CN108539172A - 高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,将锌盐、锰盐以及均相沉淀剂溶解在蒸馏水中,加入表面活性剂、助表面活性剂以及溶剂,将油相与水相混合均匀充分搅拌,形成微乳液体系;将微乳液体系转移到内衬聚四氟乙烯的水热反应釜中进行反应,至于烘箱中于80~200℃反应3~20小时,自然冷却至室温,离心分离得到复合材料前驱体,用蒸馏水和无水乙醇清洗多次,80℃真空干燥12小时;然后进行煅烧,在空气气氛下以2℃/min的升温速度,煅烧温度为550~800℃,煅烧时间为3~20小时,自然冷却到室温,制备得正极材料。制备成本低,得到的电池具有高安全、高功率、长循环寿命的特点。

Description

高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法
技术领域
本发明属于新型储能材料及储能技术领域,涉及一种铅酸电池的替代品,特别是涉及一种高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法。
背景技术
以有机溶液为电解液的锂离子电池/钠离子电池组装工艺复杂、苛刻,且不安全环保。而水系电池具有安全无毒、成本低廉、倍率性能好、组装工艺简单等优点,在大型储能和动力电池领域具有广阔的应用前景。然而,市场上可供选择的水系电池正负极材料极为有限。
目前,除液流电池外,水系电池主要有两种。一种是正负极材料均为金属离子嵌入型化合物;另一种是负极为金属,正极为嵌入型化合物。性能相对较好的嵌入型负极材料主要是LiTi2(PO4)3、NaTi2(PO4)3,但容量普遍偏低。然而,金属锌作为负极材料理论比容量高达820mAh/g,且具有资源丰富、环境友好、可逆性好、平衡电位低和能量密度高等优点。目前,以锌为负极的水系锌离子电池引起了人们的格外关注。然而,不同于一价金属离子,二价锌离子在充放电过程中携带的电荷量更多,电池功率密度更大。然而,目前关于水系锌离子电池正极材料的专利报道较少。
普鲁士蓝及其类似物放电比容量普遍偏低,且原料有毒(如中国专利CN102903917A);二氧化锰原料来源广泛,成本较低。作为水系锌离子电池正极,其初始放电比容量较高,但在循环过程中容量衰减快、大电流放电特性差(如中国专利CN10297662A、CN204651389U);康飞宇和陈军团队报道了一种原料来源广泛、价格低廉的水系锌离子电池正极材料锰酸锌和缺陷型锰酸锌(中国专利CN102097661A、CN105958131A),但是在改善材料循环稳定性的同时,降低了电极的比容量或电池的能量密度。因此,结合二氧化锰和锰酸锌各自的特点和优势,开发高容量、大倍率、长循环寿命的水系锌离子电池复合正极材料的技术工艺迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,制备成本低,得到的电池具有高安全、高功率、长循环寿命的特点。
本发明所采用的技术方案是,高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,具体按照以下步骤进行:
步骤1,将锌盐、锰盐以及均相沉淀剂溶解在蒸馏水中,加入表面活性剂、助表面活性剂以及溶剂,将油相与水相混合均匀充分搅拌,形成微乳液体系;
步骤2,将微乳液体系转移到内衬聚四氟乙烯的水热反应釜中进行反应,至于烘箱中于80~200℃反应3~20小时,自然冷却至室温,离心分离得到ZnMn2O4/Mn2O3复合材料前驱体,用蒸馏水和无水乙醇清洗多次,80℃真空干燥12小时;然后进行煅烧,在空气气氛下以2℃/min的升温速度,煅烧温度为550~800℃,煅烧时间为3~20小时,自然冷却到室温,制备得到ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料。
进一步的,所述步骤1中,锌盐为硝酸锌,锰盐为醋酸锰。
进一步的,锌盐和锰盐的浓度均在0.2~1.5mol/L之间,锌盐和锰盐摩尔比为1:(2.5~20)。
进一步的,所述步骤1中,均相沉淀剂与体系中总金属离子摩尔比为2:1~20:1。
进一步的,所述均相沉淀剂为尿素、六次甲基四胺、草酸二甲酯、三氯乙酸铵的一种或两种以上组合。
进一步的,所述表面活性剂的浓度为0.2~5g/L,表面活性剂为聚乙烯醇,十二烷基磺酸钠,十二烷基硫酸钠,十六烷基三甲基溴化铵,聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种。
