[发明专利]一种水系锌离子电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种水系锌离子电池正极材料及其制备方法和应用，材料包括氮碳共掺杂锰基氧化物；方法包括：（1）混合搅拌；（2）加热反应；（3）分离清洗；（4）干燥；并且还包括将水系锌离子电池应用在储能或新能源电动汽车中。有益效果：本发明中的氮碳元素的掺杂不仅提高了该锰基氧化物的导电性，而且有效改善了其结构稳定性；增强了电极反应的可逆性和结构稳定性，从而极大的提高了电池的电化学性能；生产成本较低。

技术领域

本发明专利属于锌离子电池技术领域，具体涉及一种水系锌离子电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

在电子产品和电动汽车应用越来越广泛的背景下，发明高能量密度、高倍率性能、安全、低成本且长循环寿命的可充电二次电池是非常有必要的。锂离子电池由于其严重的安全隐患和成本高等问题，限制了其在储能领域的进一步发展。近些年来，水系锌离子电池由于其理论容量高、毒性小、安全性高、成本低、组装简单以及水系电解液具有更高的离子电导率等优势，被视为一种锂离子电池的替代品，备受人们关注。

其中高性能的水系锌离子电池正极材料是人们关注的焦点之一。其中锰基正极材料（锰基氧化物）由于其具有高比容量、成本低、对环境友好、无毒等优点而备受关注，但是现有的锰基正极材料存在以下问题：1、现有的锰基正极材料的电导率低；2、现有的锰基正极材料在电解液中会出现部分被溶解的问题，以及在充放电时会出现体积膨胀收缩等问题，进而其可逆性、结构稳定性以及其循环稳定性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水系锌离子电池正极材料及其制备方法和应用，本发明提供的水系锌离子电池正极材料基于氮碳共掺杂锰基氧化物的特性，用于锌离子电池能够实现良好的导电性能及优异的电池性能。

本发明的技术方案一方面公开了一种水系锌离子电池正极材料，其包括氮碳共掺杂锰基氧化物，所述氮碳共掺杂锰基氧化物的比表面积为100～200m²/g，孔容为0.7～2cm³/g，其中氮元素的质量占所述氮碳共掺杂锰基氧化物的2%-3%，碳元素的质量占所述氮碳共掺杂锰基氧化物的2%-3%。

本发明的技术方案另一方面公开了一种水系锌离子电池正极材料的制备方法，其包括以下步骤：（1）混合搅拌；（2）加热反应；（3）分离清洗；（4）干燥；

（1）混合搅拌：0.5-4mmol的高锰酸钾溶于30-50ml的去离子水中，随后加入50-100mg的C₃N₄粉末，通过磁力搅拌器搅拌0.5-2h使C₃N₄均匀分散在高锰酸钾水溶液中，得到混合液；

（2）加热反应：将步骤（1）中的所述混合液倒入到50ml的聚四氟乙烯反应釜中，接着将所述反应釜置于温度为120-220℃的烘箱中保持6-24h，然后将所述反应釜取出自然冷却至室温，得到反应物混合液；

（3）分离清洗：将步骤（2）中得到的所述反应物混合液置于离心机中进行固液分离，接着使用去离子水对分离出的固体进行洗涤；

（4）干燥：将步骤（3）中进过洗涤后的固体放入到温度为60-100℃烘箱中干燥至少12h，得到黑色粉末状的氮碳共掺杂锰基氧化物。

进一步的，步骤（1）中的所述C₃N₄粉末的制备方法包括，将碳氮源放入到管式炉中，在惰性气氛中，所述管式炉内的温度以每分钟1-3℃的升温速率升至500-650℃，接着在500-650℃的温度下保温3-5h，然后所述管式炉停止保温加热开始自然冷却，待自然冷却至室温后，得到黄色的所述C₃N₄粉末。

进一步的，所述碳氮源为尿素、三聚氰胺和双氰胺中的一种。

进一步的，所述惰性气氛为氩气。