一种水系锌离子电池电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电池电极材料技术领域，特别涉及一种水系锌离子电池电极材料及其制备方法和应用。本发明专利技术将锰盐和碳混合、研磨，得到前驱体、微波反应，得到所述水系锌离子电池电极材料的锰基氧化物和碳的复合材料。通过本发明专利技术的制备方法得到的锰基氧化物和碳的复合材料，作为二次电池电极材料使用，表现出较高能量密度及良好的循环稳定性。本发明专利技术具有工艺流程少、原材料成本低、合成时间极短、能耗低、环境友好、安全无毒害且性能优良的优势，适宜于规模化生产放大。化生产放大。化生产放大。

【技术实现步骤摘要】
一种水系锌离子电池电极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于水系锌离子电池材料
，特别涉及一种快速制备的低成本高容量水系锌离子电池电极材料，并进一步公开其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]针对日益严重的环境污染、石油枯竭等问题，同时响应国家双碳政策的发展，探索可持续的清洁能源迫在眉睫。由于太阳能、地热能等能源的随即间歇性，开发具有高能量密度、安全可靠的储能系统势在必行。如今的储能系统中，具有高能量密度、宽化学窗口等优势的锂离子电池在商业市场一骑绝尘。但锂资源有限、采用有毒易燃的有机电解液、价格高昂，以及饱受诟病的安全问题限制了其进一步发展。
[0003]相对而言，水系锌离子电池则因为锌资源储量丰富，具有多价离子的特性即多电子转移以获得较高的理论容量(820mAh g
‑1)及较低的氧化还原电势(
‑
0.76V vs标准氢电极)，采用成本较低的水系电解液，安全环保，操作简单等诸多优势成为替代锂离子电池在储能领域的有力解决方案。
[0004]其中，合适的正极材料是水系锌离子电池的重要组成部分。近年来，广泛应用于水系锌离子正极的材料主要包括三类，分别是：钒基氧化物、普鲁士蓝类似物、锰基氧化物。其中，具有较大层间距的层状/隧道结构的钒基氧化物因为插层机制在阳离子进出过程中极大程度维持了宿主结构的稳定性表现出良好的电化学性能，尤其是大电流密度下具有优异的容量保持率。但是在较低电流密度下充放电时导致的结构坍塌以及在弱酸性电解液中溶解钒造成的电化学性能下降以及在较低的工作电压(<1.0V)造成的能量密度低限制了其大规模应用。除此之外，普鲁士蓝类似物虽然具有较高的工作电压(～1.7V)，但较低的理论容量(<100mAh g
‑1)使其不能满足商业化的需求。
[0005]锰基氧化物具有较高的理论比容量(308mAh g
‑1基于1个电子转移)、较高的工作电压(～1.4V)以及合适的电化学窗口，成本较低，安全环保，制备简单，被认为是最有潜力的正极材料。
[0006]微波快速合成高性能的锰基氧化物和碳的复合材料相较于传统的高温煅烧方式而言在加热时间和成本方面具有显著优势，引入碳提高了材料的导电性，且产量惊人，为合成低成本高容量水系锌离子电池电极材料提供了有效路径。