进一步的,所述助表面活性剂为C4~C8的小分子醇。
进一步的,所述溶剂为环己烷、己烷、庚烷、辛烷中的一种。
进一步的,所述助表面活性剂与溶剂体积比为1:5~1:50,油相与水相的质量比为5:1~30:1。
本发明的有益效果:正极材料所用的原材料主要为锰和锌,其储量丰富,成本较低,安全环保,便于回收利用。采用该微乳液辅助溶剂热法制备的复合材料为球形,其形貌可控;该水系锌离子电池无需在无水无氧的气氛下操作,电池组装工艺简单;该复合正极材料结合了锰酸锌和二氧化锰各自的优点,有利于在大电流密度下充放电,循环寿命和倍率性能优异,在动力电池领域有着良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1方法ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料的X射线衍射图。
图2为实施例1方法ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料的扫描电子显微镜图。
图3为实施例1方法的电池的循环伏安曲线图。
图4为实施例1方法在500mA/g的电流密度下电池的循环性能图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,具体按照以下步骤进行:
步骤1,将锌盐、锰盐以及均相沉淀剂溶解在蒸馏水中,加入表面活性剂、助表面活性剂以及溶剂,将油相与水相混合均匀充分搅拌,形成微乳液体系。
优选的,锌盐为硝酸盐,锰盐为醋酸盐,更优选的为硝酸锌、醋酸锰;锌盐和锰盐的浓度在0.2~1.5mol/L之间,锌盐和锰盐摩尔比为1:(2.5~20)。
优选的,均相沉淀剂与体系中总金属离子摩尔比为2:1~20:1,均相沉淀剂为尿素、六次甲基四胺、草酸二甲酯、三氯乙酸铵的一种或两种以上组合。
优选的,表面活性剂的浓度为0.2~5g/L,表面活性剂为聚乙烯醇,十二烷基磺酸钠,十二烷基硫酸钠,十六烷基三甲基溴化铵,聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种。
优选的,助表面活性剂为C4~C8的小分子醇;
优选的,溶剂为环己烷、己烷、庚烷、辛烷中的一种;
优选的,助表面活性剂与溶剂体积比为1:5~1:50,油相与水相的质量比为5:1~30:1。
步骤2,将微乳液体系转移到内衬聚四氟乙烯的水热反应釜中进行反应,至于烘箱中于80~200℃反应3~20小时,自然冷却至室温,离心分离得到ZnMn2O4/Mn2O3复合材料前驱体,用蒸馏水和无水乙醇清洗多次,80℃真空干燥12小时。然后进行煅烧,在空气气氛下以2℃/min的升温速度,ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料的煅烧温度为550~800℃,煅烧时间为3~20小时,自然冷却到室温,制备得到ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料。
步骤3,
以ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料为活性物质,乙炔黑为导电剂,聚偏二氟乙烯为粘结剂,涂覆在导电碳纸上,制备正极。然后以1mol/L硫酸锌为电解液,锌为负极,玻璃纤维膜为隔膜,组装成可充电水系锌离子电池。
在500mA/g的电流密度下充放电,其首次放电比容量高于70mAh/g,循环200次后,容量保持率高于95%。
选择硝酸锌的理由:相比于醋酸锌和硫酸盐而言,优先选择硝酸锌有两个好处:残余的硫酸根不容易洗净,且高温很难分解,对电池性能有影响;而醋酸锌比硝酸锌易水解,很难控制水解速度。而残余的硝酸根易分解,且易控制水解速度,便于控制形貌。因此,选择硝酸锌容易得到形貌规整的纯相复合材料,从而表现出更优异的电化学性能。
选择醋酸锰的理由:相比于硝酸锰和硫酸锰而言,硝酸锰不安全,原料一般为50%的溶液,因此,很难无法改变水的质量,不易控制产物的形貌;而硫酸锰制备的材料,残余的硫酸根很难除掉,且高温难分解。
锌盐和锰盐浓度选择的理由:采用微乳液法制备球形颗粒的大小主要由体系中水和表面活性剂的摩尔比决定。锌盐和锰盐浓度高于1.5mol/L在室温下很难溶解,低于0.2mol/L,产率较低,在同样产量的前提下,需要更多的水,导致产物颗粒变大,很难得到微纳米级的材料。两者比例在1:2.5~20之间,便于制备球形纯相复合材料,否则得到的材料以ZnMn2O4或Mn2O3单一相为主,导致电池的容量、倍率和循环稳定性得不到协同发挥。
