[發明專利]一種高功率水系鋅離子電池正極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201911081090.0
• 申請日: 2019-11-07
• 公開（公告）號: CN110828802B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 吳賢文;唐芳;龍鳳妮;周世昊;向延鴻;吳顯明
• 申請（專利權）人: 吉首大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/054;C01B32/15;D01D5/00
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所(普通合伙) 43205
• 代理人: 寧星耀

本發明公開了一種高功率水系鋅離子電池正極材料的制備方法，將錳鹽與含硫化合物、聚丙烯腈和/或聚乙烯吡咯烷酮加入乙醇或N,N?二甲基甲酰胺中，然后加入氧化石墨烯，配置靜電紡絲液，然后靜電紡絲制備前驅體，真空干燥；將前驅體在空氣氣氛下預氧化處理固化纖維，然后在高溫惰性氣氛下煅燒，自然冷卻到室溫，制備得到石墨烯包覆硫化錳與氮摻雜碳納米纖維的復合正極材料。該復合正極材料應用于水系鋅離子電池領域，電池正極比容量高，具有優異的循環穩定性及大倍率充放電特性；且所采用的原料來源廣泛、價格低廉，市場經濟性好。

技術領域

本發明屬于水系鋅離子電池技術領域，涉及一種高功率水系鋅離子電池正極材料的制備方法。

背景技術

高功率、高安全、低成本的綠色二次充電電池在大型儲能和動力電池領域具有廣闊的應用前景。然而，鋰離子電池由于采用了有毒的有機電解液，易燃易爆，安全性能不佳，且鋰資源稀缺，成本較高；鉛酸電池和鎳鎘電池采用了重金屬，回收利用污染環境。相反，弱酸性體系下的水系鋅離子電池具有組裝工藝簡單、成本低廉、功率密度高等優勢，是當前二次水系電池研究的熱點。

目前報道的水系鋅離子電池正極材料主要有錳基化合物、釩基化合物、普魯士藍衍生物、Chevrel相化合物等。然而，釩基化合物比容量較高，但對鋅電位較低，電池輸出電壓不高；普魯士藍衍生物使用了有毒的氰基化合物，且電極比容量僅為80mAh/g左右，電池能量密度較低；Chevrel相化合物主要是Mo₆S₈等，且對鋅電位較高，與其作為正極，還不如作為負極。錳基化合物原料來源豐富、成本低廉、電極電位較高，但導電性差，倍率性能不佳，循環過程中比容量衰減快。因此，尋找一種新型的低成本、高容量、高功率、循環穩定性好的水系鋅離子電池正極材料具有十分重要的意義。

發明內容

為實現上述目的，本發明提供一種高功率水系鋅離子電池正極材料的制備方法，該復合正極材料應用于水系鋅離子電池領域，電池正極比容量高，具有優異的循環穩定性及大倍率充放電特性；且所采用的原料來源廣泛、價格低廉，市場經濟性好。

本發明所采用的技術方案是，一種高功率水系鋅離子電池正極材料的制備方法，按照以下步驟進行：

步驟1，將一種或兩種高分子化合物溶于有機溶劑，充分攪拌溶解后加入錳鹽與含硫化合物，繼續攪拌至原料溶解，然后加入氧化石墨烯，超聲分散，配置靜電紡絲液；

步驟2，將靜電紡絲液進行靜電紡絲，用鋁箔收集靜電紡絲的產物，真空干燥；將前驅體在空氣氣氛下預氧化，固化纖維；然后在高溫惰性氣氛下煅燒，自然冷卻到室溫，制備得到石墨烯包覆硫化錳與氮摻雜碳納米纖維的復合正極材料。

進一步的，步驟1中，所述高分子化合物為聚丙烯腈和/或聚乙烯吡咯烷酮，所述有機溶劑為乙醇或N,N-二甲基甲酰胺。

進一步的，所述錳鹽為醋酸錳或硫酸錳或硝酸錳，所述含硫化合物為硫代乙酰胺或硫脲。

進一步的，所述兩種高分子的質量比為100:0～0:100，高分子化合物質量為有機溶劑質量的百分比為7％～12％。

進一步的，所述錳鹽和含硫化合物摩爾比為1:2。

進一步的，所述步驟2中，靜電紡絲條件如下：接收裝置為50mm的鋁制滾筒，滾筒轉速為50r/min，接收距離為15cm，靜電紡絲電壓為5～20KV，注射器中靜電紡絲液推進速度為0.1mm/min，溫度為25℃，濕度為20～50％。

進一步的，所述步驟2中，前驅體預氧化處理過程中，升溫速率為1～3℃/min，氧化溫度控制在200～280℃，空氣氣氛下氧化處理2～5h。

進一步的，所述步驟2中，煅燒過程中，燒結溫度控制在500～800℃，惰性氣氛為氬氣或氮氣，升溫速率為2～5℃/min，煅燒時間為2～6h。