一种KMn8O16正极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种KMn8O16正极材料的制备方法。首先将氢氧化钾和高锰酸钾溶解于去离子水中，得到紫色混合溶液，再将硫酸锰溶解于去离子水中，得到浅粉色溶液。在磁力搅拌下，将上述浅粉色溶液缓慢滴入上述紫色混合溶液中，沉淀迅速形成，继续搅拌并静置陈化，过滤干燥之后得到前驱体。将前驱体置于去离子水中进行水热处理，过滤干燥之后再将其置于马弗炉内进行煅烧处理，冷却之后即得最终产物KMn8O16。本发明专利技术制备的KMn8O16正极材料结晶度高且无其他杂质元素，粒子较小，更便于锂离子的嵌入和脱出，用作锂离子电池正极材料时具有优异的电化学性能。

A preparation method of KMn8O16 cathode material

The invention discloses a preparation method of KMn8O16 cathode material. First, potassium hydroxide and Potassium Permanganate were dissolved in deionized water, and purple mixed solution was obtained. Then manganese sulphate was dissolved in deionized water, and a light pink solution was obtained. Under the magnetic stirring, the above light pink solution was slowly dripped into the purple mixed solution, and the precipitate was formed quickly, and continued to be stirred and statically aged, and the precursor was obtained after the filtration. The precursor is placed in the deionized water for hydrothermal treatment. After the filter is dried, the precursor is then placed in the muffle furnace for calcining. After cooling, the final product KMn8O16 is obtained. The KMn8O16 cathode material prepared by the invention has high crystallinity and no other impurity elements, and has smaller particles. It is more convenient for the insertion and removal of lithium ion. It has excellent electrochemical performance when it is used as cathode material for lithium ion battery.

【技术实现步骤摘要】
一种KMn8O16正极材料的制备方法
本专利技术涉及锂离子电池正极材料与新能源材料制备
，具体涉及一种KMn8O16正极材料的制备方法。
技术介绍
能源和环境问题是当今世界最受关注的议题。目前，化石能源每年的消耗量占全球能源总消耗量的85％以上，而化石能源储量有限，同时，化石能源的使用会引发环境污染、温室效应、雾霾等环境问题，因此急需探索新的能源体系。太阳能、风能、潮汐能等可再生能源具有天然的自我再生功能，但由于这些新能源体系具有很强的地域性和间歇性，使得其有效的利用面临着许多技术问题，而规模储能是解决这些难题的关键技术。在各种储能方式中，电化学储能是最为简便、高效的一种方式，成为储能技术发展的主流。其中锂离子电池因其具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、自放电率小和绿色环保等突出优势，在手机、笔记本电脑、数码相机、电动工具等领域得到了广泛应用，并逐步向新能源汽车和储能等领域拓展。