均相沉淀剂优选的理由:本文的沉淀剂为均相沉淀剂,边反应边生成沉淀剂,能控制水解的速度,从而制备形貌均一的材料。否则产物形貌为扁球状,棒状,或纳米粒,否则颗粒有的非常细小,有的十分粗大,颗粒大小不均匀。
表面活性剂浓度选择的理由:表面活性剂具有两亲性质,一端亲油,一端亲水,量太少,无法形成胶束溶液,超过临界胶束浓度,即浓度太大,无法溶解,从而无法发挥表面活性剂的作用。
选择助表面活性剂、溶剂和水的量的依据:有利于形成热力学稳定、各向同性的、外观透明的分散体系,形成油包水的结构,既充分促进表面活性剂的溶解,降低体系的表面张力,又在保证无机盐完全溶解的前提下,控制产物的形貌为球形颗粒。否则得到的产物为棒状或扁球状等,颗粒形貌大一不均匀。
采用本文步骤2中烘箱温度及时间:保证产物充分干燥,不会有水残余;煅烧升温速率:控制有机物分解速度;煅烧温度及煅烧时间:便于得到的材料为ZnMn2O4与Mn2O3的复合,而不是有杂相ZnO、MnO2或Mn3O4
实施例1
将硝酸锌、醋酸锰按照1:10的摩尔比,溶解在10mL蒸馏水中,锌盐和锰盐的浓度在0.8mol/L,然后加入尿素,尿素与体系中总金属离子摩尔比为10:1,充分搅拌形成透明溶液;加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶解在5mL戊醇、50mL环己烷混合溶液中,且十六烷基三甲基溴化铵浓度为2g/L;油相与水相的质量比为15:1;将油相与水相混合均匀充分搅拌,形成微乳液体系;
将微乳液体系转移到150mL内衬聚四氟乙烯的水热反应釜中进行反应,至于烘箱中于120℃反应12小时,自然冷却至室温,离心分离得到ZnMn2O4/Mn2O3复合材料前驱体,用蒸馏水和无水乙醇清洗多次,80℃真空干燥12小时。然后进行煅烧,在空气气氛下以2℃/min的升温速度,ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料的煅烧温度为650℃,煅烧时间为10小时,自然冷却到室温,制备得到ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料。
以ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料为活性物质,乙炔黑为导电剂,聚偏二氟乙烯为粘结剂,涂覆在导电碳纸上,制备正极。然后以1mol/L硫酸锌为电解液,锌为负极,玻璃纤维膜为隔膜,组装成可充电水系锌离子电池。
在500mA/g的电流密度下充放电,其首次放电比容量为82.6mAh/g,循环200次后,其容量为112mAh/g。
实施例2
将硝酸锌、醋酸锰按照1:2.5的摩尔比,溶解在15mL蒸馏水中,锌盐和锰盐的浓度在0.2mol/L,然后加入六次甲基四胺,六次甲基四胺与体系中总金属离子摩尔比为2:1,充分搅拌形成透明溶液;加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解在4mL戊醇、20mL庚烷混合溶液中,且聚乙烯吡咯烷酮浓度为0.2g/L;油相与水相的质量比为5:1,将油相与水相混合均匀充分搅拌,形成微乳液体系;
将微乳液体系转移到150mL内衬聚四氟乙烯的水热反应釜中进行反应,至于烘箱中于200℃反应3小时,自然冷却至室温,离心分离得到ZnMn2O4/Mn2O3复合材料前驱体,用蒸馏水和无水乙醇清洗多次,80℃真空干燥12小时。然后进行煅烧,在空气气氛下以2℃/min的升温速度,ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料的煅烧温度为800℃,煅烧时间为3小时,自然冷却到室温,制备得到ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料。
以ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料为活性物质,乙炔黑为导电剂,聚偏二氟乙烯为粘结剂,涂覆在导电碳纸上,制备正极。然后以1mol/L硫酸锌为电解液,锌为负极,玻璃纤维膜为隔膜,组装成可充电水系锌离子电池。
在500mA/g的电流密度下充放电,其首次放电比容量为80.6mAh/g,循环200次后,其容量为92mAh/g。
实施例3
