一种Mo金属掺杂MnO2电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Mo金属掺杂MnO2电极材料及其制备方法和应用，属于电极材料制备技术领域。本发明专利技术是以乙炔黑、高锰酸钾、浓硫酸、钼酸钠为原材料，首先将原材料配制成混合反应液、其次进行水热反应、抽滤、干燥，从而使高锰酸钾加热分解形成Mo金属掺杂MnO2电极材料。本发明专利技术通过简单的一步水热掺杂，得到Mo金属掺杂MnO2电极材料，其中的Mo元素在高度可逆的充放电过程中替换了部分原MnO2中Mn的位置，高价的Mo通过抑制Mn的溶解从而提高了MnO2的循环性能，改善了锰基材料锌离子电池的整体电化学性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种Mo金属掺杂MnO2电极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电极材料制备
，具体涉及一种Mo金属掺杂MnO2电极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在水系锌离子电池(ZIB)体系中，锰基材料由于其理论容量高，放电平台大以及较低的成本受到研究者们越来越广泛的关注。然而在实际充放电中，Zn
2+
在阴极材料的嵌入脱嵌过程会导致材料体积膨胀或者结构坍塌，降低电池的能量密度；伴随着的歧化反应则会导致锰离子发生溶解，进而减弱其循环稳定性；晶格间的静电作用，不可逆的副反应也影响着电化学性能进一步提升。这些不足都严重阻碍锌离子电池的进一步发展。目前大部分提高锌离子电池稳定性的方法主要包括：对材料结构进行包覆防止结构的坍塌和改变；对电解液进行改良抑制锰离子的溶解；进行掺杂或缺陷处理形成新的化学键进而优化性能。但这些方法大多比较繁琐，并且耗时成本高。
[0003]基于上述理由，特提出本申请。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题或缺陷，本专利技术的目的在于提供一种Mo金属掺杂MnO2电极材料及其制备方法和应用，解决或至少部分解决现有技术中存在的上述技术缺陷。
[0005]本申请专利技术人在实际研究中开发了一种通过简单的一步水热反应得到高价态金属Mo(+6价)掺杂MnO2电极材料的方法。通过简单的一步水热掺杂，得到Mo金属掺杂MnO2电极材料，其中的Mo元素在高度可逆的充放电过程中替换了部分原MnO2中Mn的位置，高价的Mo通过抑制Mn的溶解从而提高了MnO2的循环性能，改善了锰基材料锌离子电池的整体电化学性能。
[0006]为了实现本专利技术的上述其中一个目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种Mo金属掺杂MnO2电极材料的制备方法，是以乙炔黑、高锰酸钾、浓硫酸、钼酸钠为原材料，首先将原材料配制成混合反应液、其次进行水热反应、抽滤、干燥，从而使高锰酸钾加热分解形成Mo金属掺杂MnO2电极材料。
[0008]上述所述Mo金属掺杂MnO2电极材料的制备方法，具体包括如下步骤：
[0009](1)混合反应液的配制：室温下，按配比将高锰酸钾和钼酸钠加入到去离子水中，然后加入乙炔黑和浓硫酸，搅拌使其完全溶解、分散均匀，将所得混合反应液转移至聚四氟乙烯内衬中；
[0010](2)水热反应：将步骤(1)装有混合反应液的聚四氟乙烯内衬放入反应釜中，然后置于干燥箱中进行水热反应；其中，所述干燥箱的温度设置为100～200℃，反应时间设置为1～35h；反应完成后，将所得产物抽滤、烘干，得到所述的Mo金属掺杂MnO2电极材料。
[0011]进一步地，上述技术方案步骤(1)中，所述高锰酸钾的用量为5～100mmol，所述钼
酸钠的用量为0.05～10mmol，所述乙炔黑的用量为10～100mg，所述浓硫酸(浓度为95～98％)的用量为1～10ml，所述去离子水的用量为50～500ml。
[0012]进一步地，上述技术方案步骤(1)中，所述钼酸钠与高锰酸钾的摩尔比为1：100～1：1，较优选为1：50～1：10；例如所述钼酸钠与高锰酸钾的摩尔比可以为1：50、1：25、1：16.67、1：12.5、1：10(本申请附图中表示为0.02、0.04、0.06、0.08、0.1)。
[0013]优选地，上述技术方案步骤(1)中，所述钼酸钠与高锰酸钾的摩尔比为1：25(本申请附图中表示为0.04)。
[0014]进一步地，上述技术方案，步骤(2)中，所述干燥箱的温度设置为120℃，所述反应时间为10～20h。
