非化学计量锂镁氮化物及其制备方法和应用 本发明涉及一种新型电池材料及其制备方法和应用。
锂离子电池是指以Li+插入化合物为正负极的二次电池，不同于锂电池采用金属锂作负极，其具有优异的充放电可逆性能和安全性，在电池市场上具有潜在的竞争力，被认为是最终取代锂电池的新一代二次电池。锂离子电池工作电压高、能量密度大、安全性能好、自放电小、可快速充放电、可做成大容量电池组，而且是无记忆效应电池。
随着现代电器微型化，高能化的需要，重量轻、体积小、高比能、高电压、低污染的锂离子电池将成为办公、通讯、电脑、摄像机及电动汽车等的良好电源。
电池材料是制约电池工业发展的最主要因素。层状和尖晶石型锂过渡金属氧化物被认为是高能量密度锂离子电池优先选择的正极材料，被广泛研究。而负极材料的研究起步较晚。寻找性能良好的正极材料和负极材料，并降低电极材料的生产成本，是锂离子电池发展的关键问题之一。
氮化锂及氮化锂基非化学计量化合物，如锂的卤氮化物等，由于具有高的锂离子电导率，作为锂电池固体电解质材料已被世人所瞩目。近年来，氮化锂基过渡金属氮化物作为二次锂离子电池阳极活性材料，成为新的研究热点。这类化合物除具有氮化锂及氮化锂基非化学计量化合物同样优异的锂离子传导性外，还有良好的电子传导特征，用做锂离子二次电池活性阳极材料，具有单电池工作电压高，比容量高及能量密度高等特点，有着广泛的应用前景。
本发明的目的是为了提供一种具有良好的电极活性和化学稳定性及循环可逆性、单电池工作电压高、比容量高、能量密度高的非化学计量锂镁氮化物。
本发明的另一目的是为了提供一种制备工艺简单、流程短的非化学计量锂镁氮化物的制备方法。
本发明的另一目的还在于提供一种将非化学计量锂镁氮化物用作电池阳极材料。
本发明地目的可通过如下措施来实现：
一种非化学计量锂镁氮化物具有以下化学式组成：Li3-xMgxN，其中x为0.1≤x≤0.9中的实数。
本发明的另一目的可通过如下措施来实现：
一种非化学计量锂镁氮化物的制备方法是将氮化锂和镁金属在氮气存在下，于600-700℃条件下焙烧6-7小时，得非化学计量锂镁氮化物；其中氮化锂和金属镁的摩尔比为1∶x，x为0.1≤x≤0.9。
一种非化学计量锂镁氮化物的制备方法是将金属锂和金属镁在氮气存在下，压力为2-3×104Pa、温度为330-500℃下氮化处理得非化学计量锂镁氮化物；其中金属锂和金属镁的摩尔比为(3-x)∶x，x为0.1≤x≤0.9。
本发明的另一目的还可通过如下措施来实现：
一种非化学计量锂镁氮化物的应用可将非化学计量锂镁氮化物做电池的阳极材料。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、本发明的非化学计量锂镁氮化物由于锂和镁离子具有相近的离子半径，具有很好的可替换性，因而显示出良好的化学稳定性及循环可逆性，使其制成电极材料时，具有良好的充放电特性，且其单电池电压高、高比容量和高能量密度。
2、本发明的资源丰富、价格便宜。
3、本发明工艺简单、流程短。
本发明还将结合实验结果进行说明非化学计量锂镁氮化物的性能。
以Li3-xMgxN为活性阳极材料，加入适当比例的导电剂(炭粉，石墨粉等)，以PVC(1wt％)的THF(四氢呋喃)溶液为粘合剂，以镍片为载体，做成工作电极，锂金属做对电极，含有LiClO4(或LiPF6)的有机电解质溶液为电解质，组成实验电池进行库仑滴定法测定Li3-xMgxN的比容量在1600mAh/g以上。而目前锂离子电池活性阳极材料LiC6的理论比容量为370mAh/g。
以Li3-xMgxN为活性阳极材料，加入适当比例的导电剂(炭粉、石墨粉等)和粘合剂(如PVC的四氢呋喃溶液)，以镍片为载体，做成工作电极，以锂金属为辅助电极和参比电极，电解液同上，组成三电极系统，测定循环伏安曲线，扫描速度200mV/s，扫描范围0-3V，循环120次以上仍很稳定，显示出较好的充放可逆性和稳定性。
以上述Li3-xMgxN为活性阳极材料，加入适当比例的导电剂和粘合剂，以镍片为载体，制成负电极，采用富锂的过渡金属氧化物(形式如LixMO2，M为过渡金属Co、Ni、V、Mn等)或富锂过渡金属硫化物(如LiTiS2、LiMoS2等)作正极材料，使用含有LiClO4(或LiPF6)的有机电解质溶液为电解质，组装成实验电池，在电流密度为0.3-0.6mA/cm2条件下，进行充放电循环实验，单电池工作电压平台在2.5-4.5V，比容量在200-400mAh/g或更高。而LiC6/LiCoO2电池的比容量为140mAh/g。
本发明还将结合实施例作进一步详述：
实施例1：
将Li3N和金属镁粉按摩尔比为1∶0.3充分混匀后，装入钼制容器，并置于高温反应炉，高纯氮气(纯度为99％以上)经脱氧去湿后，通入反应炉中，逐渐升温至600℃恒温6小时，取出得到灰褐色Li2.7Mg0.3N样品。将其研细，加入25％的炭粉混合均匀。用PVC(1wt％)的THF溶液为粘合剂，以镍片为载体，做成工作电极，锂金属做对电极，含有LiClO4(或LiPF6)的有机电解质溶液为电解质，组成实验电池，工作电极电流密度为10μA/cm2，室温条件下进行库仑滴定，测得Li2.7Mg0.3N的比容量为1695mAh/g。
实施例2：
将金属锂和金属镁在氮气存在下，压力为2×104Pa、温度为400℃下氮化处理得Li2.4Mg0.6N；其中金属锂和金属镁的摩尔比为4∶1。
取一定量的Li2.4Mg0.6N样品，将其研细，加入25％的炭粉混合均匀。用PVC(1wt％)的THF溶液为粘合剂，以镍片为载体，制成极片，以富锂钒氧化物(LiV6O13、LiV3O8、LiV2O5)采用同样的方法制成极片做阴极，采用1mol/L的LiClO4的PC溶液做电解质组装成实验电池，阳极电流密度为0.3-0.6mA/cm2进行充放电循环，单电池工作电压平台稳定在3.0-4.3V，放电比容量稳定在200mAh/g以上。