将硝酸锌、醋酸锰按照1:20的摩尔比,溶解在10mL蒸馏水中,锌盐和锰盐的浓度在1.5mol/L,然后加入草酸二甲酯,草酸二甲酯与体系中总金属离子摩尔比为20:1,充分搅拌形成透明溶液;加入聚乙烯醇溶解在5mL戊醇、250mL己烷混合溶液中,且聚乙烯醇浓度为5g/L;油相与水相的质量比为30:1,将油相与水相混合均匀充分搅拌,形成微乳液体系;
将微乳液体系转移到150mL内衬聚四氟乙烯的水热反应釜中进行反应,至于烘箱中于80℃反应20小时,自然冷却至室温,离心分离得到ZnMn2O4/Mn2O3复合材料前驱体,用蒸馏水和无水乙醇清洗多次,80℃真空干燥12小时。然后进行煅烧,在空气气氛下以2℃/min的升温速度,ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料的煅烧温度为550℃,煅烧时间为20小时,自然冷却到室温,制备得到ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料。
以ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料为活性物质,乙炔黑为导电剂,聚偏二氟乙烯为粘结剂,涂覆在导电碳纸上,制备正极。然后以1mol/L硫酸锌为电解液,锌为负极,玻璃纤维膜为隔膜,组装成可充电水系锌离子电池。
在500mA/g的电流密度下充放电,其首次放电比容量为79.6mAh/g,循环200次后,其容量为88mAh/g。
实施例4
将硝酸锌、醋酸锰按照1:10的摩尔比,溶解在10mL蒸馏水中,锌盐和锰盐的浓度在0.8mol/L,然后加入三氯乙酸铵,三氯乙酸铵与体系中总金属离子摩尔比为10:1,充分搅拌形成透明溶液;加入十二烷基磺酸钠溶解在5mL戊醇、50mL辛烷混合溶液中,且十二烷基磺酸钠浓度为2g/L;油相与水相的质量比为15:1;将油相与水相混合均匀充分搅拌,形成微乳液体系;
将微乳液体系转移到150mL内衬聚四氟乙烯的水热反应釜中进行反应,至于烘箱中于120℃反应12小时,自然冷却至室温,离心分离得到ZnMn2O4/Mn2O3复合材料前驱体,用蒸馏水和无水乙醇清洗多次,80℃真空干燥12小时。然后进行煅烧,在空气气氛下以2℃/min的升温速度,ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料的煅烧温度为650℃,煅烧时间为10小时,自然冷却到室温,制备得到ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料。
以ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料为活性物质,乙炔黑为导电剂,聚偏二氟乙烯为粘结剂,涂覆在导电碳纸上,制备正极。然后以1mol/L硫酸锌为电解液,锌为负极,玻璃纤维膜为隔膜,组装成可充电水系锌离子电池。
在500mA/g的电流密度下充放电,其首次放电比容量为81.6mAh/g,循环200次后,其容量为108mAh/g。
实施例5
将硝酸锌、醋酸锰按照1:10的摩尔比,溶解在10mL蒸馏水中,锌盐和锰盐的浓度在0.8mol/L,然后加入尿素、三氯乙酸铵,入尿素、三氯乙酸铵与体系中总金属离子摩尔比为10:1,充分搅拌形成透明溶液;加入十二烷基硫酸钠溶解在5mL戊醇、50mL辛烷混合溶液中,且十二烷基硫酸钠浓度为2g/L;油相与水相的质量比为15:1;将油相与水相混合均匀充分搅拌,形成微乳液体系;
将微乳液体系转移到150mL内衬聚四氟乙烯的水热反应釜中进行反应,至于烘箱中于120℃反应12小时,自然冷却至室温,离心分离得到ZnMn2O4/Mn2O3复合材料前驱体,用蒸馏水和无水乙醇清洗多次,80℃真空干燥12小时。然后进行煅烧,在空气气氛下以2℃/min的升温速度,ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料的煅烧温度为650℃,煅烧时间为10小时,自然冷却到室温,制备得到ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料。
以ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料为活性物质,乙炔黑为导电剂,聚偏二氟乙烯为粘结剂,涂覆在导电碳纸上,制备正极。然后以1mol/L硫酸锌为电解液,锌为负极,玻璃纤维膜为隔膜,组装成可充电水系锌离子电池。
在500mA/g的电流密度下充放电,其首次放电比容量为85.6mAh/g,循环200次后,其容量为102mAh/g。
