[发明专利]一种钛掺杂改性二氧化锰电极材料的制备方法与应用

说明书

本发明公开一种钛掺杂改性二氧化锰电极材料的制备方法与应用。包括：(1)将锰源溶于分散剂中并搅拌，得分散液A；(2)将钛源溶于分散剂中并搅拌，得分散液B；(3)向分散液A加入酸得混合液A；(4)将分散液B加入混合液A得到混合液B；(5)将金属还原剂用有机溶剂和酸浸泡，清洗；(6)将清洗后的金属还原剂加入混合液B并加热恒温处理，冷却，除去上清液，洗涤，干燥，得到钛掺杂改性二氧化锰电极材料。本发明的制备方法简单易行，且材料价格低廉，制备成本低；本发明采用一步氧化还原法制备钛掺杂改性的二氧化锰正极材料，并用于水系锌离子电池后表现出较好的储锌性能，该方法在水系锌离子体系中具有一定的潜在应用价值。

技术领域

本发明涉及电池电极材料制备技术领域，具体涉及一种钛掺杂改性二氧化锰电极材料的制备方法与应用。

背景技术

二次电池作为一种能量储存装置，能高效的实现化学能和电能之间的转换，是合理有效利用能源的重要媒介。锂离子电池因其具有高能量密度、高输出电压、体积小、自放电小、无记忆效应、充放电效率高、工作温度范围广等一系列优点，自上个世纪90年代索尼公司将其商品化以来，已广泛应用在各种便携式电子设备上。但由于其锂资源相对匮乏以及有机电解液所引起的安全性问题，严重限制其在大规模电动汽车上的使用。近年来，水系锌离子二次电池因具有高安全性、价格低廉、制备工艺简单、环境友好、高比容量、高比功率等一系列较为突出的优点而有望成为下一代锂离子电池的替代品。

二氧化锰(MnO₂)由于其成本低廉、原材料丰富、安全性高、对环境友好等优点，是目前研究较多且最具有潜力的水系锌离子电池正极材料。但经过大量研究发现，尽管Mn系材料的比容量较高(约300mA h g^-1)，但随着充放电循环的不断进行，电池容量衰减较快，从而限制了其实际应用。研究者针对其充放电机理展开了大量的研究，发现材料本身较差的导电性、Mn³⁺的歧化反应引起Mn的溶解以及材料反复充放电后结构的破坏可能是造成其容量严重衰减的原因。向材料内部引入外来原子，不仅可以改善材料内部的本征电子导电性，还可以稳定其结构，是一种有效的改善材料电化学性能的改性方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单易操作的钛掺杂改性的二氧化锰电极材料的制备方法，并将该材料用于水系锌离子电池中。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种钛掺杂改性二氧化锰电极材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)将锰源溶于分散剂中并搅拌，得到分散液A；

(2)将钛源溶于分散剂中并搅拌，得到分散液B；

(3)向所述分散液A中加入酸并搅拌，得到混合液A；

(4)将所述分散液B加入所述混合液A并搅拌，得到混合液B；

(5)将金属还原剂分别用有机溶剂和酸浸泡，浸泡后清洗；

(6)将清洗后的金属还原剂加入所述混合液B中并加热恒温处理，然后冷却，除去上层清液，洗涤，干燥，得到钛掺杂改性二氧化锰电极材料。本发明的制备方法简单易行，且材料价格低廉成本低。

进一步，步骤(1)中所述的锰源为高锰酸钾；所述的分散剂为去离子水；所述的高锰酸钾与所述的去离子水的摩尔体积比为0.04-0.08mol/L；所述搅拌为室温搅拌，且搅拌20-40分钟。

进一步，步骤(2)中所述钛源与所述锰源的摩尔比为1：(1-40)；所述的钛源为草酸钛钾；所述的分散剂为去离子水；所述草酸钛钾与所述去离子水的摩尔体积比为0.01-0.05mol/L；所述搅拌为室温搅拌，且搅拌20-40分钟。

进一步，步骤(3)中所述的酸为质量分数80-90％的浓硫酸；所述的分散液A与所述酸的体积比为(10-20)：1；所述的搅拌时间为10-20分钟。