CN113299873A - 一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，包括将锰盐和锌盐混合按质量比1:0.85～0.96，加入溶剂中，接着加入2,5‑二羟基对苯二甲酸，乙醇和去离子水，超声使其溶解，移至高压反应釜中，在120～125℃下反应24～36h后冷却，过滤，烘干得到金属有机框架材料MOF‑74(Zn/Mn)；将尿素加入到去离子水中，超声使其溶解后，加入碳纳米管，超声分散，移至反应釜中在200～220℃下反应3～5h，冷却，过滤，烘干；将步骤S1中的MOF‑74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物混合均匀，放置在管式炉中，通入氩气以升温速率为3～4.5℃/min升温至700～800℃，并在该温度下保温3～5h后自然冷却至室温；将步骤S3中得到的产物和N‑甲基吡咯烷酮混合成浆料，研磨2～4h后涂覆在集流体上，放置在真空干燥箱中在80～90℃下干燥5～8h后得到所述符合正极材料。

Description

一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法
技术领域
本发明属于高能水系锌离子电池材料技术领域，具体涉及一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法。
背景技术
随着不可再生化石能源(如煤炭、石油、天然气)的快速消耗，探索清洁和可再生能源技术以解决日益严重的能源和环境污染问题变得尤为迫切。尽管太阳能、风能、潮汐能等可再生能源具有绿色清洁、资源丰富等优点，但其随机间歇式的供能特性必然要求高功率、大容量的可充电电池与之相匹配。在现有的能量存储和转化系统中，锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命等优势，被公认为电化学储能技术中最具潜力的产品，但日益增长的锂资源价格以及潜在的安全问题限制了其大规模储能应用。与金属锂相比，金属锌不仅储量高、毒性小、安全可靠，且具有较低的氧化还原电势(-0.76Vvs标准氢电极)，特别适合在水体系中使用，可以同时实现电池低成本和安全使用。因此，近年来基于锌负极的水系二次锌离子电池的储能方式引起了研究者浓厚的兴趣，成为能量的安全、高功率/密度存储的先进解决方案。
现在研究所使用的水系锌离子电池正极材料中，锰氧化物由于储量大、价格低、低毒性，锰元素价态多，被认为是最有潜力的正极材料。例如，各种多态MnO2具有不同的反应机理。三氧化二锰也表现出优良的锌离子存储性能。然而，这些锰氧化物的离子导电率和电子导电率低，限制了其电化学性能。因此，迫切需要探索新的正极材料来促进二价锌离子的充放。过去的研究集中在锰为一个单一价为基础锰氧化物的水系锌离子电池正极。有多价态Mn的ZnMn2O4尖晶石中锰的空位为Zn2+离子的扩散和迁移做出了贡献，这提供了一个可行的探索基于混合价锰氧化物作为锌离子电池正极方向。四氧化三锰(Mn2+O·Mn3+ 2O3)中有自然共存的Mn2+和Mn3+，由于容易形成缺陷其已被证实有金属空气电池(ORR)的高活性，而它也可能在水系锌离子电池上有好的应用前景。然而，现在并没有关于Mn3O4作为水系锌离子电池正极的研究，更谈不上构建可以大大提高电化学性能的无粘结剂Mn3O4阴极。
发明内容
本发明的目的是提供一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1：将锰盐和锌盐混合按照质量比1:0.85～0.96，加入到有机溶剂中，接着加入2,5-二羟基对苯二甲酸，然后加入乙醇和去离子水，超声使其充分溶解，移至高压反应釜中，在120～125℃下反应24～36h后冷却，过滤，烘干得到金属有机框架材料MOF-74(Zn/Mn)。
S2：将尿素加入到去离子水中，超声使其溶解后，加入碳纳米管，超声分散，移至反应釜中在200～220℃下反应3～5h，冷却，过滤，烘干，备用。
S3：将步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物混合均匀，放置在管式炉中，通入氩气以升温速率为3～4.5℃/min升温至700～800℃，并在该温度下保温3～5h后自然冷却至室温。
S4：将步骤S3中得到的产物和N-甲基吡咯烷酮混合成浆料，然后研磨2～4h后涂覆在集流体上，放置在真空干燥箱中在80～90℃下干燥5～8h后得到所述复合正极材料。
进一步地，所述锰盐为四水合乙酸锰或四水合硫酸锰中的任意一种。
进一步地，所述锌盐为六水合硝酸锌、二水合乙酸锌、七水合硫酸锌，氯化锌中的任意一种。
进一步地，步骤S1中所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的任意一种。
进一步地，所述有机溶剂、乙醇和去离子水的体积比为(15～20):(15～20):(15～20)。
进一步地，所述锰盐和锌盐的总质量和2,5-二羟基对苯二甲酸的质量比为(1.26～1.89):(0.36～0.69)。
进一步地，所述尿素、去离子水和碳纳米管的质量比为(2.3～2.9):(25～40):(1.6～2.2)。