对于高能量密度的锂离子电池来说，氧化物是一种被广泛使用的电极材料。在氧化物中的强氧金属键使得过渡金属氧化物具有高的离子性特征，使得化合物具有高的电位。锰氧化合物不仅资源丰富，价格低廉，而且具有多变的组成、复杂的结构和奇特的功能。Cryptomelane型的KMn8O16为正方晶系，是具有孔道结构的天然锰氧化合物，它由每边两个共边的MnO6八面体连接成2*2的孔道结构，孔道直径约为0.46nm左右，孔道中的阳离子以K为主要成分。K离子的存在不仅能够保持结构的稳定性，还可以提高离子的扩散速率。目前Cryptomelane型的KMn8O16的合成方法主要有水热法、微波合成法、沉淀法、流变相法等。多数合成方法为酸性合成条件，微波合成法合成的材料形貌较差且粒径在微米级以上，且反应温度较难控制，难以实现大规模生产。部分合成方法还存在着实验周期长，能源浪费严重等问题。
技术实现思路
针对现有的KMn8O16制备周期长、能源浪费严重、合成条件单一等问题，本专利技术提供一种简单易行、电化学性能优异的KMn8O16正极材料的制备方法。本专利技术的技术方案为：一种KMn8O16正极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)室温下，将KOH溶解于去离子水中，待溶液冷却后加入KMnO4，磁力搅拌至完全溶解后得到紫色混合溶液；将MnSO4·H2O加入去离子水中，磁力搅拌至完全溶解后得到浅粉色溶液；(2)向步骤(1)所得紫色混合溶液中缓慢滴加上述MnSO4浅粉色溶液，沉淀生成后继续进行磁力搅拌20～30分钟，得到黑褐色悬浮液；(3)将步骤(2)所得悬浮液在室温下陈化12～24小时，过滤干燥之后得到黑褐色前驱体；(4)向步骤(3)所得前驱体中加入去离子水，磁力搅拌10～20分钟，得到黑褐色悬浮液；(5)将步骤(4)所得悬浮液置于高压反应釜中进行水热处理，得到黑色沉淀；(6)将步骤(5)所得黑色沉淀置于马弗炉内进行煅烧处理，即得到最终产物KMn8O16。进一步地，步骤(1)中，KOH与KMnO4的物质的量之比为25～35:1。进一步地，步骤(2)中，MnSO4·H2O与KMnO4的物质的量之比为1.5～3.0:1。进一步地，步骤(4)中，前驱体与去离子水的质量之比为1:20～30。进一步地，步骤(5)中，水热处理温度为160～200℃，水热处理时间为8～24小时。进一步地，步骤(6)中的煅烧处理，具体为：以5～10℃/min的升温速率，从室温升到450～550℃，保温2～4小时，之后冷却至室温。与目前合成的KMn8O16相比较，本专利技术制备的KMn8O16具有如下的优势：(1)本专利技术采用化学沉淀法和水热法制备KMn8O16，具有制备流程简单，易于重复，节时节能，条件温和等优点；(2)本专利技术制备的KMn8O16，与其他方法制备的KMn8O16相比，其粒子较小，为纳米级，结晶度高且无其他杂质元素，用作锂离子电池正极材料，具有非常优异的电化学性能。附图说明图1为本专利技术实施例4制备的KMn8O16正极材料的X-射线衍射(XRD)图；图2为本专利技术实施例4制备的KMn8O16正极材料的扫描电镜(SEM)图(放大倍数为25000倍)；图3为本专利技术实施例4制备的KMn8O16正极材料在50mAg-1电流密度下的充放电曲线图；图4为本专利技术实施例4制备的KMn8O16作为正极材料，以锂片为对电极，组装成扣式电池。室温下(20～25℃)，在1.5～4.2V的电压范围内，50mAg-1电流密度下进行充放电测试的循环寿命图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术并不限于此。以下实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。