[发明专利]锰氧化物及其制备方法和铝离子电池

说明书

本发明涉及电池领域，公开了一种锰氧化物及其制备方法和铝离子电池，锰氧化物的制备方法包括以下步骤：(1)将锰盐、水溶性氮源及水混合；(2)将上述混合溶液进行陈化；(3)在惰性气氛下，将步骤(2)得到的固体产物进行煅烧。由本发明提供的制备方法制得的锰氧化物作为正极材料装成的铝离子电池容量高，放电电压高，且循环稳定性好，同时，本发明提供的锰氧化物的制备方法简单环保，具有良好的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体地，涉及一种锰氧化物及其制备方法和铝离子电池。

背景技术

随着社会经济的高速发展，绿色能源开发的需求越来越高。基于新材料、新体系、新技术的二次电池的研究不断深入，构筑轻元素的多电子反应体系，可以制造具更高容量密度、能量密度和功率密度的二次电池。铝离子电池可提供3电子的电化学反应，从而具有超高的理论容量和能量密度，作为负极，金属铝的理论电化学容量密度可达2980mAh·g^-1，仅次于金属锂负极(3870mAh·g^-1)，而铝离子电池的理论体积能量密度甚至高于锂离子电池。根据目前已有报道的文献记录，铝离子电池的正极材料最高的功率密度可达3000W·kg^-1，最高容量密度可达288mAh·g^-1，同时铝元素还是地壳中含量最高的元素。质量轻、价格低廉、理论容量和能量密度高等优点使铝离子二次电池极具开发潜力，发展铝离子电池技术对有效利用可再生能源具有重要意义。

合适的正极材料对开发铝离子电池的开发具有至关重要的作用。目前常用的铝离子电池的正极材料包括过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、硫化物以及普鲁士蓝类似物。其中，硫化物具有最高的可逆容量，但当铝离子电池的正极材料为硫化物时，存在严重的铝溶解现象，故容量保持率较差，循环20周以上容量衰减至不足10％，另外，由于铝的金属性弱于锂、钠、镁等碱金属或碱土金属，其放电电压较低导致铝硫电池的比能量和比功率都较低。过渡金属氧化物和过渡金属硫化物表面容量也较高，如硫化镍的首周容量接近300mAhg^-1，但其容量衰减十分明显，10周后即明显衰减至不足100mAh g^-1，且由于硫化物与铝金属的电位差较低，导致氯化物为正极材料的铝二次电池的放电电压较低，比能量和比功率都较低。目前，普鲁士蓝类似物的材料有PBA(CuFe)等，其中变价金属只有Fe，故其理论比容量较低。相比之下，过渡金属氧化物正极材料在比容量、循环性能和放电电位上都有明显的优势。其中V₂O₅具有超高的理论比容量，目前可以实现273mAhg^-1的可逆容量，循环20周后容量无明显衰减。但钒氧化物存在不同程度的毒性，不利于工业应用和环境保护。

目前，对于锰氧化物作为电池正极的材料的研究较少，且多集中在锂离子电池的应用中，锰氧化物导电性较差，现有技术提供的锰氧化物必须与其他物质(例如，石墨烯)共同作为正极材料使用。

因此，开发一种具有高容量、高放电电位且循环性能好的铝离子电池正极材料对于进一步开发铝离子电池至关重要。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术铝离子电池正极材料放电比容量较低且循环性能较差的缺陷，提供一种锰氧化物的制备方法，由该方法制备得到的锰氧化物以及一种铝离子电池。

本发明的发明人在研究过程中发现，将锰盐、水溶性氮源及水混合后依次进行陈化和煅烧(惰性气氛下)得到的锰氧化物应用于铝离子电池中，可以实现铝离子电池的较高容量充放，较好的循环，且制备方法简单环保。推测其原因可能是：1)金属Mn具有较大的变价的吉布斯自由能；2)本发明提供的方法制备得到的锰氧化物中，锰氧化物以立方体纳米颗粒形式存在，且比表面积较大，有助于减少电极在电化学反应过程中的极化现象，并有助于增加电极与电解液之间接触，有利于铝离子在材料中的传输；3)陈化过程中充分分散的锰盐小颗粒会产生一定程度的粘连，可以避免后续正极材料溶解在电解液中；4)煅烧过程可以进一步稳固正极材料的晶相结构。