[发明专利]一种含有氢离子空位的三元金属氢氧化物及其制备方法和在锌离子电池中的应用

说明书

本发明提供了一种含有氢离子空位的三元金属氢氧化物及其制备方法和在锌离子电池中的应用，涉及电化学储能材料技术领域。本发明提供的含有氢离子空位的三元金属氢氧化物通过掺杂适量铁元素，能提高金属氢氧化物的导电性，且能降低锰离子在储能过程中因Jahn‑Teller效应带来的结构畸变的影响，提高储能稳定性；通过引入镍元素起到稳定结构的作用；氢离子空位的引入使氢氧化物暴露更多端基氧活性位点作为储能位点，且能够大大降低锌离子在材料体相中的排斥力；层叠的片状结构有利于离子在材料中快速的扩散。将所述含有氢离子缺陷的三元金属氢氧化物作为锌离子电池正极材料，具有优异的电化学性能，循环寿命长、循环稳定性好、储能容量高。

技术领域

本发明涉及电化学储能材料技术领域，特别涉及一种含有氢离子空位的三元金属氢氧化物及其制备方法和在锌离子电池中的应用。

背景技术

储能电池对社会能源发展有着重要的发展意义。近年来，碱金属储能二次电池得到了广泛的发展与应用，尤其作为代表的锂离子电池极大地提高了社会发展步伐和人民的生活质量。对于绝大部分碱金属储能电池，其所用的电解液为有机体系电解液，具有易燃性。因此，发展高安全性的储能电池仍是目前研究者们所要解决的关键问题，尤其是近几年锂矿价格迅速飙升，致使锂离子电池的制造和应用成本大幅度提升。

为了满足社会活动对能源的需求，降低电池制造成本，提高电池使用的安全性，发展新型的水系电池对于发展储能技术具有重大的科学意义和社会意义。其中，水系锌离子电池因其锌资源丰富易得、价格低廉和无毒不易燃的特性，受到了研究者们的广泛的关注。然而，由于电荷密度较大的Zn离子在嵌入正极材料过程中，会与正极材料有较强的相互作用力，导致正极材料在多次脱嵌锌离子的过程中造成结构失稳。目前，水系锌离子电池常用的正极材料有锰基及其氧化物材料、钒基及氧化物材料，其中钒基材料由于其较低的电压平台导致能量密度输出有限，在实际应用发展中受到了限制；锰基材料虽然电压平台高、能量密度高，但是锰基材料由于姜泰勒(Jahn-Teller)效应导致循环寿命短、容量衰减快，这限制了其进一步的发展。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种含有氢离子空位的三元金属氢氧化物及其制备方法和在锌离子电池中的应用。将本发明提供的含有氢离子空位的三元金属氢氧化物作为正极材料用于锌离子电池，循环寿命长、循环稳定性好、储能容量高，电化学性能优异。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种含有氢离子空位的三元金属氢氧化物，化学组成为Ni_2～3Mn_0.1～1Fe_0.2～0.4(OH)₈(CO₃)_0.5·0.25H₂O，含氢离子空位，为层叠的片状结构，粒径为100～200nm。

优选地，所述的含有氢离子空位的三元金属氢氧化物的化学组成为Ni₃Mn_0.7Fe_0.3(OH)₈(CO₃)_0.5·0.25H₂O。

本发明提供了以上技术方案所述含有氢离子空位的三元金属氢氧化物的制备方法，包括以下步骤：

(1)在通入氧气的条件下，将二价镍可溶性无机盐、二价锰可溶性无机盐和三价铁可溶性无机盐与水、NH₄F、NaOH和Na₂CO₃混合，依次进行沉淀反应和陈化，得到镍锰铁三元金属氢氧化物前驱体；所述二价镍可溶性无机盐中镍元素、二价锰可溶性无机盐中锰元素和三价铁可溶性无机盐中铁元素的摩尔比为(20～30)：(1～10)：(2～4)；