非金属B掺杂β相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非金属B掺杂β相MnO2电极材料的制备方法和应用，属于水系锌离子电池储能技术领域。本发明专利技术具体制作步骤如下：(1)室温下，按配比将水溶性锰盐和强氧化性化合物倒入烧杯中，加入去离子水搅拌均匀；(2)根据掺杂的摩尔比，称量少量的硼源加入到(1)均匀的溶液中，继续搅拌均匀；(3)将配置好的溶液倒入聚四氟乙烯内胆中，转移至不锈钢高压反应釜中进行水热反应；(4)反应完成后将生成物进行过滤、干燥、收集。本发明专利技术通过非金属B掺杂β相MnO2电极材料不仅具有高比容量而且电池循环稳定性在非金属B掺杂后得到了很大的提高，并且本发明专利技术一步到位，大大简化了实验程序，节省了人力物力，便于产业化实施和应用，市场前景广阔。市场前景广阔。市场前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
非金属B掺杂
β
相MnO2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储能
，具体涉及一种电极材料，更具体地说，本专利技术涉及一种非金属B掺杂β相MnO2电极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着社会的高速发展，生活的方方面面都离不开电，而储能领域成为电应用的关键技术。现阶段，储能领域的锂离子电池应用广泛，但随之而来的安全性问题亟需解决，为此，我们探究出一种水系锌离子电池，该电池体系是基于水系电解液的高安全性储能装置，具有比容量大、安全性高、成本低、绿色环保等诸多优点，已成为最具潜力的电化学储能器件装置之一。
[0003]水系锌离子电池的阴极材料主要分为锰基氧化物、钒基氧化物、普鲁士蓝类似物和有机化合物。由于钒基氧化物成本高、毒性大，普鲁士蓝类似物和有机化合物倍率性能好但容量低，而锰基氧化物比容量优异，电压窗口大，储存量丰富等许多优点，使我们把目光放在了锰基氧化物上。
[0004]MnO2是目前研究比较多的一种锰基氧化物，MnO2一般以+4价为主，但存在少量的+2价和+3价离子，只有β
‑
MnO2可以认为Mn的价态等于+4价，所以比容量相比其他晶型较高，但由于在电池充放电的过程中，Zn离子在阴极材料的嵌入脱出导致晶格膨胀，以及Mn离子的歧化反应导致Mn的部分溶解，使得β
‑
MnO2的循环稳定性不是很理想，为了改善β
‑
MnO2的循环稳定性提出一种非金属掺杂。
[0005]基于上述理由，特提出本申请。

