一种镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料及其制备方法，其中，电池的正极材料为La

A lanthanum doped anode material for high rate zinc manganese battery and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料及其制备方法
本专利技术涉及蓄能电池
，尤其是一种镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料及其制备方法。
技术介绍
随着能源需求和环境保护的日益强劲，随着化石燃料消费的不断增加，大气中氮氧化物和硫氧化物等有毒气体的浓度也随之增加，这些气体与全球变暖有关。现代经济社会和工业文明对电能的需求日益增长，预计到2050年全球的电能需求量将增加一倍。追求和使用廉价可靠的可再生能源和清洁能源发电是我们的最终目标，而电能的储存是实现这一目标的关键部分。因为包括风能、太阳能、潮汐能和地热在内的可再生能源本质上都是间歇性的，而且普遍分散，而且并不总是可用的。为了利用这些免费和无限的能源，需要在有能源的时候储存这些能源，而电池系统在电能储存这方面发挥着重要作用，目前动力型电池市场包括了铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池和锂离子电池，但是这些电池体系都存在一些问题，制约了这些电池的进一步发展。自1991年索尼公司推出锂离子电池(LIBs)以来，与其他可充电电池相比，锂离子电池已成为市场上领先的电池储能系统(ESS)。锌离子电池与其他类型的电池相比，具有优异的电化学性能。总体来说，主要表现在以下三点：(1)锌离子电池不仅具有高能量密度，而且具有高功率密度。根据恒电流充放电结果、能量密度和功率密度计算公式，可计算出其功率密度最高可达12kW/kg，远远高于市场上的普通电池，锌离子电池能量密度最高可达320W·h/kg，是超级电容器的15倍左右。(2)锌离子电池的成本低廉。锌离子电池的制作工艺简单，在空气中即可组装，这大大减低了制造费用。同时，金属锌资源丰富，是除铁之外价格最低的金属。目前市场上无论氢燃料电池还是锂离子电池，电极材料和生产制造成本都居高不下，这限制了其应用范围。锌离子电池的低成本将有助于其在电池市场的普及应用。(3)环境友好，安全性高。锌离子电池的电解液采用近乎中性的硫酸锌、醋酸锌水溶液(pH在5～7之间)。金属锌与其无机盐是无毒的，在电池的生产及应用过程中，不会有污染物产生。因此，锌离子电池属于绿色环保电池。由于重量轻、容量大、能量密度高，LIBs常用于小型电子产品，如笔记本电脑、数码相机和手机。然而，当涉及到大规模的应用，如在固定电网储能或电动汽车，与LIBs相关的高成本和安全问题成为非常重要的影响因素。最近发生了几起涉及锂电池爆炸和着火的事故，比如特斯拉汽车和三星智能手机，都是由于锂电池使用易燃的有机电解质。在经济成本方面，锂资源并不十分丰富，甚至被一些人视为下个世纪的黄金，存在长期短缺的风险。锌(Zn)金属的理论容量(820mAhg-1)大、成本低、毒性低等独特优势，获得广泛关注。作为一种并网储能系统，可充放电水系锌离子电池以其倍率性能、安全性和成本等方面的优势，正在成为一种具有广阔应用前景的新型储能装置。常见的锌离子电池是以二氧化锰、五氧化二钒及金属铁氰化物等为正极活性材料，以金属锌为负极活性材料，含有锌盐的水溶剂作为电解液。在水溶性电解液中，表面不均匀的锌电极不同区域电位不同，从而构成无数个共同作用的腐蚀微电池。腐蚀使电池自放电，降低了锌的利用率和电池容量。而且在电池的密封环境中，腐蚀过程产生的氢气，造成电池内压增加，累计到一定程度，会引发电解液的泄漏甚至爆炸。此外，水系锌离子电池放电过程直接生成了难溶性ZnO或Zn(OH)2等阳极产物覆盖在电极表面，影响了锌的正常溶解，使锌电极反应表面积减少，电极失去活性变为“钝态”。电极比表面积下降，相对来说，电极密度就会升高，造成电池的极化，使电池的循环性能下降。此外，由于锌离子的不均匀沉积，在充放电过程中会产生枝晶，导致电池存在较大的安全隐患。此外，目前报道的锌离子电池正极材料十分有限，且循环性能较差，且制备工艺也较复杂。并且由于锰材料的高电位窗口，锌锰电池中的二氧化锰易在充放电时还原成二价锰离子而溶于水，从而导致电池的损坏。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料及其制备方法。本专利技术通过镧离子掺杂，扩大二氧化锰的层间距，减弱了锌离子在充放电的嵌入、脱出过程中对二氧化锰材料的破坏，从而提高其循环稳定性；另一方面，通过镧离子的掺杂，增加了材料的活性位点，提高了其容量、倍率和电化学性能。本专利技术的技术方案为：一种镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料，所述的电池的正极材料为La3+掺杂MnO2纳米球；该电池的负极为锌基材料，电解液为2molL-1硫酸锌与0.4molL-1硫酸锰混合液。优选的，所述的La3+掺杂MnO2纳米球中La3+掺杂的比例为0.001～50％。优选的，所述的La3+掺杂MnO2纳米球的直径为200～600nm。优选的，所述的La3+掺杂MnO2纳米球采用搅拌法或者水热法制备得到，然后通过涂膜法将其负载在导电基底上。优选的，所述的La3+掺杂MnO2纳米球为通过将0.01～100mmolL-1MnSO4，0.001～100mmolL-1La(NO3)2，0.01～100mMKMnO4混合水溶液作为前驱液，通过搅拌法或者水热法制得，然后通过涂膜法将合成La3+掺杂MnO2纳米球粉末状固体材料涂抹在导电基底，涂抹厚度为1-10μm。优选的，所述的搅拌温度为0～80℃，搅拌时间为0.1～72h；所述的水热反应温度为60～220℃，水热时间为0.1～72h；优选的，所述的水热反应温度70～150℃，反应时间为60-720min。优选的，所述的电解质也可以为氯化锌、硫酸锌、三氟甲基磺酸锌的混合溶液。优选的，所述的导电基底为碳布、碳纸、铝箔、铜箔、泡沫镍和泡沫铜等。本专利技术还提供一种镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：S1)将0.01～100mmolL-1MnSO4，0.001～100mmolL-1La(NO3)2，0.01～100mmolL-1KMnO4混合水溶液为前驱液，通过搅拌法或者水热法制备，其中，所述的搅拌温度为0～80℃，搅拌时间为0.1～72h；所述的水热温度为60～220℃，水热时间为0.1～72h；S2)、反应完成后，对溶液进行离心分离沉淀，并用去离子水清洗3-5次，烘干后得到La3+掺杂MnO2纳米材料；S3)、利用涂膜法将合成的La3+掺杂MnO2纳米涂抹在导电基材上，涂抹厚度为1-10μm，从而得到电池正极材料。有优选的，步骤S3)中，所述的导电基材为碳布、碳纸、铝箔、铜箔、泡沫镍和泡沫铜中的一种。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术通过在MnO2纳米材料中掺杂La3+，扩大了其层间距，增加了活性位点，增强导电性，从而有效的增加了MnO2纳米材料的电化学性能和循环稳定性；2、本专利技术通过在电解液中添加MnSO4，抑制了MnO2材料的溶解，有效增强了其循环稳定性；3、本专利技术的锌离子电池以La3+掺杂MnO2纳米球为正极材料，在MnO2材料中掺杂La3+，得到La3+掺杂MnO2材料，通过La3+的掺杂，增强了MnO2的稳定性和导电性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料，其特征在于：所述的电池正极材料为La