实施例1室温下(20～25℃)，将8.42g的KOH溶解于40mL的去离子水中，在500rpm下磁力搅拌10分钟，待溶液冷却后，加入0.79g的KMnO4，在500rpm下磁力搅拌10分钟，配制成50mL的紫色混合溶液；将1.27g的MnSO4·H2O溶解于50mL的去离子水中，在500rpm下磁力搅拌10分钟，得到浅粉色溶液；在500rpm的磁力搅拌下，将上述浅粉色溶液缓慢滴入上述紫色混合溶液中，黑褐色沉淀迅速生成，继续进行磁力搅拌30分钟，得到黑褐色悬浮液；将悬浮液置于室温下陈化16小时，过滤干燥后得到黑褐色前驱体；称取2.0g前驱体置于高压反应釜中，加入40mL去离子水，在500rpm下磁力搅拌15分钟，得到黑褐色悬浮液；对其进行180℃水热处理12小时，冷却离心干燥之后得到黑色固体；将黑色固体移入瓷舟，置于马弗炉中煅烧，以5℃/min的升温速率，从室温升到500℃，保温2小时，之后冷却至室温即得到最终产物KMn8O16。实施例2室温下(20～25℃)，将8.42g的KOH溶解于40mL的去离子水中，在500rpm下磁力搅拌10分钟，待溶液冷却后，加入0.79g的KMnO4，在500rpm下磁力搅拌10分钟，配制成50mL的紫色混合溶液；将1.69g的MnSO4·H2O溶解于50mL的去离子水中，在500rpm下磁力搅拌10分钟，得到浅粉色溶液；在500rpm的磁力搅拌下，将上述浅粉色溶液缓慢滴入上述紫色混合溶液中，黑褐色沉淀迅速生成，继续进行磁力搅拌20分钟，得到黑褐色悬浮液；将悬浮液置于室温下陈化12小时，过滤干燥后得到黑褐色前驱体；称取2.0g前驱体置于高压反应釜中，加入45mL去离子水，在500rpm下磁力搅拌20分钟，得到黑褐色悬浮液；对其进行180℃水热处理24小时，冷却离心干燥之后得到黑色固体；将黑色固体移入瓷舟，置于马弗炉中煅烧，以5℃/min的升温速率，从室温升到450℃，保温4小时，之后冷却至室温即得到最终产物KMn8O16。实施例3室温下(20～25℃)，将8.42g的KOH溶解于40mL的去离子水中，在500rpm下磁力搅拌10分钟，待溶液冷却后，加入0.79g的KMnO4，在500rpm下磁力搅拌10分钟，配制成50mL的紫色混合溶液；将2.54g的MnSO4·H2O溶解于50mL的去离子水中，在500rpm下磁力搅拌10分钟，得到浅粉色溶液；在500rpm的磁力搅拌下，将上述浅粉色溶液缓慢滴入上述紫色混合溶液中，黑褐色沉淀迅速生成，继续进行磁力搅拌25分钟，得到黑褐色悬浮液；将悬浮液置于室温下陈化20小时，过滤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种KMn8O16正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)室温下，将KOH溶解于去离子水中，待溶液冷却后加入KMnO4，磁力搅拌至完全溶解后得到紫色混合溶液；将MnSO4·H2O加入去离子水中，磁力搅拌至完全溶解后得到浅粉色溶液；(2)向步骤(1)所得紫色混合溶液中缓慢滴加上述MnSO4浅粉色溶液，沉淀生成后继续进行磁力搅拌20～30分钟，得到黑褐色悬浮液；(3)将步骤(2)所得悬浮液在室温下陈化12～24小时，过滤干燥之后得到黑褐色前驱体；(4)向步骤(3)所得前驱体中加入去离子水，磁力搅拌10～20分钟，得到黑褐色悬浮液；(5)将步骤(4)所得悬浮液置于高压反应釜中进行水热处理，得到黑色沉淀；(6)将步骤(5)所得黑色沉淀置于马弗炉内进行煅烧处理，即得到最终产物KMn8O16。

【技术特征摘要】
1.一种KMn8O16正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)室温下，将KOH溶解于去离子水中，待溶液冷却后加入KMnO4，磁力搅拌至完全溶解后得到紫色混合溶液；将MnSO4·H2O加入去离子水中，磁力搅拌至完全溶解后得到浅粉色溶液；(2)向步骤(1)所得紫色混合溶液中缓慢滴加上述MnSO4浅粉色溶液，沉淀生成后继续进行磁力搅拌20～30分钟，得到黑褐色悬浮液；(3)将步骤(2)所得悬浮液在室温下陈化12～24小时，过滤干燥之后得到黑褐色前驱体；(4)向步骤(3)所得前驱体中加入去离子水，磁力搅拌10～20分钟，得到黑褐色悬浮液；(5)将步骤(4)所得悬浮液置于高压反应釜中进行水热处理，得到黑色沉淀；(6)将步骤(5)所得黑色沉淀置于马弗炉内进行煅烧处理，即得到最终产物KMn8O16。2.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘黎，欧阳琰，李敏，谢建军，王先友，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43