[发明专利]一种水系电池的锰氧化物正极材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种水系电池的锰氧化物正极材料，其特征在于：所述锰氧化物正极材料的分子式为MnO₂H_x(H₂O)_y，其中0＜x＜1，0＜y＜1；

在充放电过程中，锰氧化物中嵌入有H⁺和金属离子，H⁺以Mn-OH形式存在，金属离子以Mn-O-金属离子形式存在，并且，H⁺和金属离子在锰氧化物正极材料中协同的脱出或嵌入；

所述金属离子中至少含有Zn²⁺。

2.根据权利要求1所述的锰氧化物正极材料，其特征在于：所述金属离子还含有Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Al³⁺中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的锰氧化物正极材料，其特征在于：所述锰氧化物正极材料为纳米颗粒、纳米线或纳米片；

所述纳米片的厚度为1～10nm，直径为200～800nm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的锰氧化物正极材料在水系电池中的应用，所述水系电池为一次电池或二次电池；

所述水系电池为锌离子电池、锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池或铝离子电池。

5.一种采用权利要求1-3任一项所述的锰氧化物正极材料的水系一次电池或水系二次电池。

6.根据权利要求5所述的水系一次电池或水系二次电池在储能、3C电子产品或新能源电动汽车中的应用；

所述3C电子产品包括手机、笔记本电脑和平板电脑。

7.根据权利要求1-3任一项所述的锰氧化物正极材料的制备方法，其特征在于：包括采用高温水热法，以高锰酸钾和碳基材料作为反应物，一步合成所述锰氧化物正极材料；所述高温水热法的反应温度为80～240℃，反应时间为6～72h；

所述碳基材料为木炭、炭黑、碳布、碳纸、碳纤维、乙炔黑、SP、KS6、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、氧化还原石墨烯、单壁纳米碳管、多壁纳米碳管、氧化纳米碳管和氧化还原纳米碳管中的至少一种；

所述碳基材料与高锰酸钾的摩尔比为0.5～3；

具体包括以下步骤，

(1)将高锰酸钾溶于溶剂中制成浓度0.01～0.8mol/L的高锰酸钾溶液，标记为溶液A；将碳基材料分散于碳材料分散液中制成碳材料溶液，标记为溶液B；

(2)将溶液A逐滴加入溶液B中，边滴加边搅拌，形成均匀的混合溶液；

(3)将步骤(2)的混合溶液置于80～240℃的高温条件下反应6～72h，获得纳米粉体颗粒；

(4)对步骤(3)获得的纳米粉体颗粒进行分离、洗涤、烘干，即获得所述锰氧化物正极材料；

所述高锰酸钾溶的溶剂为去离子水、正丁醇、第一混合溶液、乙二醇或第二混合溶液，其中，第一混合溶液为去离子水与正丁醇的混合溶液，第二混合溶液为去离子水和乙二醇的混合溶液；

所述碳材料分散液为去离子水、十二烷基三甲基溴化铵、乙二胺或聚乙二醇。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：还包括在所述步骤(3)之前，采用浓度为2～20vol％的稀酸液调节所述步骤(2)的混合溶液的pH值为0-5，然后再进行步骤(3)的高温水热法反应。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述稀酸液为稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸、稀磷酸和稀醋酸中的至少一种。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述稀酸液的pH值为0～5。

11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述稀酸液的加入量为每100mL所述混合溶液加0～10mL稀酸液。