一种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MnO2电极材料及其制备方法和应用，属于储能材料技术领域。本发明专利技术MnO2电极材料的制备方法，包括以下几个步骤：(1)将聚乙二醇滴入高锰酸钾水溶液中搅拌均匀；(2)将配制好的溶液放入高压反应釜中进行水热反应；(3)对反应后的溶液进行过滤、干燥处理；(4)收集干燥后的样品并在空气中进行退火处理，得到所述的MnO2电极材料。本发明专利技术制备得到的MnO2电极材料具有较高的表面活性位点，而且MnO2表面有一层C膜，使得MnO2电极材料具有良好的导电性和较高的比容量。其在5A/g电流密度下充放电2000圈后比容量从143.0mAh/g降到98.6mAh/g，比容量保持率接近70％。比容量保持率接近70％。比容量保持率接近70％。

【技术实现步骤摘要】
一种MnO2电极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于储能材料
，具体涉及一种电极材料，更具体地说，本专利技术涉及一种MnO2电极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着近些年来世界经济的快速发展，导致能源危机日益严重，人们对高效储能装置的研究与开发逐渐关注起来。目前，锂离子电池由于比能量高而在电池市场上得到广泛应用。但是，地球上的锂资源较少，使得含锂材料价格昂贵，最重要的是，锂离子电池存在安全隐患，因锂离子电池爆炸引起的火灾时有发生，这亟需我们去探索一种安全性高的储能装置。水基电解液的锌离子二次电池首当其冲，由于没有爆炸的危险，它被认为是替代锂离子电池最有希望的候选者之一。
[0003]水系锌离子二次电池具有比容量大、安全性高、成本低、环境友好等优点，具有广阔的应用前景。然而，水系锌离子电池仍然存在一系列挑战，高性能阴极材料的发展是人们关注的焦点之一。
[0004]水系锌离子电池的阴极材料主要包括锰基氧化物、钒基氧化物、普鲁士蓝类似物和有机化合物。由于锰基氧化物在地球上储存量丰富、无污染、放电电压高得到了广泛的研究。MnO2具有丰富多样的晶体结构，如α
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MnO2、β
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MnO2、γ
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MnO2、δ
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MnO2。但是不同方法制作出来的MnO2性能千差万别，这就需要开发新的方法提高水系锌离子电池的电化学性能。
[0005]基于上述理由，特提出本申请。

