一种铁掺杂四氧化三钴正极材料及其制备方法和在锌基碱性电池中的应用技术

本发明专利技术属于电池正极材料技术领域，具体涉及一种铁掺杂四氧化三钴正极材料在锌基碱性电池的应用。将硝酸钴、硝酸铁和六次甲基四胺加入去离子水中，搅拌，将所得混合溶液移入反应釜中，再将经过预处理的导电衬底垂直浸于溶液中，进行水热反应后，取出真空干燥，得到负载有前躯体的样品置于马弗炉中于煅烧，得铁掺杂四氧化三钴正极材料。以铁掺杂四氧化三钴正极材料应用于锌基碱性电池，从电化学测试中可以得出，铁掺杂四氧化三钴材料相对于原始四氧化三钴存在一个较高的比容量。本发明专利技术合成工艺简单，节约环保，价格低廉，有望成为一种新型的储能器件。能器件。

【技术实现步骤摘要】
一种铁掺杂四氧化三钴正极材料及其制备方法和在锌基碱性电池中的应用


[0001]本专利技术属于电池正极材料
，特别涉及一种铁掺杂四氧化三钴正极材料及其制备方法和在锌基碱性电池中的应用。

技术介绍

[0002]由于化石燃料的快速消耗，寻找可持续能源是非常必要的。波动和间歇性的可再生能源的成功应用需要可靠和有效的能源储存。作为一种储能策略，电池已经获得了巨大的成功。例如，因为锂离子电池高能量密度和稳定性，使其已经成功地商业化。然而，很多问题，如高成本(每吨约9万美元)、潜在的危险和健康危害，还没有得到充分解决。除了锂离子电池外，近年来锌基电池吸引了广泛的关注，因为锌资源丰富，价格低廉、内在的安全性和高理论容量。迄今为止，Zn
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Mn、Zn
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NiO和Zn
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Ag电池已被广泛探索。充电和放电过程，涉及金属锌和活性材料的氧化和还原反应。然而，受限于理论容量的不足和正极材料的低利用率，其实际容量并不具有吸引力。例如，Zn
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Ni电池的工作容量为165mAh/g。只有理论值的46％(360mAh/g)，导致能量密度较低(228Wh/kg)。在锌基电池中，Zn
‑
Co电池最近取得了很大的进展。钴基材料由于其高理论容量、高电位、高氧化还原活性和良好的可逆性而被认为是一种伟大的电极材料。然而，由于受电导率低和比表面积小的限制，其实际容量远远低于理论容量。钴氧化物(Co3O4)作为一种过渡金属氧化物，可用作正极材料，在碱性电池中，显示出较高的理论容量为446mAh/g，工作电压高达1.8V。即使有了很好的成就，考虑到Co3O4的理论能力，对活性材料的利用仍然不足(低于50％)，导致了产能的浪费。除了使用碱性电解质外，由Co(III)富Co3O4组装的锌电池应用温和电解质可以在2V电压下工作，容量为205mAh/g。相比之下，碱性电解质中的锌电位(
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1.22VvsSHE)的电位比温和电解质(
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0.76V vs SHE)中的值更低，这为更高的电池电压提供了可能性。此外，在温和的电解质中，析氢反应和非活性锌水合物的形成较严重，导致Zn电极的可逆性较差，因此Co3O4在碱性电解质中的理论容量几乎是温和溶液的两倍。为此，我们选择了碱性溶液作为电解液，制备了锌基碱性电池。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种铁掺杂四氧化三钴正极材料在锌基碱性电池的应用，所提供的锌基碱性电池比容量得以显著改善。
[0004]本专利技术采用的技术方案是：一种铁掺杂四氧化三钴正极材料，制备方法包括如下步骤：将硝酸钴、硝酸铁和六次甲基四胺加入去离子水中，搅拌溶解后，继续搅拌1h后，将所得混合溶液移入反应釜中，再将事先处理好的泡沫镍垂直浸末于溶液中，进行水热反应后，取出真空干燥，得到负载有前躯体的样品。最后将所得的产物置于马弗炉中于煅烧，得铁掺杂四氧化三钴正极材料。
[0005]优选的，上述的一种铁掺杂四氧化三钴正极材料，按摩尔比，硝酸钴:六次甲基四
胺:硝酸铁＝1:1:0.1～1。
[0006]优选的，上述的一种铁掺杂四氧化三钴正极材料，所述水热反应是，120℃下反应16h。
[0007]优选的，上述的一种铁掺杂四氧化三钴正极材料，所述真空干燥是，真空干燥箱中在60℃下干燥12h。