从图1可以看出:所制备材料的特征衍射峰对应的(101)、(112)、(200)、(103)、(211)、(004)、(220)、(105)、(321)、(224)、(413)晶面与ZnMn2O4的标准卡片PDF#-24-1133一致;而其余特征衍射峰对应的(211)、(222)、(440)、(622)晶面与Mn2O3的标准卡片PDF#-89-4836十分吻合,由此证明了ZnMn2O4和Mn2O3两相的存在。同时,样品中未检测到其它杂质峰,说明合成了纯的ZnMn2O4/Mn2O3复合材料。
从图2可以清楚的看到:ZnMn2O4/Mn2O3复合材料成球形,分散均匀,各颗粒大小直径大约为2~6μm。
图3可以看出,首次循环之后的第二和第三次循环曲线接近重合,说明该材料具有较稳定的循环性能。同时我们也可观察得到,首次氧化还原反应的峰面积低于随后的两次,即材料测得的相应峰值电流开始随着循环次数的增加而增加,这意味着水系锌离子电池的充/放电容量逐渐增加,可能是由于随着反应的进行,活性材料逐渐得到活化。
从图4可以看出,样品的首次放电比容量为82.6mAh/g,充电容量为15.7mAh/g,之后容量逐渐增加,这与循环伏安测试的结果一致。但即使经过300次循环之后,容量依然趋于稳定,表现出良好的循环稳定性,进一步证明了复合材料经过长循环后未出现明显的极化,保持着原有的结构。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于系统实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述的比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,其特征在于,具体按照以下步骤进行:
步骤1,将锌盐、锰盐以及均相沉淀剂溶解在蒸馏水中,加入表面活性剂、助表面活性剂以及溶剂,将油相与水相混合均匀充分搅拌,形成微乳液体系;
步骤2,将微乳液体系转移到内衬聚四氟乙烯的水热反应釜中进行反应,至于烘箱中于80~200℃反应3~20小时,自然冷却至室温,离心分离得到ZnMn2O4/Mn2O3复合材料前驱体,用蒸馏水和无水乙醇清洗多次,80℃真空干燥12小时;然后进行煅烧,在空气气氛下以2℃/min的升温速度,煅烧温度为550~800℃,煅烧时间为3~20小时,自然冷却到室温,制备得到ZnMn2O4/Mn2O3复合正极材料。
2.根据权利要求1所述的高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,其特征在于,所述步骤1中,锌盐为硝酸锌,锰盐为醋酸锰。
3.根据权利要求1或2所述的高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,其特征在于,锌盐和锰盐的浓度均在0.2~1.5mol/L之间,锌盐和锰盐摩尔比为1:(2.5~20)。
4.根据权利要求1或2所述的高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,其特征在于,所述步骤1中,均相沉淀剂与体系中总金属离子摩尔比为2:1~20:1。
5.根据权利要求1所述的高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,其特征在于,所述均相沉淀剂为尿素、六次甲基四胺、草酸二甲酯、三氯乙酸铵的一种或两种以上组合。
6.根据权利要求1所述的高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,其特征在于,所述表面活性剂的浓度为0.2~5g/L,表面活性剂为聚乙烯醇,十二烷基磺酸钠,十二烷基硫酸钠,十六烷基三甲基溴化铵,聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,其特征在于,所述助表面活性剂为C4~C8的小分子醇。
8.根据权利要求1所述的高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,其特征在于,所述溶剂为环己烷、己烷、庚烷、辛烷中的一种。
9.根据权利要求1、7、8任一项所述的高功率水系锌离子电池复合球形正极材料的制备方法,其特征在于,所述助表面活性剂与溶剂体积比为1:5~1:50,油相与水相的质量比为5:1~30:1。
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