技术实现思路

[0006]基于上述理由，针对现有技术中存在的问题或缺陷，本专利技术的目的在于提供一种非金属B掺杂β相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]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：
[0008]一种非金属B掺杂β相MnO2电极材料的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：
[0009](1)室温下，依次按照一定比例称量水溶性锰盐和强氧化性化合物倒入烧杯中，加入一定量的去离子水，搅拌均匀；
[0010](2)根据掺杂的摩尔比，称量少量的硼源加入到步骤(1)均匀的溶液中，继续搅拌均匀；
[0011](3)将步骤(2)配置好的溶液倒入聚四氟乙烯内胆中，再将内胆放入衬有特氟隆的不锈钢高压反应釜中进行水热反应；
[0012](4)反应完成后将生成物进行过滤、干燥、收集。
[0013]进一步地，上述技术方案，步骤(1)中所述水溶性锰盐包括硫酸锰、氯化锰、硝酸锰、醋酸锰等中的至少一种。
[0014]进一步地，上述技术方案，步骤(1)中所述强氧化性化合物包括过硫酸铵、氯酸钾、浓硫酸等中的至少一种。
[0015]进一步地，上述技术方案，步骤(1)中所述水溶性锰盐的用量为1mmol～1000mmol，强氧化性化合物的用量为1mmol～1000mmol，去离子水用量为5ml～5000ml。
[0016]进一步地，上述技术方案，作为本专利技术的一个优选实施方式，步骤(1)所述溶液可按如下方法制备而成的：
[0017](a)室温下，清洗150ml的烧杯备用，然后用称量纸称量20mmol即3.3804g硫酸锰倒入洗净的烧杯中；
[0018](b)室温下，继续使用称量纸称量20mmol即4.564g过硫酸铵轻轻倒入(a)中的烧杯；
[0019](c)室温下，清洗干净100ml量筒并用其称量100ml的去离子水，将称量好的去离子水轻轻倒入(b)中的烧杯；
[0020](d)将(c)中的混合溶液放在磁力搅拌机上搅拌使其完全溶解，搅拌均匀后的溶液为澄清透明状。
[0021]进一步地，上述技术方案，步骤(2)中所述的硼源包括硼酸、硼酸钠、硼砂、乙硼烷等化合物或有机物中的至少一种。
[0022]更进一步地，上述技术方案，选定硼酸作为硼源，硼酸的用量为0.01mmol～100mmol，并且掺杂的硼酸与水溶性锰盐优选比例为1：10、1：20、1：40。
[0023]进一步地，上述技术方案，步骤(3)中水热反应在干燥箱中完成。其中，干燥箱的温度设置为80～300℃，反应时间设置为1～60h。
[0024]更进一步地，上述技术方案，所述干燥箱的温度设置为180℃，反应时间设置为12h。
[0025]进一步地，上述技术方案，步骤(4)中的过滤是将水热反应的生成物取出，倒入提前洗净的抽滤装置中，然后用去离子水和乙醇或丙酮清洗过滤几次，其中用滤纸收集过滤后的粉末样品，待清洗干净过后将收集到的粉末样品放入干燥箱中干燥。
[0026]更进一步地，干燥箱温度设置60℃，干燥时间至少8小时以上。
[0027]本专利技术的第二个目的在于将使用以上方案步骤得到的非金属B掺杂β相MnO2材料。
[0028]本专利技术的第三个目的在于采用上述所述方法制备得到的非金属B掺杂β相MnO2电极材料在水系锌离子电池中的应用。
[0029]一种水系锌离子电池正极材料，包括上述所述方法制备得到的非金属B掺杂β相MnO2电极材料。
[0030]进一步地，上述技术方案，所述水系锌离子电池包括正极片、负极片、隔膜、电解液以及电池壳，其中正极片是使用正极活性材料、导电剂、以及粘结剂组成。而本专利技术专利技术的非金属B掺杂β相MnO2电极材料正是应用在水系锌离子电池正极片中的正极活性材料中。
[0031]更进一步地，应用在水系锌离子电池中的非金属B掺杂β相MnO2电极材料的具体制备流程是：将非金属B掺杂β相MnO2材料作为正极活性材料，乙炔黑作为导电剂，聚四氟乙烯(PTFE)或者聚偏氟乙烯(PVDF)作为粘黏剂，三种材料混合均匀后，滴入N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)，研磨均匀后得到电极浆料，将制作得到的电极浆料涂覆在集流体上，放入干燥箱干燥后压片，切片，即可得到水系锌离子电池正极片。
[0032]更进一步地，上述技术方案，正极活性材料、导电剂、和粘结剂优选质量比例为7：2：1，而N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)加入量可以稀释混合物，达到粘稠状即可。
[0033]更进一步地，上述技术方案，电极浆料优选均匀涂抹在不锈钢网片上。
[0034]更进一步地，上述技术方案，干燥箱干燥温度优选设置为60℃，干燥时间优选设置为12小时以上。
[0035]本专利技术的反应机理如下：
[0036](1)非金属B掺杂β相MnO2后其电荷转移电阻减小，表明非金属B掺杂后增强了Zn离子在循环过程中的嵌入脱出，提高了电导率，加快离子的快速转移。
[0037](2)少量的非金属B离子代替了MnO2中的Mn离子，增强了Mn离子的氧化还原能力，抑制了Mn离子向二价可溶性Mn离子转换，提高了电池的循环稳定性，增强了电池的电化学性能。
[0038]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非金属B掺杂β相MnO2电极材料的制备方法，具体步骤如下：(1)室温下，依次按照一定比例称量水溶性锰盐和强氧化性化合物倒入烧杯中，加入一定量的去离子水，搅拌均匀；(2)根据掺杂的摩尔比，称量少量的硼源加入到(1)中均匀的溶液中，继续搅拌均匀；(3)将配置好的溶液倒入聚四氟乙烯内胆中，再将内胆放入衬有特氟隆的不锈钢高压反应釜中进行水热反应；(4)反应完成后将生成物进行过滤、干燥、收集。2.根据权利要求1所述的非金属B掺杂β相MnO2电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述水溶性锰盐的用量为1mmol～1000mmol，强氧化性化合物的用量为1mmol～1000mmol，去离子水用量为5ml～5000ml。3.根据权利要求1所述的非金属B掺杂β相MnO2电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的硼源包括硼酸、硼酸钠、硼砂、乙硼烷中的至少一种。4.根据权利要求1所述的非金属B掺杂β相MnO2电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中水热反应在干燥箱中...

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