的优异碳骨架能够保证在循环过程中nis2结构的稳定性，进而极大提升了nis2的循环寿命。(3)增强的电极-电解液接触面积。nis2加上碳纳米管构成的网络结构，使得正极材料能够提供更多的活性位点，增大电极-电解液的接触面积，有利于电荷转移速率的提高，同时也促进了镁离子的快速扩散，有助于提高电池的倍率性能。(4)稳定的结构和体积膨胀缓解：nis2均匀负载在碳纳米管网络上，形成稳定的复合结构。这种结构不仅能够有效地缓解体积膨胀带来的应力，保持电极的结构稳定性，而且复合材料之间的空隙能够提供足够的空间，以容纳镁离子的插入和脱嵌过程，进一步确保了电极的循环稳定性。(5)减弱极化效应和改善固态离子扩散。有了碳纳米管网络的缓冲作用，nis2正极材料能够减弱镁离子与正极宿主之间的相互作用，促进正极-电解液界面的输运过程，加快固态离子扩散速率，从而减弱极化效应，避免镁离子在晶格中的迁移。这些特性共同作用下，提高了镁离子电池的电化学性能，改善了电池的循环稳定性和倍率性能，从而为镁离子电池的广泛应用提供了新的可能性。
4、正极宿主即活性物质，在电池充放电的过程中，镁离子嵌入脱出，如果镁离子和活性物质的相互作用过大，不容易嵌入脱出，则会导致电化学反应变慢，影响电池的电化学性能。
5、优选地，所述镁离子电池正极材料的原料组分还包括导电剂和粘结剂。
6、优选地，所述nis2材料、导电剂和粘结剂的质量比为(4-8)：(2-5)：1。
7、优选地，所述nis2材料、导电剂和粘结剂的质量比为(5-6)：(3-4)：1。
8、优选地，所述导电剂为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、聚噻吩(pth)、聚苯胺(pani)和聚咔唑(pz)、石墨(g)、石墨烯(gn)、碳纳米管(cnts)、碳黑(cb)中至少一种。
9、优选地，所述粘结剂为聚丙烯腈(pan)、聚酰胺(pa)、聚酰亚胺(pi)、聚乙烯醇(pva)和聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚丙烯酸酯(paa)、聚丙烯粉末(pp)、聚乙烯粉末(pe)、聚四氟乙烯(ptfe)中至少一种。
10、本发明还提供了一种镁离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：
11、(1)将nis2材料加入碳纳米管分散液中，混合，得到悬浮液，去除溶剂，制得nis2/碳纳米管复合材料；
12、(2)将步骤(1)制得的nis2/碳纳米管复合材料和粘结剂混合，压片，干燥，制得所述镁离子电池正极材料。
13、优选地，步骤(1)中，所述分散液中的nis2和碳纳米管材料的质量比为(0.5-1.5)：(1-6)。
14、优选地，步骤(1)中，所述分散液中的nis2和碳纳米管材料的的质量比为为(1-1.5)：(3-6)。
15、优选地，步骤(1)中，所述分散液中的nis2和碳纳米管材料的的质量比1：3。
16、优选地，步骤(1)中，所述nis2材料的制备方法，包括如下步骤：
17、将镍粉和升华硫粉在行星球磨机中湿法球磨，球磨后将样品干燥去除溶剂；将干燥后的球磨粉碎过筛后用模具冷压成型。在惰性气体的保护下，对冷压成型后的样品进行煅烧，经过研磨后得到nis2材料粉末。
18、优选地，所述镍粉和升华硫的质量比为(0.5-1.5)：(0.6-5)。
19、优选地，所述镍粉和升华硫的质量比为(1-1.2)：(1-3)。
20、优选地，所述球磨过程中球磨机转速为110rpm/min～5000rpm/min，球磨时间为0.5～5h。
21、优选地，所述球磨过程中球磨机转速为550rpm/min～1000rpm/min，球磨时间为1～1.5h。
22、优选地，所述煅烧时的惰性气体为氮气(n2)、氩气(ar)、氦气(he)、氩氦混合气(75％ar，25％ he)中的一种。
23、优选地，所述煅烧过程时的温度为250～1300℃，升温速率为0.5～5℃/min，煅烧保温时间为0.5～10h。
24、优选地，所述煅烧过程时的温度为250～900℃，升温速率为0.5～3℃/min，煅烧保温时间为0.5～6h。
25、优选地，所述煅烧过程时的温度为300～550℃，升温速率为0.5～1.5℃/min，煅烧保温时间为1.5～5h。
26、优选地，步骤(1)所述nis2材料为椭球形结构，椭球形结构通常可以更有效地填充电极或电解质区域，这助于改善电极材料的利用率和电池的能量密度。椭球形结构还可以优化离子或电子在材料内部的扩散路径，降低扩散距离和阻力，利于提高电池的响应速度和性能稳定性。
