一种电化学离子交换法制备电极材料的方法及其电极材料技术

本发明专利技术制备了一种Mn

【技术实现步骤摘要】
一种电化学离子交换法制备电极材料的方法及其电极材料
本专利技术涉及测试
，特别是一种电化学离子交换法制备电极材料的方法及其电极材料。
技术介绍
在能源储存领域中，锰氧基材料有着极其广泛的应用与研究。主要原因有如下几点:首先，锰元素Mn是一种具有五个未配对电子的过渡金属元素，因此，锰元素拥有最多的氧化态，包括整个元素周期表中的最高氧化态(VII)。锰元素独特的电子结构使Mn具有极强的氧化还原活性，因此它能够以多种不同的氧化态存在，可形成不同晶形的各种氧化物，如MnO，Mn3O4，Mn3O4，MnO，MnO3和Mn2O7。其次，相对于其他氧化物为赝电容材料的过渡金属元素(如Ru，Ni，Co)，锰元素在地壳中的储量最为丰富，储量在地壳元素中排第十二位。Mn3O4是电化学电容器常见的电极材料之一。与双电层电容器电极材料相比，Mn3O4具有赝电容特性，比双电层电容器电极材料具有更高的比电容。但是由于Mn3O4导电性差使得电荷无法快速传递，导致电极内阻增大，性能不能充分发挥。单纯的Mn3O4存在比容量低，循环稳定性差和导电性较差等问题，发生电化学反应时只有表面的一部分电极材料发生反应，而内部的很大一部分都几乎不能参与到电化学电荷存储过程中，因此限制了Mn3O4的电容量。目前主要是与石墨烯复合，通过将Mn3O4与导电性优异的石墨烯材料复合，使得复合电极材料的内阻减小，从而电极材料的导电性及电容值增加。然而石墨烯价格昂贵，不利于复合电极的大规模推广应用。为了提高锰氧基电极材料的电化学性能及工业化生产的潜力，需要我们设计并合成具有优良电化学性能且成本低，可大规模生产制备的锰氧基电极材料及制备方法。此外，我们关注到了NiMn2O4材料，NiMn2O4材料是一种较好的电极材料，但是关于NiMn2O4材料的制备方法主要有1200℃左右高温固相反应法，溶剂热联合后续氧化处理的方法，合成较为复杂。针对以上问题，我们创新性的将电化学离子交换法应用于电极材料的制备，提出一种时间短，温度低，操作简单，无污染的高性能电极材料的制备方法，并通过该制备方法制备出一种新的复合结构NiMn2O4/Mn3O4的作为电极材料。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题，提供了一种具有优良电化学性能且成本低，可大规模生产制备，且制备较为简单的电化学离子交换法制备电极材料的方法。为解决上述技术问题，本专利技术是按如下步骤实现的：步骤一.将泡沫镍超声清洗，恒温干燥。步骤二.将xmol的MnCl2·4H2O溶于xL去离子水中，x＞0，搅拌至完全溶解，并放入步骤1中处理好的泡沫镍，得到液体A；步骤三.将xmolNaOH溶于xL去离子水，搅拌至完全溶解，得到溶液B；步骤四.将溶液B用滴管缓慢滴加到液体A中，并在滴加过程中持续搅拌，滴加完成后继续搅拌10min，得到悬浊液C；步骤五.将得到的悬浊液C转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，放入电热恒温干燥烘箱中150℃保温12h；步骤六.反应结束后，反应釜随炉冷却至室温，随后取出得到的初始电极材料，用去离子水超声清洗30min，每10min换一次去离子水。并于60℃恒温干燥12h；步骤七.用数控双脉冲电镀电源进行电化学离子交换：铂电极接正极，步骤六得到的初始电极材料接负极，以NiCl2溶液为电解液，加热至40-80℃，正向脉冲参数：导通时间0.7ms，关断时间1.8ms，工作时间10ms；反向脉冲参数：导通时间0.7ms，关断时间1.8ms，工作时间5ms。正向平均电流0.2A，反向平均电流0.02A，通电一段时间t；步骤八.将得到的电极进行清洗、干燥、称重。本专利技术的另一目的是得到一种电极材料，该电极材料采用上述方法制备，当步骤七中通电时间t＜2min且NiCl2溶液浓度＜2mol/L时，该电极材料为Mn3O4/NiMn2O4复合结构；当步骤七中通电时间t≥2min或通电时间50s≤t＜2min且NiCl2溶液浓度≥2mol/L时，该电极材料为NiMn2O4。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：①创新性的将电化学离子交换法应用于电极材料的制备，提出一种时间短，温度低，操作简单，无污染的高性能电极材料的制备方法；②通过控制通电时间t和NiCl2溶液浓度的不同，可得到两种高性能电极材料，通电时间t＜2min且NiCl2溶液浓度＜2mol/L时，得到Mn3O4/NiMn2O4复合结构，通电时间t达到2min时或通电时间50s≤t＜2min且NiCl2溶液浓度≥2mol/L时，Mn3O4完全转变为NiMn2O4，得到纯物质NiMn2O4作为电极材料；③制备了一种Mn3O4/NiMn2O4复合结构作为超级电容器电极，采用此结构做电极大大提高了Mn3O4的电化学性能，并代替Mn3O4/石墨烯复合结构可极大降低电极材料的成本；④关于NiMn2O4的制备技术主要是高温固相反应或溶剂热联合后续煅烧氧化的方法，电化学离子交换技术或电化学离子交换技术在电极材料的制备上的应用鲜有报道，使用电化学离子交换制备NiMn2O4，时间短，温度低，操作简单，无污染。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1a和图1b是本专利技术实施例2所得样品a使用扫描电子显微镜所得电镜图。图1c和图1d是本专利技术实施例3所得样品b使用扫描电子显微镜所得电镜图。图1e和图1f是本专利技术实施例4所得样品c使用扫描电子显微镜所得电镜图。图2是本专利技术实施例2，实施例3，实施例4所得样品a、样品b和样品c的X-射线衍射图。图3是现有的Mn3O4电极材料在不同扫速下的循环伏安图。图4是现有的Mn3O4电极材料的充放电曲线图。图5是本专利技术实施例2所得样品a的循环伏安曲线。图6是本专利技术实施例3所得样品b的循环伏安曲线。图7本专利技术实施例4所得样品c的循环伏安曲线。图8是本专利技术实施例2所得样品a的恒流充放电曲线。图9是本专利技术实施例3所得样品b的恒流充放电曲线。图10是本专利技术实施例4所得样品c的恒流充放电曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本专利技术做进一步详细说明。在此，本专利技术的示意性实施方式及其说明用于解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。实施例1为解决上述技术问题，本专利技术是按如下方式实现的：通过电化学离子交换法制备NiMn2O4材料。制取1个正方形泡沫镍(1×1cm)用无水乙醇超声清洗15min，60℃恒温干燥15min，称量并记录其质量，正方形泡沫镍的质量为30mg，称取0.02molMnCl2·4H2O溶于20ml去离子水中并放入3个干燥好的泡沫镍，其中泡沫镍的质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学离子交换法制备电极材料的方法，其特征在于，其是按如下步骤实现的：/n步骤一.将泡沫镍超声清洗，恒温干燥。/n步骤二.将xmol的MnCl