[0008]优选的，上述的一种铁掺杂四氧化三钴正极材料，所述煅烧是，马弗炉中于450℃下煅烧2h。
[0009]本专利技术提供的一种铁掺杂四氧化三钴正极材料在锌基碱性电池中的应用。
[0010]一种基于铁掺杂四氧化三钴正极材料的锌基碱性电池，制备方法为：将铁掺杂四氧化三钴正极和负极锌片分别裁剪，然后将正极电极片和负极夹在电极夹，放在带有电解液的电解池里，电极材料最上方与电解液齐平，组成铁掺杂四氧化三钴锌基碱性电池。
[0011]优选的，所述导电衬底是泡沫镍，泡沫铜，碳布的一种。
[0012]优选的，所述电解液是氢氧化钾，氢氧化钠，氢氧化钙的一种。
[0013]本专利技术的有益效果是：
[0014]1、本专利技术，设计了一种基于铁掺杂四氧化三钴正极材料的锌基碱性电池。具有如下优点：钴和铁原子在元素周期表中相邻，并且具有相似的离子半径和氧化态以及物理化学性质。同时，铁原子的掺杂不会引起Co3O4晶格的较大畸变。并且该合成方法具有成本低、环境友好、形貌可控等优点。
[0015]2、本专利技术，铁掺杂四氧化三钴正极材料组装的锌基碱性电池在铁掺杂后，比容量增大了149.53mAh/g，比容量高达171.97mAh/g，比原始四氧化三钴正极材料增大了大约7.7倍。
[0016]3、本专利技术，选取的材料具有很好的赝电容性能，而且具有廉价，环保、可回收性。同时还具有高的理论比容量值和很好的稳定性。
附图说明
[0017]图1是本专利技术制备的四氧化三钴和铁掺杂四氧化三钴电极片的XRD谱图。
[0018]图2是本专利技术制备的铁掺杂四氧化三钴电极片的SEM谱图。
[0019]图3是本专利技术制备的铁掺杂四氧化三钴锌基碱性电池的循环伏安曲线对比图。
[0020]图4是本专利技术制备的铁掺杂四氧化三钴锌基碱性电池的比容量对比图。
具体实施方式
[0021]实施例1
[0022](一)铁掺杂四氧化三钴正极材料，制备方法如下：
[0023]称取1.5g硝酸钴和1.5g六次甲基四胺分别溶解在30mL蒸馏水中，将其混合后加入钴与铁摩尔比为1：0.4的硝酸铁，在室温下进行磁力搅拌1h，使之充分混合。将充分混合好的溶液转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中，将泡沫镍(3cm
×
4cm)用盐酸浸泡去除氧化层，再用丙酮和去离子水依次清洗去除杂质。再将处理好的泡沫镍垂直浸末于反应釜的溶液中，密封。在120℃下恒温处理16h，待反应釜完全冷却至室温时，将泡沫镍取出，用去离子水、无水乙醇反复淋洗，以便去除残余的反应物和未负载的纳米颗粒碎片，于真空干
燥箱中在60℃下干燥12h。得到负载有前躯体的样品。最后将所得的产物置于马弗炉中于450℃下煅烧2h，即可制备得到在泡沫镍上生长的Fe
‑
Co3O4电极片。
[0024](二)检测
[0025]图1是本专利技术制备的铁掺杂四氧化三钴正极材料和四氧化三钴正极材料的XRD谱图。由图1可见，Fe掺杂之后，样品的XRD谱图并未表现出明显的变化，个别峰的偏移说明Fe离子成功掺杂进了Co3O4中。
[0026]图2是本专利技术制备的铁掺杂四氧化三钴正极材料的SEM谱图。由图2可见，铁掺杂四氧化三钴均匀的生长在泡沫镍导电衬底上，样品形貌也没有发生明显的变化。
[0027]实施例2
[0028]铁掺杂四氧化三钴正极材料，制备方法如下：
[0029]称取3g硝酸钴和3g六次甲基四胺分别溶解在30mL蒸馏水中，将其混合后加入钴与铁摩尔比为1：0.1的硫酸铁，在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁掺杂四氧化三钴正极材料，其特征在于，制备方法包括如下步骤：将硝酸钴、硝酸铁和六次甲基四胺加入去离子水中，搅拌，将所得混合溶液移入反应釜中，再将经过预处理的导电衬底垂直浸于溶液中，进行水热反应后，取出真空干燥，得到负载有前躯体的样品置于马弗炉中于煅烧，得铁掺杂四氧化三钴正极材料。2.根据权利要求1所述的一种铁掺杂四氧化三钴正极材料，其特征在于，按摩尔比，硝酸钴:六次甲基四胺:硝酸铁＝1:1:0.1～1。3.根据权利要求1所述的一种铁掺杂四氧化三钴正极材料，其特征在于，所述水热反应是，120℃下反应16h。4.根据权利要求1所述的一种铁掺杂四氧化三钴正极材料，其特征在于，所述真空干燥是，真空干燥箱中在60℃下干燥12h。5.根据权利要求1所述的一种铁掺杂四氧化三钴正极材料，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：马天翼，李嘉斫，张思文，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：