【技术特征摘要】
1.一种镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料，其特征在于：所述的电池正极材料为La3+掺杂MnO2纳米球，所述电池的负极为锌基材料，电解液为2molL-1硫酸锌与0.4molL-1硫酸锰混合液；
所述的La3+掺杂MnO2纳米球的直径为200～600nm。


2.根据权利要求1所述的镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料，其特征在于：所述的La3+掺杂MnO2纳米球中La3+掺杂的比例为0.001～50％。


3.根据权利要求2所述的镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料，其特征在于：所述的La3+掺杂MnO2纳米球采用水热法制备得到，然后通过涂膜法将其负载在导电基底上。


4.根据权利要求3所述的镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料，其特征在于：所述的La3+掺杂MnO2纳米球为通过将0.01～100mmolL-1MnSO4，0.001～100mmolL-1La(NO3)2，0.01～100mmolL-1KMnO4混合水溶液作为前驱液，通过搅拌法或者水热法制得，然后通过涂膜法将合成La3+掺杂MnO2纳米球粉末状固体材料涂抹在导电基底，涂抹厚度为1-10μm。


5.根据权利要求4所述的镧掺杂高倍率锌锰电池正极材料，其特征在于：所述的搅拌温度为0～80℃，搅拌时间为0.1～72h；所述的水热反应温度为60～220℃，水热时间为0.1～72h。


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【专利技术属性】
技术研发人员：卢锡洪，张昊喆，何锦俊，郑惠民，于明浩，
申请(专利权)人：中山市华舜科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：广东;44