技术实现思路

[0006]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。
[0007]本专利技术开发出了一种MnO2电极材料的制备方法，包括以下几个步骤：
[0008](1)将聚乙二醇滴入高锰酸钾水溶液中搅拌均匀；
[0009](2)将配制好的溶液放入高压反应釜中进行水热反应；
[0010](3)对反应后的溶液进行过滤、干燥处理；
[0011](4)收集干燥后的样品并在空气中进行退火处理，得到所述的MnO2电极材料。
[0012]进一步地，步骤(1)中溶液配制是将一定量的高锰酸钾加入到去离子水中，然后用移液枪滴入聚乙二醇，放在磁力搅拌机上搅拌使其完全溶解，将所得溶液倒入聚四氟乙烯内胆中，其中所述高锰酸钾的用量为1～100mmol，聚乙二醇的用量为1～300ml，去离子水的用量为10～6000ml。
[0013]更进一步的地，上述技术方案，步骤(1)中所述高锰酸钾、聚乙二醇、去离子水的用量比为1mmol：3ml：60ml。
[0014]作为本专利技术的一个优选实施方式，上述技术方案中步骤(1)所述溶液是按如下方法制备而成的：
[0015](a)在室温下用称量纸称量0.15g高锰酸钾轻放入洗净的烧杯中；
[0016](b)在室温下用量筒称量60ml去离子水倒入(a)中的烧杯，形成溶液A；
[0017](c)在室温下用移液枪取3ml聚乙二醇滴入溶液A中，并放在磁力搅拌机上搅拌使其完全溶解形成溶液B；
[0018](d)在室温下将溶液B倒入聚四氟乙烯内胆中，待用。
[0019]进一步地，上述技术方案，步骤(2)所述水热反应是将步骤(1)中的聚四氟乙烯内胆放入衬有特氟隆的不锈钢反应釜中，然后放入干燥箱中，进行反应。其中，干燥箱的温度设置为100～300℃，反应时间设置为1～30h。
[0020]更进一步地，上述技术方案，所述干燥箱的温度设置为160℃，反应时间设置为5h。
[0021]进一步地，步骤(3)所述的过滤是将聚四氟乙烯内胆从不锈钢反应釜中取出，将其溶液倒入抽滤装置中，用去离子水和乙醇或丙酮清洗过滤，用滤纸收集过滤后的粉末样品，并放入干燥箱中干燥。
[0022]进一步地，步骤(4)所述的退火是将干燥后的样品放入高温烧结炉中在气体氛中反应。其中退火温度设置为100～800℃，退火时间设置为0.5～12h。通过XRD、热重差热图(DTA)等表征测试，可以看出随设置的反应温度升高，生成的样品氧空位增多，使得样品表面具有较高的活性位点。但是随着温度上升到约550℃，样品会从MnO2相变成Mn2O3，其产物循环后比容量也会随着物相改变而降低。
[0023]优选地，所述退火步骤是在空气气氛中进行，所述退火温度优选为400℃，退火时间优选为2h。
[0024]本专利技术的第二个目的在于提供采用上述所述方法制备得到的MnO2电极材料。
[0025]本专利技术的第三个目的在于提供采用上述所述方法制备得到的MnO2电极材料在水系锌离子电池中的应用。
[0026]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MnO2电极材料。
[0027]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。
[0028]进一步地，上述技术方案，所述水系锌离子电池正极的制备方法具体如下：
[0029]将所述MnO2电极材料作为活性物质，聚四氟乙烯(PTFE)或者聚偏氟乙烯(PVDF)作为粘黏剂，乙炔黑作为导电剂，研磨均匀后滴入N
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甲基吡咯烷酮(NMP)，再次研磨得到电极浆料，以不锈钢网作为集流体，将制作好的电极浆料涂在不锈钢网上，干燥，压片，得到所述的水系锌离子电池正极。
[0030]优选地，上述技术方案，所述MnO2电极材料、聚四氟乙烯(PTFE)或者聚偏氟乙烯(PVDF)、乙炔黑、N
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甲基吡咯烷酮(NMP)加入量比例为70mg:10mg:20mg:1ml。
[0031]优选地，上述技术方案，所述电极浆料是在尺寸为3cm(宽)
×
6cm(长)的不锈钢网片上均匀涂抹。
[0032]优选地，所述干燥采用的烘干温度为65℃，干燥时间在8h以上，优选干燥12h。
[0033]优选地，所述压片时压力为10MPa，时间为30s。
[0034]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。
[0035]本专利技术的反应机理如下：
[0036]本专利技术水热反应中高锰酸钾和聚乙二醇发生氧化还原反应，高锰酸钾被还原生成MnOOH。将生成的MnOOH放在高温烧结炉中，以不同温度通过空气气氛进行退火，退火过程中三价锰在氧气作用下氧化成四价锰，并形成氧空位，氧空位的存在提高了样品的比表面积，而且水热反应中聚乙二醇分解后在MnOOH表面留下一部分C元素，提高了纯MnO2的比容量。
[0037]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：
[0038]本专利技术通过水热合成法制备MnO2电极材料，工艺流程非常简单，大大简化了实验程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MnO2电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下几个步骤：(1)将聚乙二醇滴入高锰酸钾水溶液中搅拌均匀；(2)将配制好的溶液放入高压反应釜中进行水热反应；(3)对反应后的溶液进行过滤、干燥处理；(4)收集干燥后的样品并在空气中进行退火处理，得到所述的MnO2电极材料。2.根据权利要求1所述的MnO2电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)溶液配制是将一定量的高锰酸钾加入到去离子水中，然后用移液枪滴入聚乙二醇，放在磁力搅拌机上搅拌使其完全溶解，将所得溶液倒入聚四氟乙烯内胆中，其中所述高锰酸钾的用量为1～100mmol，聚乙二醇的用量为1～300ml，去离子水的用量为10～6000ml。3.根据权利要求1所述的MnO2电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述水热反应的温度设置为100～300℃，反应时间设置为1～30h。4.根据权利要求1所述的MnO2电极材料的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，秦晨晨，万厚钊，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：