一种电极表面原位生成锰基氧化物活性层的制备方法技术

本发明专利技术提供一种电极表面原位生成锰基氧化物活性层的制备方法，制备方法为循环伏安电沉积法，属于材料学领域，具体为将未处理的碳布或锰基正极材料作为阳极，打磨后的锌片作为阴极，随后将阳极和阴极置于电解液中，在阳极和阴极之间施加2mV s

【技术实现步骤摘要】
一种电极表面原位生成锰基氧化物活性层的制备方法


[0001]本专利技术属于材料学领域，尤其涉及一种电极表面原位生成锰基氧化物活性层的制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池是目前应用最广泛的电化学储能设备，然而，由于锂资源长期短缺的风险和有机电解液带来的安全隐患，研究者着眼于寻求具有更高可持续性和经济性的电化学储能系统。其中水系锌离子电池(Z IBs)由于具备原料来源丰富、安全性高、环境友好、理论容量高等优势，是有望应用于大规模储能系统的电池体系之一。
[0003]作为Z IBs的核心组成部件之一，构建性能优异的正极材料至关重要。其中，锰基氧化物，因其在高容量和高能量密度方面具有吸引力，被广泛关注和研究。此外，由于其具有成本低、储量丰富、环境友好、价态和晶体结构多样等独特的特性优点，而被认为是适用于水系ZIBs最有前途的正极材料之一。
[0004]然而，锰基氧化物的低电子电导率使其电化学性能受到限制。另一方面，由于受到水分子高活性的困扰，锰基正极材料在运行过程中会因在水性介质中的溶解而导致容量显著衰减，这直接导致了锌离子电池倍率能力和稳定性差等一系列问题。因此，为了实现锌离子电池在大规模储能中的应用，以上关键性问题亟待进一步解决。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种电极表面原位生成锰基氧化物活性层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0006]S1：采用两电极体系，将碳布和锌片分别作为阳极和阴极；
[0007]S2：将阳极和阴极置于电解液中，采用循环伏安模式循环300
‑
500个周期，得到电极材料；
[0008]S3：将电极材料使用去离子水清洗，清洗完成后置于烘箱中恒温干燥，得到通过循环伏安法制备的锰基氧化物电极材料，完成锰基氧化物活性层的制备；
[0009]进一步地，S3中，锰基氧化物电极材料为自支撑的ZnMn2O4。
[0010]进一步地，S3中，ZnMn2O4为自支撑正极材料，经过清洗后自支撑正极材料无需使用导电剂和粘接剂处理，可直接使用。
[0011]进一步地，S1中，碳布无需表面处理，S1中，锌片需打磨处理。
[0012]进一步地，S2中，电解液包括2M ZnSO4和0.2M MnSO4。
[0013]进一步地，S2中，循环伏安法的扫描电压为2mV s
‑1，扫描窗口为1
‑
2V。
[0014]进一步地，S3中，恒温温度为80℃，干燥时间为2h。
[0015]进一步地，锰基氧化物电极材料作为水系锌离子电池的电极材料使用。
[0016]进一步地，S1中，还可使用碳包覆的Mn3O4作为阳极材料，并重复S2
‑
S3，实现正极与电解液界面ZnMn2O4活性层的原位构建。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要体现在：
[0018]1、本专利技术运用循环伏安电沉积法在碳布上生成ZnMn2O4活性层，特别的，由于该方法所需的电沉积条件与锰基ZIBs工作条件相同，因此可以用于原位构造正极/电解液界面活性层(CEI)。从而进一步提升了锌离子电池的电化学性能，改善了锰基正极材料稳定性差的问题。
[0019]2、本专利技术的制备方法中，阴阳极材料产量大，价格便宜；制得的锌锰矿沉积在碳布上经过简单的清洗后可以直接使用。
[0020]3、本方法合成简单，绿色高效，合成过程中没有过于严苛的实验条件，没有用到过于昂贵的化学材料，且合成过程相对安全，符合绿色化学的理念。
附图说明
[0021]图1为本专利技术所制备的锌锰矿ZnMn2O4的SEM图片(副图为更高倍镜下的形貌)；
[0022]图2为本专利技术所制备的锌锰矿ZnMn2O4的电子图像及EDS图像(反映了各项元素的分布)；
[0023]图3为本专利技术所制备的锌锰矿ZnMn2O4的XRD图谱；