【技术特征摘要】
1.一种电化学离子交换法制备电极材料的方法，其特征在于，其是按如下步骤实现的：
步骤一.将泡沫镍超声清洗，恒温干燥。
步骤二.将xmol的MnCl2·4H2O溶于xL去离子水中，x＞0，搅拌至完全溶解，并放入步骤1中处理好的泡沫镍，得到液体A；
步骤三.将xmolNaOH溶于xL去离子水，搅拌至完全溶解，得到溶液B；
步骤四.将溶液B用滴管缓慢滴加到液体A中，并在滴加过程中持续搅拌，滴加完成后继续搅拌10min，得到悬浊液C；
步骤五.将得到的悬浊液C转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，放入电热恒温干燥烘箱中150℃保温12h；
步骤六.反应结束后，反应釜随炉冷却至室温，随后取出得到的初始电极材料，用去离子水超声清洗30min，每10min换一次去离子水。并于60℃恒温干燥12h；
步骤七.用数控双脉冲电镀电源进行电化学离子交换：铂电极接正极，步骤六得到的初始电极材料接负极，以NiCl2溶液为电解液，加热至40-80℃，正向脉冲参数：导通时间0.7ms，关断时间1.8ms，工作时间10ms；反向脉冲参数：导通时间0.7ms，关断时间1.8ms，工作时间5ms。正向平均电流0.2A，反向平...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱慧灵，陈镜伦，张萌，刘瑞，郑聪，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37