[发明专利]三氧化二锰多壳层纳米空心球材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种适用于制备水系锌离子电池正极的Mn₂O₃多壳层纳米空心球材料，包括通过大球壳套小球壳的方式组合在一起的Mn₂O₃多壳层纳米空心球，每个壳层的内表面均存在多个孔洞和Mn₂O₃纳米颗粒。本发明还公开了所述Mn₂O₃多壳层纳米空心球材料的制备方法：首先合成Mn前驱体金属有机框架微球，然后通过简单的空气中氧化煅烧获得最终产物。本发明可提高Mn₂O₃的电化学活性和结构稳定性，使其放电比容量、循环性能和倍率性能显著改善。Mn₂O₃多壳层纳米空心球材料作为锌离子电池正极材料具有很高的应用价值。

技术领域

本发明涉及水系锌离子电池技术领域，具体涉及一种适用于制备水系锌离子电池正极的三氧化二锰(Mn₂O₃)多壳层纳米空心球材料及其制备和应用。

背景技术

可充电水系电池具有安全性高、成本低、环境友好等优点，被认为是锂离子电池最有潜力的替代者。更重要的是，水电解质的离子电导率比有机电解质高2-3个数量级。在各种水系电池中，锌离子电池(ZIBs)受到极大关注，因其：(1)具有成本低、安全性高、资源丰富等优势。(2)Zn较低的氧化还原电位有利于获得高的输出电压。(3)Zn在水中的高稳定性保证了电池的高可逆性。(4)两电子转移反应可储存更多的能量。对于ZIBs，正极材料是决定其电化学性能的关键因素。在众多有发展前景的正极材料中，锰基氧化物，特别是MnO₂，因其高的可逆容量和工作电压，以及多种形态而受到越来越多的关注。MnO₂的广泛研究和巨大进展促进了其他锰基氧化物如Mn₂O₃的进一步研究。遗憾的是，挑战仍然存在。电导率差，氧化还原动力学迟缓，体积变化大，导致Mn₂O₃的比容量和倍率性能较低，结构不稳定，容量衰减快，阻碍了Mn₂O₃的实际应用。

为了解决上述问题，提高Mn₂O₃的储锌性能，将Mn₂O₃材料纳米化是一个主要策略。公开号为CN111682178A的发明专利公开了一种氮掺杂氧化石墨烯/Mn₂O₃复合材料，但是该技术中氧化石墨烯和Mn₂O₃只是简单的混合，材料结合强度并不高；公开号为CN111115688A的发明专利公开了对碳酸锰烧结处理从而获得了一种碳酸锰，MnO₂和Mn₂O₃的复合材料。公开号为CN109616624A的发明专利公开了氧化铟包覆Mn₂O₃的复合材料，但是氧化铟价格十分昂贵。此外，Z.G.Zhao等人通过直接退火Mn基金属有机骨架Mn-MIL-100合成柔性三维垂直堆叠Mn₂O₃@C纳米片(C.L.Liu,Q.L.Li,H.Z.Sun,Z.Wang,W.B.Gong,S.Cong,Y.G.Yao,Z.G.Zhao,MOF-derived vertically stacked Mn₂O₃@C flakes for fiber-shaped zinc-ion batteries,J.Mater.Chem.A,2020,8,24031-24039.)。目前，Mn₂O₃纳米材料在锌离子电池领域中的应用还很欠缺，因此亟需开发新结构的Mn₂O₃纳米材料。

发明内容