[0024]图4，图5为本专利技术所制备的锌锰矿ZnMn2O4的XPS光谱。图4：Zn 2p；图5：Mn 3s；
[0025]图6为本专利技术所制备的锌锰矿ZnMn2O4的循环伏安(CV)曲线；
[0026]图7为本专利技术所制备的锌锰矿ZnMn2O4的充放电曲线；
[0027]图8为本专利技术所制备的锌锰矿ZnMn2O4的倍率性能；
[0028]图9为Mn3O4/C正极材料构造CEI前的SEM图片；
[0029]图10为Mn3O4/C正极材料应用原位循环伏安法构造CEI后的SEM图片；
[0030]图11为Mn3O4/C构造CEI后的TEM图片；
[0031]图12为Mn3O4/C和其表面原位生成ZnMn2O4活性层后(Mn3O4/C
‑
300CV)CV曲线的对比；
[0032]图13为Mn3O4/C和其表面原位生成ZnMn2O4活性层后(Mn3O4/C
‑
300CV)充放电曲线的对比。
[0033]图14为Mn3O4/C表面原位生成ZnMn2O4活性层后(Mn3O4/C
‑
300CV)的循环稳定性测试。
具体实施方式
[0034]下面将结合示意图对本专利技术一种电极表面原位生成锰基氧化物活性层的制备方法进行更详细的描述，其中表示了本专利技术的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本专利技术，而仍然实现本专利技术的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本专利技术的限制。
[0035]实施例1
[0036]锌锰矿(ZnMn2O4)材料的合成和其结构表征。
[0037]在该实施例中，两电极体系被采用，将碳布(≈2cm2)和打磨过的锌片分别作为阳极和阴极。然后，将阳极和阴极置于电解液中(电解液的主要成分为：2M ZnSO4和0.2M MnSO4)。采用循环伏安模式，扫描电压为2mV s
‑1，、循环300
‑
500个周期。最后，将制备好的电
极材料用去离子水清洗，置于烘箱中以80℃恒温干燥2h，即可得到循环伏安法制备的自支撑的锰基氧化物电极材料，具体为ZnMn2O4电极。
[0038]电沉积得到的ZnMn2O4的扫描电镜如图1所示，从图1可以看出，ZnMn2O4膜成功沉积在碳布上，产物由细小的纳米颗粒紧密连接而成。图2为本专利技术所制备的ZnMn2O4的电子图像及EDS图像，从中可以看到基底表面沉积较为均匀，且根据元素分布照片可以看出各项元素分布十分均匀。图3为本专利技术所制备的锌锰矿ZnMn2O4的X射线衍射图，图中除对应于碳布的特征峰外，在2
θ
＝33.0
°
和36.4
°
处的衍射峰，分别归于ZnMn2O4的(103)和(211)晶面(PDF 00
‑
024
‑
1133)，表明在基底上成功沉积了锌锰矿。图4和图5为本专利技术所制备的锌锰矿ZnMn2O4的X射线光电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电极表面原位生成锰基氧化物活性层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：采用两电极体系，将碳布和锌片分别作为阳极和阴极；S2：将阳极和阴极置于电解液中，采用循环伏安模式循环300
‑
500个周期，得到电极材料；S3：将所述电极材料使用去离子水清洗，清洗完成后置于烘箱中恒温干燥，得到通过循环伏安法制备的锰基氧化物电极材料，完成锰基氧化物活性层的制备。2.根据权利要求1所述的电极表面原位生成锰基氧化物活性层的制备方法，其特征在于，所述S3中，所述锰基氧化物电极材料为自支撑的ZnMn2O4。3.根据权利要求2所述的电极表面原位生成锰基氧化物活性层的制备方法，其特征在于，所述S3中，所述ZnMn2O4为自支撑正极材料，经过清洗后所述自支撑正极材料无需使用导电剂和粘接剂处理，直接使用。4.根据权利要求1所述的电极表面原位生成锰基氧化物活性层的制备方法，其特征在于，所述S1中，所述碳布无需表面处理，所述锌片需打磨处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑时有，戴嘉彦，李馨，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：