一种K掺杂超长α-MnO2纳米卷材料的制备方法技术

一种K掺杂超长α

【技术实现步骤摘要】
一种K掺杂超长
α
‑
MnO2纳米卷材料的制备方法


[0001]本专利技术属于二次电池
，具体涉及一种K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的制备方法。

技术介绍

[0002]二次电池作为高效的储能装置，广泛的应用于柔性器件、电动汽车等新兴领域。由于水系锌离子电池固有不燃性、经济性、安全性，从而具有广阔的大型储能应用前景。多晶相MnO2(如α
‑
、β
‑
、γ
‑
和σ
‑
)在水系电池应用扮演着非常重要的角色，其作为一种资源丰富且易合成制备的过渡金属氧化物，具有较高的理论容量(Mn
4+
/Mn
3+
，～308mAh g
‑1)和高压窗口，使水系Zn
‑
MnO2电池具有高能量密度、高安全、低成本和生态友好等突出优势。
[0003]虽然Zn
2+
的离子半径较小离子电导率较高(～1
‑
10
mS cm
‑1)，但它会与MnO2的宿主晶格产生较强的静电相互作用，扩散速度较慢，可逆性有限，从而导致阴极的电化学容量和倍率性能较差。同时，[MnO6]八面体中的Jahn
‑
Teller效应和Mn的不成比例溶解(Ⅲ)进一步使宿主晶格骨架不稳定，导致锰氧化物的不可逆溶解。因此，水系Zn
‑
MnO2如何实现高电化学容量及良好的可逆性的仍需进一步研究。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的制备方法；具有库伦效率高、电化学可逆性高等优点；本专利技术公开的K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料制备方法实验参数可控、合成效率高、简单易行，为调控α
‑
MnO2纳米卷材料的电化学性能提供研究基础。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一，将锰源与还原剂按照摩尔比1.5～4.5：1的比例混合，形成分散均匀的混合溶液；
[0008]步骤二，将混合溶液进行水热反应，经洗涤、干燥后得到具有K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料。
[0009]所述的锰源为高锰酸钾，还原剂为浓硫酸、浓盐酸、氯化铵、硫酸锰、醋酸锰、葡萄糖中的一种或任意几种。
[0010]所述的锰源与还原剂的摩尔比优选为2～4：1。
[0011]所述的混合溶液，其溶剂为去离子水，去离子水体积为50～80mL。
[0012]所述的水热反应，其温度为120～180℃，时间为12h～72h。
[0013]所述的水热反应，需持续磁力搅拌，磁力搅拌的速率为1000r/min
‑
3000r/min。
[0014]所述的洗涤，使用去离子水、无水乙醇中的一种或任意几种。
[0015]所述的干燥，采用鼓风干燥、真空干燥和冷冻干燥中任意一种，干燥温度为60～120℃，干燥时间为5～20h。
[0016]所述的超长α
‑
MnO2纳米卷材料，其单根纳米卷长≥2μm。
[0017]本专利技术提供了采用简单的氧化还原法，经过一步水热直接制备具有K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料。合成效率高，简单易行。
[0018]本专利技术所述的K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷，其纳米卷长度约≥2μm，粒径均一，搭建起三维网络状聚集结构。
[0019]K在α
‑
MnO2中均匀分布，通过K掺杂，增加α
‑
MnO2的结构稳定性与导电性，有效地优化了水系锌离子电池电化学性能。
[0020]本专利技术中将一种K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料用作阴极材料采用的方案为：将所得的K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料制作成电极材料按照8：1：1的比例加入导电剂和粘结剂，滴加适量N
‑
甲基吡咯烷酮或无水乙醇，充分研磨之后涂敷于集流体上，经真空干燥后得到K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的电极片。
[0021]在改进的方案当中，电化学性能测试方案如下：
[0022]采用恒定电流充放电法评估电化学性能，具体得到电化学可逆性及电化学稳定性，倍率性能测试的电流密度为0.2C、0.5C、1C、2C、3C、4C，循环性能测试的电流密度为0.5C、1C、2C中至少一种。
[0023]采用循环伏安法进一步探索K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的电化学动力学行为。电压窗口为0.8～1.85V，扫描速率为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mV/s。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0025]在α
‑
MnO2掺杂K可以充分发挥K
+
的“柱效应”，提升α
‑
MnO2的结构稳定性，直接优化α
‑
MnO2的电子结构，赋予α
‑
MnO2较高的导电性，加快锌离子的转移速度。特别地，使用超长α
‑
MnO2纳米卷结构，暴露更高密度的活性位点，为电荷转移提供更多的嵌入位点，能够有效地改善了水系锌离子电池容量低、可逆性差等问题，进一步提升水系锌离子电池的电化学容量。
[0026]采用简单的氧化还原法经水热一步合成一种K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料，其纳米卷长度约≥2μm。K的掺杂加快了锌离子的转移速度，超长纳米卷结构增大了材料本身的比表面积提供了更多的活性位点，有效地改善了水系锌离子电池容量低、可逆性差的问题；本专利技术公开的K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料制备方法实验参数可控、合成效率高、简单易行。为优化α
‑
MnO2纳米卷材料的电化学性能提供研究基础。
附图说明
[0027]图1为本专利技术中K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料制备流程示意图。
[0028]图2为本专利技术中K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料XRD谱图。
[0029]图3为本专利技术中K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的SEM图像。
[0030]图4为本专利技术中K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的TEM图像。
[0031]图5为本专利技术中K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的高分辨TEM图像。
[0032]图6为本专利技术中K掺杂和无K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料在0.8～1.85V电压范围内电流密度为0.2C的充放电曲线图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，将锰源与还原剂按照摩尔比1.5～4.5：1的比例混合，形成分散均匀的混合溶液；步骤二，将混合溶液进行水热反应，经洗涤、干燥后得到具有K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料。2.根据权利要求1所述的一种K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的制备方法，其特征在于，所述的锰源为高锰酸钾，还原剂为浓硫酸、浓盐酸、氯化铵、硫酸锰、醋酸锰、葡萄糖中的一种或任意几种。3.根据权利要求1所述的一种K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的制备方法，其特征在于，所述的锰源与还原剂的摩尔比为2～4：1。4.根据权利要求1所述的一种K掺杂超长α
‑
MnO2纳米卷材料的制备方法，其特征在于，所述的混合溶液，其溶剂为去离子水，去离子水体积为50～80mL。5.根据权利要求1所述的一种K掺杂超长α
‑
MnO...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓旭，李洋，姚梦杰，刘辉，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：