[发明专利]一种改性锰酸钠材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种改性锰酸钠材料及其制备方法和应用，属于水系离子电池制备技术领域，解决了现有锰氧化物作为正极材料存在溶解现象，导致水系电池的循环稳定性差的技术问题。本发明公开的改性锰酸钠材料的制备方法，利用耦合剂辅助的溶胶凝胶法制取纯相锰酸钠，并在制备纯相锰酸钠基础上通过不同过渡金属在Mn位进行掺杂处理，提高了晶体稳定性和电化学性能。采用上述方法制备得到的改性锰酸钠作为水系离子电池的正极材料，具有良好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于水系离子电池制备技术领域，具体涉及一种改性锰酸钠材料及其制备方法和应用。

背景技术

在目前所有的二次电池体系中，锂离子电池毫无疑问占据着主导地位，已经广泛应用于电动汽车、便携式电子产品等人们日常生活的各个领域。然而，由于锂资源稀缺及有机电解液有毒、易燃等固有问题，锂离子电池体系无法满足日益增长的规模储能应用领域的需求。水系锌离子电池由于以下优点而具有独特的吸引力：(1)合适的工作电位：锌(Zn)金属的标准氧化还原电位为-0.76V，高于水系电解液的析氢电位，能够适用于水系电解液体系；(2)理论容量高：Zn负极的理论体积容量为5851mAh/cm³，质量比容量为819mAh/g；(3)水系电解液无毒且安全性好。尽管水系锌离子电池有许多优点，但也还存在一些问题，比如锌枝晶、腐蚀、电解液分解及正极材料溶解等问题。其中最主要的问题是正极材料在水系电解液中容易发生溶解，导致电池的循环稳定性差。为了解决这个问题，研究者们尝试对电极材料和电解液进行改性处理，但效果都不理想。

锰基氧化物因其高比容量和环境友好等优势，是最理想的水系锌离子电池正极材料之一。但是传统锰氧化物存在溶解的问题，电池的循环性能较差，不能满足实际应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种改性锰酸钠材料及其制备方法和应用，用以解决现有锰氧化物作为正极材料存在溶解现象，导致水系电池的循环稳定性差的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种改性锰酸钠材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将过渡金属盐、钠盐和耦合剂混合并溶于超纯水中，加热搅拌后，进行蒸发后得到凝胶；

步骤2：将凝胶烘干后得到粉末状前驱体；

步骤3：将粉末状前驱体进行第一次烧制处理，再经研磨后进行第二次烧制处理，得到改性锰酸钠材料；

所述过渡金属盐包括锰盐、钛盐或铜盐。

进一步地，所述锰盐包括乙酸锰四水合物、硝酸锰(II)四水合物和硫酸锰中的一种或多种；所述钠盐包括无水碳酸钠、乙酸钠三水合物和氯化钠中的一种或多种。

进一步地，所述耦合剂包括柠檬酸、草酸、聚乙烯吡咯烷酮和乙二醇中的一种或多种；所述钛盐包括四正丁醇钛(IV)、四氯化钛和硫酸钛酰中的一种或多种；所述铜盐包括三水合硝酸铜、无水硫酸铜和氯化铜中的一种或多种。

进一步地，所述耦合剂与过渡金属盐中的金属离子的摩尔比为0.75～1；所述钠盐与过渡金属盐的摩尔比为0.49～0.53；所述钛盐或铜盐与锰盐的摩尔比为0.11～0.33。

进一步地，步骤1中，所述加热的时间为4h～6h，加热的温度为80℃～90℃；步骤2中，所述烘干的时间为9h～12h，烘干的温度为50℃～80℃。

进一步地，步骤3中，第一次烧制处理的工艺参数为：在300℃～500℃下烧制处理8h～10h。

进一步地，步骤3中，第二次烧制处理的工艺参数为：在850℃～950℃下烧制处理9h～12h。

本发明还公开采用上述一种改性锰酸钠材料的制备方法制备得到的改性锰酸钠材料。