技术实现思路

[0007]基于现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的之一在于提供一种快速制备高容量低成本的水系锌离子电极材料的制备方法，该方法将锰基氧化物与碳按比例混合研磨，最后置于家用微波炉中热处理，得到锰基氧化物和碳的复合材料。该方法引入碳，得到的锰基氧化物纳米颗粒均匀分布于碳周围，一定程度上提高了材料的导电性。通过本专利技术所述方法获得的锰基氧化物和碳的复合材料用作水系锌离子电池正极，展现了优异的倍率性能和良好的循环能力。
[0008]为了实现上述目的，专利技术的技术方案如下：
[0009]S1、将锰盐和碳材料按比例混合、研磨(粒径20nm
‑
50μm)，得到前驱体；
[0010]S2、将所述前驱体进行微波反应得到。
[0011]进一步地，步骤S1中所述锰盐包括：醋酸锰及其水合物、碳酸锰及水合物或草酸锰及其水合物等化合物中的至少一种。
[0012]锰盐优选四水合醋酸锰。
[0013]进一步地，步骤S1中所述碳材料为碳纳米管、石墨、导电炭黑、木炭、焦炭、活性炭等碳材料中的至少一种。
[0014]碳材料优选碳纳米管。
[0015]进一步地，步骤S1中所述锰盐和碳材料的质量比为(5～45):1。
[0016]进一步地，步骤S2中所述微波炉为普通家用微波炉，频率为2450MHz。
[0017]进一步地，步骤S2中所述微波反应时间为1～10min，优选3
‑
5min。
[0018]本专利技术可以在空气气氛中进行微波反应，极大简化了操作，节省了成本。
[0019]本专利技术的目的之二在于提供一种低成本高容量锰基氧化物和碳的水系锌离子电极复合材料，该复合材料由上述任一实施方式的制备方法制成。
[0020]本专利技术的目的之三在于提供所述的水系锌离子电池电极材料在制备水系锌离子电池正极中的应用。
[0021]本专利技术的目的之四在于提供一种电极极片，该电极极片包括上述材料。
[0022]本专利技术的目的之五在于提供一种水系锌离子电池，所述水系锌离子电池包括上述的极片。
[0023]相较于现有技术，本专利技术的有益效果如下：
[0024]本专利技术所述的快速制备高容量低成本的水系锌离子正极锰基氧化物和碳的复合材料的方法简单，采用廉价的锰盐作为基本原料，同时使用微波介电加热效应极强的碳材料作为加热介质，一方面加快了反应的进程，另一方面提高了材料的导电性。相较于传统的高温合成而言，极大的节约了时间以及降低了成本。同时，在空气氛围下微波，且不需要特殊的惰性气氛，更加经济便捷。通过微波合成得到的复合材料作为电极材料应用，引入碳提高了导电性，表现出高能量密度以及良好的稳定性。
[0025]将本专利技术的锰基氧化物和碳的复合材料用于水系锌离子电池，具有高的比容量和能量密度，优异的循环性能，具有良好的商业化应用前景。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的锰基氧化物和碳纳米管的复合材料制备的示意图；
[0027]图2为实施例3中反应得到的MnO/CNTs的SEM图；
[0028]图3为实施例1
‑
4得到的产物的XRD图；
[0029]图4为实施例3中反应得到的MnO/CNTs的材料的倍率性能图；
[0030]图5为实施例3中反应得到的MnO/CNTs的材料在0.2Ag
‑1电流密度下的循环曲线图；
[0031]图6为实施例3中反应得到的MnO/CNTs的材料在1Ag
‑1电流密度下的循环曲线图。
具体实施方式
[0032]为了使本专利技术的内容更容易理解，在下面描述中充分阐述具体的实施细节，并给出详细实施方式和操作过程，应当注意，本领域的普通技术人员在不脱离本专利技术原理的前提下可以做类似改进，这些改进应视为本专利技术的保护范围，因此本专利技术并不受下面公开的具体实施的限制：
[0033]实施例1
[0034]一种快速制备高容量低成本安全环保的水系锌离子正极锰基氧化物和碳纳米管的复合材料的方法，该制备方法的流程如图1所示，包括以下步骤：
[0035]S1、分别按质量比10：1称取四水合醋酸锰和碳纳米管，混合之后研磨均匀，得到前驱体；
[0036]S2、将所述前驱体转移到家用微波炉(2450MHz)700W空气氛围中反应2min，得到所述复合正极材料。
[0037]本实例制备的锰基氧化物和碳纳米管复合材料的XRD见图3。
[0038]实施例2
[0039]一种快速制备高容量低成本安全环保的水系锌离子正极锰基氧化物和碳纳米管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水系锌离子电池电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将锰盐和碳材料按比例混合、研磨，得到前驱体；S2、将所述前驱体微波反应得到。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述锰盐包括：醋酸锰及其水合物、碳酸锰及水合物、草酸锰及其水合物中的至少一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述碳材料包括碳纳米管、石墨、导电炭黑、木炭、焦炭、活性炭中的至少一种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述锰盐和碳材料的质量比为(5～45):1。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚娟，杨巧玲，刘中兴，黄健涵，刘又年，
申请(专利权)人：深圳市美特宝材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：