进一步地，上述所述的步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物的质量比为(0.69～0.96):(0.84～1.26)。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中，采用一种双金属锰和锌的金属有机框架材料作为正极材料的基体，其中MOF-74(Zn)和MOF-74(Mn)的合成条件基本相同，在本发明合成过程中还会形成一部分双金属有机框架MOF-74(Zn/Mn)，因此该基体材料具有丰富的孔道结构和比表面积，提供了较多的例子存储位点，有效减少深度固态扩散，缓解离子嵌入/脱出过程中的应力，使得该材料具有优异的综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例1制备复合正极材料的SEM图谱；
图2为本发明实施例1制备复合正极材料的充放电循环倍率性能图；
图3为本发明实施例1制备复合正极材料在不同扫描速率下的循环伏安曲线(1：0.1mV/s；2：0.2mV/s；3：0.5mV/s；4：1.0mV/s)；
图4为本发明实施例1制备复合正极材料组装电池的Nyquist图；
图5为本发明实施例1制备复合正极材料的浮充电流密度图。
具体实施方式
下面对本发明实施例作具体详细的说明，本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
实施例1
一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将四水合乙酸锰和六水合硝酸锌混合按照质量比1:0.85～0.96，加入到N,N-二甲基甲酰胺中，接着加入2,5-二羟基对苯二甲酸，然后加入乙醇和去离子水，超声使其充分溶解，移至高压反应釜中，在120℃下反应24h后冷却，过滤，烘干得到金属有机框架材料MOF-74(Zn/Mn)；其中N,N-二甲基甲酰胺、乙醇和去离子水的体积比为15:15:15，锰盐和锌盐的总质量和2,5-二羟基对苯二甲酸的质量比为1.26:0.36。
S2：将尿素加入到去离子水中，超声使其溶解后，加入碳纳米管，超声分散，移至反应釜中在200℃下反应3h，冷却，过滤，烘干，备用；其中尿素、去离子水和碳纳米管的质量比为2.3:25:1.6。
S3：将步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物混合均匀，放置在管式炉中，通入氩气以升温速率为3℃/min升温至700℃，并在该温度下保温3h后自然冷却至室温；其中步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物的质量比为0.69:0.84。
S4：将步骤S3中得到的产物和N-甲基吡咯烷酮混合成浆料，然后研磨2h后涂覆在集流体上，放置在真空干燥箱中在80℃下干燥5h后得到所述复合正极材料。
实施例2
一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将四水合硫酸锰和二水合乙酸锌混合按照质量比1:0.96，加入到N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中，接着加入2,5-二羟基对苯二甲酸，然后加入乙醇和去离子水，超声使其充分溶解，移至高压反应釜中，在125℃下反应36h后冷却，过滤，烘干得到金属有机框架材料MOF-74(Zn/Mn)；其中N,N-二甲基乙酰胺、乙醇和去离子水的体积比为20:20:20，锰盐和锌盐的总质量和2,5-二羟基对苯二甲酸的质量比为1.89:0.69。
S2：将尿素加入到去离子水中，超声使其溶解后，加入碳纳米管，超声分散，移至反应釜中在220℃下反应5h，冷却，过滤，烘干，备用；其中尿素、去离子水和碳纳米管的质量比为2.9:40:2.2。
S3：将步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物混合均匀，放置在管式炉中，通入氩气以升温速率为4.5℃/min升温至800℃，并在该温度下保温5h后自然冷却至室温；其中步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物的质量比为0.96:1.26。
S4：将步骤S3中得到的产物和N-甲基吡咯烷酮混合成浆料，然后研磨4h后涂覆在集流体上，放置在真空干燥箱中在90℃下干燥8h后得到所述复合正极材料。
实施例3
一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将四水合乙酸锰和七水合硫酸锌混合按照质量比1:0.89，加入到N,N-二甲基甲酰胺中，接着加入2,5-二羟基对苯二甲酸，然后加入乙醇和去离子水，超声使其充分溶解，移至高压反应釜中，在122℃下反应26h后冷却，过滤，烘干得到金属有机框架材料MOF-74(Zn/Mn)；其中N,N-二甲基甲酰胺、乙醇和去离子水的体积比为17:17:17，锰盐和锌盐的总质量和2,5-二羟基对苯二甲酸的质量比为1.44:0.43。
S2：将尿素加入到去离子水中，超声使其溶解后，加入碳纳米管，超声分散，移至反应釜中在210℃下反应4h，冷却，过滤，烘干，备用；其中尿素、去离子水和碳纳米管的质量比为2.5:30:1.8。
S3：将步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物混合均匀，放置在管式炉中，通入氩气以升温速率为3.5℃/min升温至750℃，并在该温度下保温4h后自然冷却至室温；其中步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物的质量比为0.74:0.96。
S4：将步骤S3中得到的产物和N-甲基吡咯烷酮混合成浆料，然后研磨3h后涂覆在集流体上，放置在真空干燥箱中在85℃下干燥6h后得到所述复合正极材料。
实施例4