[0015]优选地，述技术方案，步骤(2)中，所述干燥箱的温度设置为120℃，所述反应时间为12h。
[0016]进一步地，上述技术方案，步骤(2)中，所述烘干采用的工艺具体如下：放入干燥箱中在60℃～80℃条件下干燥8～12h。
[0017]本专利技术的第二个目的在于提供上述所述方法制备得到的Mo金属掺杂MnO2电极材料。
[0018]本专利技术的第三个目的在于提供上述所述方法制备得到的Mo金属掺杂MnO2电极材料在制备水系锌离子电池中的应用。
[0019]一种水系锌离子电池正极材料，包括正极活性材料、导电剂和粘结剂，所述正极活性材料为本专利技术上述所述方法制备得到的Mo金属掺杂MnO2电极材料。
[0020]一种水系锌离子电池正极，该正极包括集流体及涂覆和/或填充于集流体上的正极材料，所述正极材料为本专利技术上述所述水系锌离子电池正极材料。
[0021]一种水系锌离子电池，包括正极、负极、设置于正负极之间的隔膜、电解液及壳体，所述正极为本专利技术上述所述的水系锌离子电池正极，所述负极为锌基材料。
[0022]本专利技术的反应机理如下：
[0023]在本专利技术的水热反应中，高锰酸钾受热分解得到二氧化锰，但是二氧化锰有很多不同的晶相，通过加入浓硫酸，使本专利技术受热分解得到的二氧化锰为α
‑
MnO2；又由于二氧化锰本身的导电性能不好，我们通过添加乙炔黑来提高其导电性。另外，二氧化锰的在水系锌电中的循环性能也较差，本专利技术通过加入钼源(钼酸钠)掺杂高价Mo来得到Mo
‑
MnO2，高价的Mo通过抑制Mn的溶解从而提高了MnO2的循环性能。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：
[0025]第一点，本专利技术的合成方法非常简单，是直接通过一步水热法得到目标产物Mo
‑
MnO2，相较于现有的一些合成技术而言，工序上面优化了很多。
[0026]第二点，本专利技术通过掺杂高价Mo，使得本专利技术的二氧化锰导电性得到了提高，由本申请附图7(阻抗图)可知，其中R
S
为电池内部接触阻抗，R
P
为电子转移阻抗，纯相MnO2的R
S
(8.846Ω)和R
P
(25.55Ω)，掺杂Mo之后得到Mo
‑
MnO2的R
S
(2.117Ω)和R
P
(23.74Ω)，阻抗都降低了，说明掺杂Mo后，将得到的Mo
‑
MnO2作为电极活性材料组装的水系锌离子电池的内阻下降了，提高了其导电性。
[0027]第三点，本专利技术通过掺杂高价Mo，使得本专利技术的二氧化锰在水系锌离子电池中的循环性能也得到了显著提升。通过附图可知，在同一电流密度下(2A/g)，循环1000圈充放电
后，由纯相二氧化锰作为正极活性材料组装的水系锌离子电池的容量已经由首圈的155mAh g
‑1下降到了35mAh g
‑1，容量保持率只有约22.6％；而由Mo
‑
MnO2作为正极活性材料组装的水系锌离子电池的容量由首圈的84mAh g
‑1经过1000圈循环后依然有70mAh g
‑1，容量保持率为82.6％。
附图说明
[0028]图1(a)、(b)分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Mo金属掺杂MnO2电极材料的制备方法，其特征在于：以乙炔黑、高锰酸钾、浓硫酸、钼酸钠为原材料，首先将原材料配制成混合反应液、其次进行水热反应、抽滤、干燥，从而使高锰酸钾加热分解形成Mo金属掺杂MnO2电极材料。2.根据权利要求1所述的Mo金属掺杂MnO2电极材料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：(1)混合反应液的配制：室温下，按配比将高锰酸钾和钼酸钠加入到去离子水中，然后加入乙炔黑和浓硫酸，搅拌使其完全溶解、分散均匀，将所得混合反应液转移至聚四氟乙烯内衬中；(2)水热反应：将步骤(1)装有混合反应液的聚四氟乙烯内衬放入反应釜中，然后置于干燥箱中进行水热反应；其中，所述干燥箱的温度设置为100～200℃，反应时间设置为1～35h；反应完成后，将所得产物抽滤、烘干，得到所述的Mo金属掺杂MnO2电极材料。3.根据权利要求2所述的Mo金属掺杂MnO2电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述高锰酸钾的用量为5～100mmol，所述钼酸钠的用量为0.05～10mmol，所述乙炔黑的用量为10～100mg，所述浓硫酸的用量为1～10ml，所述去离子水的用量为50～...

【专利技术属性】
技术研发人员：万厚钊，郑兆涵，王浩，吕琳，马国坤，汪汉斌，张军，
申请(专利权)人：湖北江城实验室，
类型：发明
国别省市：