27、优选地，步骤(2)中，所述干燥的温度为50-110℃，和/或所述干燥的时间为5-15h。
28、优选地，步骤(2)中，所述干燥的温度为60-90℃，和/或所述干燥的时间为10-13h。
29、优选地，步骤(2)中，所述干燥的温度为70℃，和/或所述干燥的时间为12h。
30、本发明还提供了一种镁离子电池，包括所述的镁离子电池的正极材料、电解液和对电极。
31、优选地，所述镁离子电池的电解液为mg(hmds)2、mg(cb11h12)2、mg(tfsi)2、乙二醇二甲醚(egdme)、乙二醇二乙醚(degde)、丙酮(acetone)、甲苯(toluene)中的至少一种。
32、优选地，所述镁离子电池的电解液的浓度为0.1～2mol/l。
33、优选地，所述镁离子电池的电解液的浓度为1-1.5mol/l。
34、优选地，所述镁离子电池的对电极为金属镁片，镁片作为电极材料具有轻量化、良好的电化学性能、丰富的资源、环保性、较低的成本、良好的热导率和可塑性等诸多优点，适用于各种电池、电解池和电化学设备的制造和应用。
35、优选地，所述镁离子电池的外壳为cr2016型电池壳，cr2016型电池壳具有良好的密封性、耐腐蚀性、耐高温性以及经济实用性。
36、优选地，所述镁离子电池的隔膜为多孔聚合物膜、无纺布隔膜、无机复合膜氧化镁、氧化铝中至少一种。
37、相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
38、本发明合成了微米级二硫化镍材料，并成功将二硫化镍材料适用于镁离子电池，并实现优异电化学性能。首先，将二硫化镍材料与碳纳米管分散液混合，去除溶剂后得到二硫化镍修饰碳纳米管复合材料。与传统方法相比，该工艺无需长时间加热。碳纳米管具有连续的三维网络骨架结构，有利于二硫化镍纳米材料之间的相互连接。这种结构改善了材料的电化学性能，使其成为优异的镁离子电池正极材料。所制备的镁离子电池具有良好的循环稳定性和高能量密度。此外，本发明的制备方法工艺步骤简单，操作周期短，不涉及高温反应，能耗低，可实现大规模工业生产。虽然关于二硫化镍做镁离子电池正极材料的报道和研究相对较少，但本发明为此领域的发展提供了一种新的方向和可能性。
1.一种基于微米级二硫化镍的镁离子电池正极材料，其特征在于，所述镁离子电池正极材料的原料组分包括微米级二硫化镍，所述二硫化镍均匀地负载在碳纳米管网络上。
2.根据权利要求1所述的一种基于微米级二硫化镍的镁离子电池正极材料，其特征在于，所述镁离子电池正极材料的原料组分还包括粘结剂。
3.根据权利要求2所述的一种基于微米级二硫化镍的镁离子电池正极材料，其特征在于，所述二硫化镍、碳纳米管和粘结剂的质量比为(4-8)：(2-5)：1。
4.根据权利要求2所述的一种基于微米级二硫化镍的镁离子电池正极材料，其特征在于，所述粘结剂为聚丙烯腈(pan)、聚酰胺(pa)、聚酰亚胺(pi)、聚乙烯醇(pva)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚氨酯(pu)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、氧化铝(al2o3)、氧化锌(zno)、氧化硅(sio2)中至少一种。
5.一种镁离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种镁离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碳纳米管分散液中的碳纳米管和二硫化镍微米材料的质量比为(0.5-1.5)：(1-6)。
7.根据权利要求5所述的一种镁离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合的温度为20-40℃，和/或所述混合的时间为8-24h。
8.一种镁离子电池，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的一种基于微米级二硫化镍的镁离子电池正极材料、电解液和对电极。
9.根据权利要求8所述的一种镁离子电池，其特征在于，所述镁离子电池的电解液为全苯基配合物与1-丁基-1-甲基吡咯烷离子液体的混合溶液。
10.根据权利要求8所述的一种镁离子电池，其特征在于，所述镁离子电池的对电极为金属镁片。