一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将四水合硫酸锰和氯化锌混合按照质量比1:0.92，加入到N,N-二甲基乙酰胺中，接着加入2,5-二羟基对苯二甲酸，然后加入乙醇和去离子水，超声使其充分溶解，移至高压反应釜中，在124℃下反应34h后冷却，过滤，烘干得到金属有机框架材料MOF-74(Zn/Mn)；其中N,N-二甲基乙酰胺、乙醇和去离子水的体积比为19:19:19，锰盐和锌盐的总质量和2,5-二羟基对苯二甲酸的质量比为1.82:0.66。
S2：将尿素加入到去离子水中，超声使其溶解后，加入碳纳米管，超声分散，移至反应釜中在215℃下反应5h，冷却，过滤，烘干，备用；其中尿素、去离子水和碳纳米管的质量比为2.8:35:2.1。
S3：将步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物混合均匀，放置在管式炉中，通入氩气以升温速率为4.2℃/min升温至780℃，并在该温度下保温4h后自然冷却至室温；其中步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物的质量比为0.94:1.22。
S4：将步骤S3中得到的产物和N-甲基吡咯烷酮混合成浆料，然后研磨4h后涂覆在集流体上，放置在真空干燥箱中在5℃下干燥7h后得到所述复合正极材料。
实验例：
性能测试：将实施例1中的正极复合材料、导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF按质量比为7:2:1称取，置于玛瑙研钵中干磨，直至充分混合均匀，加入0.5mL NMP并充分湿磨，随后，将其均匀涂抹在不锈钢丝网上，在60℃真空烘箱中干燥12h后，得到所需要的电极片作为正极，组装CR2016纽扣电池，2mol/LZnSO4(pH＝4)为电解液，玻璃纤维膜为电池隔膜，商用锌片为负极，在空气中组装成纽扣型电池。室温(25℃)下，利用新威尔电池测试系统进行循环性能和倍率性能测试；利用电化学工作站在0.8～1.9V的电位窗口内进行循环伏安测试；交流阻抗(EIS)实验在振幅为5mV、频率为1×10–2～1×105Hz进行测试；利用蓝电电池测试系统在0.8～1.9V的电压范围内进行浮充测试，其测试结果如附图1～5所示，
从附图2中可以看出，在刚开始电流密度为0.1A/g下时，放电比容量为127.1mAh/g，经过不同电流密度下循环后当电流密度恢复到0.1A/g后，放电比容量为148.2mAh/g，高于开始时，说明经过循环后的电极材料的结构没有被破坏；附图3中可以看出，氧化峰面积和还原峰面积大致相等，该电极材料具有良好的稳定性；附图4中可以看出，该电极材料的电荷转移电阻为40.86Ω，具有较高的电荷转移速率；附图5中可以看出，该电极材料的自放电速率较小。
在此需要特别说明的是，本发明中其余实施例制备的复合材料具有和实施例1制备的复合材料具有相同或相似的性质，在此不一一赘述。

Claims (8)

1.一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1：将锰盐和锌盐混合按照质量比1:0.85～0.96，加入到有机溶剂中，接着加入2,5-二羟基对苯二甲酸，然后加入乙醇和去离子水，超声使其充分溶解，移至高压反应釜中，在120～125℃下反应24～36h后冷却，过滤，烘干得到金属有机框架材料MOF-74(Zn/Mn)；
S2：将尿素加入到去离子水中，超声使其溶解后，加入碳纳米管，超声分散，移至反应釜中在200～220℃下反应3～5h，冷却，过滤，烘干，备用；
S3：将步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物混合均匀，放置在管式炉中，通入氩气以升温速率为3～4.5℃/min升温至700～800℃，并在该温度下保温3～5h后自然冷却至室温；
S4：将步骤S3中得到的产物和N-甲基吡咯烷酮混合成浆料，然后研磨2～4h后涂覆在集流体上，放置在真空干燥箱中在80～90℃下干燥5～8h后得到所述复合正极材料。
2.根据权利要求1所述的一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述锰盐为四水合乙酸锰或四水合硫酸锰中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述锌盐为六水合硝酸锌、二水合乙酸锌、七水合硫酸锌，氯化锌中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂、乙醇和去离子水的体积比为(15～20):(15～20):(15～20)。
6.根据权利要求1所述的一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述锰盐和锌盐的总质量和2,5-二羟基对苯二甲酸的质量比为(1.26～1.89):(0.36～0.69)。
7.根据权利要求1所述的一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述尿素、去离子水和碳纳米管的质量比为(2.3～2.9):(25～40):(1.6～2.2)。
8.根据权利要求1所述的一种水系锌离子电池复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤S1中的MOF-74(Zn/Mn)和步骤S2中的产物的质量比为(0.69～0.96):(0.84～1.26)。
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