一种Ni掺杂δ-MnO2材料制备方法及其在钾离子电池中应用技术

本发明专利技术公开了一种Ni掺杂δ-MnO2材料制备方法及其在钾离子电池中应用。该方法按KMnO4、KF与[Ni(NO3)2·

【技术实现步骤摘要】
一种Ni掺杂
δ-MnO2材料制备方法及其在钾离子电池中应用


[0001]本专利技术属于纳米材料制备
，涉及一种Ni掺杂δ-MnO2材料制备方法及其在钾离子电池中应用。

技术介绍

[0002]目前，作为应用最为广泛的二次电池，锂离子电池的发展受限于较低的地壳存储含量和不均匀的地理分布，无法满足未来日益增长的大规模低成本储能需求。在新型能源存储技术中，钾离子电池因钾元素的资源丰富性、与锂相似的化学性质和低成本优势，成为近年来能源存储领域的研究热点。
[0003]钾离子由于半径较锂离子大对正极材料的离子扩散通道构建和结构稳定性提出了更为严苛的要求。截止目前，只有少数化合物被用作钾离子电池正极材料(包括层状过渡金属氧化物、过渡金属六氰基铁酸盐、有机材料和一些其他化合物)。具有层状结构的含钾过渡金属氧化物(KxMO2:0<x<1；M＝Mn,Co,Fe,Cr,etc.) 因其开放的二维离子传输通道被认为是最具优势的材料种类之一。其中，层状锰基氧化物由于其原料丰富、低成本以及较高氧化还原电势的优势，受到研究者们的广泛关注 (Haegyeom Kim；Investigation of Potassium Storage in Layered P3-Type K 0.5MnO
2 Cathode；Advanced Materials)。
[0004]然而，目前报道的以P2和P3结构为主的KxMnO2正极材料由于有限的层间空间导致K
+
离子扩散缓慢。在含有结晶水的层状化合物中，结晶水可以充当层间支柱以增大层间距并抑制结构变化，因而K-水钠锰矿成为有潜力的钾离子电池正极材料。然而，在高电压脱钾状态时，纯锰基水钠锰矿KxMnO2·
yH2O结构稳定性易受损，限制了其可逆容量，导致循环寿命偏低，因此实现Ni掺杂是提升水钠锰矿电极材料稳定性的有效策略(Muhammad Asif，Ni-doped MnO2/CNT nanoarchitectures as a cathode material for ultra-long life magnesium/lithium hybrid ion batteries；Materials Today Energy)。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种Ni掺杂δ-MnO2材料制备方法及其在钾离子电池中应用。所述方法通过一步水热合成Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列，提高容量和循环稳定性。
[0006]实现本专利技术目的的技术方案如下：
[0007]钾离子电池δ-MnO2电极材料掺杂改性的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将KMnO4溶液、KF溶液和[Ni(NO3)2·
6H2O或Ni(Cl)2·
6H2O或NiSO4·
6H2O]溶液按比例混合，用稀H2SO4调节pH至3～6，加入基底材料，于80℃～180℃下进行水热反应，反应结束后，冲洗，烘干得到Ni掺杂的δ-MnO2纳米片阵列。
[0009]优选地，所述的KMnO4与KF的摩尔比为1：1～5。
[0010]优选地，所述的稀H2SO4的浓度为1M，调节pH值为3～6。
[0011]优选地，所述的基底材料可以是不锈钢片、钛片、镍网、金箔、铂箔，以及碳纤维、碳
纳米管等碳材料。
[0012]优选地，所述的水热反应温度为80℃～180℃。
[0013]优选地，所述的所述的镍盐为Ni(NO3)2·
6H2O、Ni(Cl)2·
6H2O、NiSO4·
6H2O中的一种。
[0014]优选地，所述的KMnO4、KF与[Ni(NO3)2·
6H2O或Ni(Cl)2·
6H2O或NiSO4·
6H2O]的摩尔比为1：1～5：1～3。
[0015]优选地，所述的反应时间为60min～240min。
[0016]本专利技术还提供上述制备方法制得的一种钾离子电池δ-MnO2电极材料掺杂改性的制备方法。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0018]本专利技术在纯锰基水钠锰矿结构的基础上，通过水热掺杂Ni元素，提高离子传输能力的同时提高了结构稳定性，使得材料的可逆容量，倍率性能以及循环稳定性得以提高。
附图说明
[0019]图1是实施例2制备的Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列的XRD图。
[0020]图2是实施例2制备的Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列的SEM图。
[0021]图3是对比例1制备的无Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列的XRD图。
[0022]图4是对比例1制备的无Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列的SEM图。
[0023]图5是实施例2制备的Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列在1.5v～4v电位区间0.1A/g电流密度下的充放电曲线图。
[0024]图6是实施例2制备的Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列在1.5v～4v电位区间0.1A/g电流密度下的充放电循环图。
[0025]图7是对比例1制备的无Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列在1.5v～4v电位区间0.1A/g 电流密度下的充放电曲线图。
[0026]图8是对比例1制备的无Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列在1.5v～4v电位区间0.1A/g 电流密度下的充放电循环图。
[0027]图9是对比例2制备的Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列在1.5v～4v电位区间0.1A/g电流密度下的充放电曲线图。
[0028]图10是对比例2制备的Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列在1.5v～4v电位区间0.1A/g电流密度下的充放电循环图。
具体实施方式
[0029]下面结合实施例和附图对本专利技术做进一步详细的描述。
[0030]实施例1
[0031]按KMnO4、KF与Ni(Cl)2·
6H2O的摩尔比为1：1：1，将1mmol KMnO4、1mmolKF 和1mmolNi(Cl)2·
6H2O分别溶于20ml去离子水中，均匀混合两溶液，，用稀H2SO4调节 pH至6，加入3cm*3cm的碳布作为基底材料，180℃下进行水热反应60min，反应结束后，产物用去离子水冲洗，60℃烘箱烘干得到Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列材料。循环性能体现为：在0.1A/g的电流密度下初始容量105mAh/g,循环30圈之后容量保持率 60％。
SEM图，可见δ-MnO2呈阵列状，阵列结构由纳米片组装而成，而且相较于原始材料纳米片产生了大量褶皱。
[0046]图5展示了实施例2制备的Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列在1.5v～4v电位区间0.1A/g 电流密度下的充放电曲线，在0.1A/g的电流密度下初始容量120mAh/g，相较于原始材料，提高了20％。
[0047]图6展示了实施例2制备的Ni掺杂δ-MnO2纳米片阵列在1.5v～4v电位区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.Ni掺杂δ-MnO2材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将KMnO4溶液、KF溶液和[Ni(NO3)2·
6H2O或Ni(Cl)2·
6H2O或NiSO4·
6H2O]溶液按比例混合，用稀H2SO4调节pH至1～6，加入基底材料，于80℃～180℃下进行水热反应，反应结束后，冲洗，烘干得到δ-MnO2纳米片阵列。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的KMnO4与KF的摩尔比为1：1～5。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的稀H2SO4的浓度为1M，调节pH值为3～6。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的基底材料可以是不锈钢片、钛片、镍网、金箔、铂箔、碳纤维或碳纳米管。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晖，卞海晨，徐璟，耿浩，李晓舟，张薇，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：