一种电池正极材料及其制备方法和应用

本发明属于电池技术，具体涉及一种电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、相比各种有机电解液的锂电池和钠电池，可充水系电池的高安全性使得其在大型能源存储领域更加受到人们的青睐。近年来，关于正极材料已经进行了大量的研究，可以简单地分为三个主要类型，包括钒基正极、锰基阴极、普鲁士蓝类似物。

2、其中，高能量密度，廉价无污染的水系可充锌锰(zn-mn)电池被认为是最有应用前景的水系电池体系之一，激发了广大科研人员的研究兴趣。近几年，海量论文报道了关于zn-mn电池的最新研究成果，从正极电化学性能提升、电解液优化到金属锌负极可逆性改进均有了较大的突破，但是以大型商业化电池为目标时，zn-mn电池的应用仍然存在明显短板。

3、正极溶解、静电相互作用产生的不良影响、锌枝晶、腐蚀、钝化和副产物等问题都可能会导致水系锌锰电池容量衰减、库仑效率低和短路等，这严重制约了水系锌锰电池的发展和商业化。

技术实现思路

1、针对上述现有技术，本发明提供一种电池正极材料及其制备方法和应用，有效解决了现有技术电池正极材料掺杂过程复杂、成本高和能耗高的问题。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

3、s1：将二氧化锰和氮源按质量比7～9:1～3的比例组成混料一，将混料一以300～500r/min的转速球磨24h～48h，再将球磨后的混料一清洗、100～200℃干燥8h～12h，得粗产物；

4、s2：将粗产物、碳源按质量比8～12:1的比例组成混料二，将混料二以300～500r/min的转速球磨24h～48h，再将球磨后的混料二清洗、50～100℃干燥16h～24h，即得。

5、本发明的有益效果是：本发明采用了球磨法掺杂氮元素合成稳定循环和放电材料的策略，通过特殊的球磨工艺对mno2进行改性，掺杂氮元素后使其晶相结构发生改变，增强了二氧化锰原材料的电导率和改变了二氧化锰原材料在组装电池时的循环稳定性和放电能力，使制得的锌锰电池h+的离子扩散行为得以提升，最终使锌锰电池放电能力大幅度提高；且本发明的制备过程简单，低能耗，成本低廉，环境污染小，适合工业化需求。

6、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

7、进一步，氮源为碳酰胺，碳源为导电碳黑。

8、采用进一步技术方案的有益效果是：使用碳酰胺作为氮源，其成本低廉，含有较多含量的氮，有助于更简便的合成较为理想的正极材料，从而优化了电池的循环和放电性能；而在正极材料中掺入导电碳黑，可提高材料的导电性能。

9、进一步，s1中球磨以5倍二氧化锰质量的水为介质，球料比为8:1，转速为360r/min，球磨时间28h，干燥温度150℃，干燥时间10h。

10、进一步，s2中球磨以5倍粗产物质量的水为介质，球料比为8:1，转速为400r/min，球磨时间36h，干燥温度70℃，干燥时间20h。

11、采用进一步技术方案的有益效果是：合适的转速有助于提供足够的能量，能让钢珠对二氧化锰施加高能量的冲击和磨削，打破了二氧化锰的晶体结构，增加了表面能，从而促进相变以及原子或分子在材料中的掺杂。

12、本发明还公开了上述电池正极材料的制备方法制得电池正极材料。

13、本发明的有益效果是：本发明提供的电池正极材料具有分布密集的特点，有助于提高电池长循环过程中的稳定性，具有更快的电荷转移动力学以及更高的放电能力；且使用了碳酰胺作为掺杂氮源，替代了传统的贵金属掺杂，显著降低了掺杂成本，适合工业化需求。

14、本发明还公开了电池正极材料在制备锌锰电池的中的应用。

15、进一步，将电池正极材料、石墨烯和粘结剂按质量比7:2:1的比例组成混料三，然后加入溶剂研磨5min得混合浆料，将混合浆料涂覆在碳纸上并于60℃烘干后冷却至室温，得电池正极；混料三与溶剂的料液比为5g:1ml。

16、s2：以锌片为负极，玻璃纤维为隔膜，制得的电池正极为正极，置入电池壳体中，滴加电解液，密封后完成锌锰电池的组装；电解液成分为znso4与mnso4，znso4与mnso4的摩尔比为10:1。

17、进一步，s1的粘结剂为聚偏氟乙烯，溶剂为n-甲基吡咯烷酮。

18、本发明的有益效果是：采用本发明提供的电池正极材料组装的电池，拥有优异的放电性能和循环稳定性；且组装材料成本低廉，易于大规模生产，适合工业化需求。

技术特征：

1.一种电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述氮源为碳酰胺，所述碳源为导电碳黑。

3.根据权利要求1所述的电池正极材料的制备方法，其特征在于：s1中球磨以5倍二氧化锰质量的水为介质，球料比为8:1，转速为360r/min，球磨时间为28h，干燥温度为150℃，干燥时间为10h。

4.根据权利要求1所述的电池正极材料的制备方法，其特征在于：s2中球磨以5倍粗产物质量的水为介质，球料比为8:1，转速为400r/min，球磨时间为36h，干燥温度为70℃，干燥时间为20h。

5.权利要求1～5任一项所述的电池正极材料的制备方法制得电池正极材料。

6.权利要求6所述的电池正极材料在制备锌锰电池中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述锌锰电池经过以下步骤制得：

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：s1所述的粘结剂为聚偏氟乙烯，所述溶剂为n-甲基吡咯烷酮。

技术总结本发明公开了一种电池正极材料及其制备方法和应用，属于电池技术领域。本发明制备的电池正极材料将二氧化锰中掺入氮元素和碳元素，提供了比二氧化锰更高比例的氧空位和更多的活性位点，有助于提高水系锌锰电池的稳定性和放电能力；本发明提供的制备方法为球磨法掺杂，有助于更简便的合成较为理想的正极材料，从而优化了电池的循环和放电性能，且制备过程简单，低能耗，成本低廉，环境污染小，适合工业化需求。技术研发人员：王小炼,谷蕾,冯威,曾攀,陈晓娟,唐星月,李莹莹受保护的技术使用者：成都大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10