[发明专利]一种自支撑式钾离子预嵌入锰基正极及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种自支撑式钾离子预嵌入锰基正极及其制备方法与应用的制备方法与应用，属于电化学储能领域。所述正极包括三维层状碳基导电基底(LGP)与预嵌入钾离子的二氧化锰(K_xMnO₂)。所述预嵌入钾离子的二氧化锰(K_xMnO₂)为纳米团簇聚合形成的纳米花与纳米片阵列结构，其均匀生长在三维层状碳基导电的层间与表面。与现有技术相比，本发明提供的三维层状碳基导电基底具有丰富的层间距与表面积，不仅为二氧化锰的生长提供了丰富的活性位点，而且增加了其导电性，并且能够实现电解液与活性物质的充分。同时通过钾离子的预嵌入，稳定了二氧化锰的晶体结构，使得其循环稳定性大大增加。

技术领域

本发明涉及电化学储能技术领域，尤其涉及一种自支撑式钾离子预嵌入锰基正极及其制备方法与应用。

背景技术

如太阳能、风能、潮汐能等清洁、可再生、安全可控的新能源都是间歇性能源，不具备连续性，进而需要通过储能设备来实现间歇性能源的连续性供应。在现有的储能方式中，大多数受限于卡诺循环，从而导致能量转换效率过低。但电化学储能却不受卡诺循环限制，能量转换效率极高。

在现有商业化的二次电池中，以锂离子二次电池的性能最为优异。其能量密度高、循环寿命长的特点在储能性能上看似适用于大规模能量储存，但其使用的有机电解质却会引起燃烧、爆炸的问题。同时由于金属锂的价格过高，导致锂离子二次电池在安全与性价比上并不适用于大规模能量储存。基于此，以安全、环保、成本低为特点的水系多价离子 (Mg²⁺、Ca²⁺、Al³⁺、Zn²⁺)电池受到了更多的青睐。其中又以锌离子电池的性能最为优异。

现有锌离子电池的电化学性能主要受正极材料的限制。常见的正极材料有锰基氧化物、钒基氧化物、普鲁士蓝、聚阴离子化合物等。其中具有隧道结构、层状结构和尖晶石结构的锰基氧化物是很常见的一种正极材料。但在充放电过程中，锰基氧化物存在着锰元素流失、结构不稳定、导电性差的问题，进而大大的影响了其电化学性能。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种自支撑式钾离子预嵌入锰基正极及其制备方法与应用，本发明制备方法简单，所得正极为一体化电极，无粘结剂。本发明提供的自支撑式钾离子预嵌入锰基正极应用于水系锌离子电池，具有较高的比容量和较长的循环寿命，同时具有优异的倍率性能和导电性能。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种自支撑式钾离子预嵌入锰基正极及其制备方法与应用，包括预嵌入钾离子的二氧化锰(K_xMnO₂)，还包括三维层状碳基导电基底(LGP)，所述预嵌入钾离子的二氧化锰(K_xMnO₂)紧密负载在三维层状碳基导电基底的表面与层间。

所述负载在三维层状碳基导电基底的表面与层间的预嵌入钾离子的二氧化锰(K_xMnO₂)为纳米团簇聚合形成的纳米花与纳米片阵列结构。

步骤1、取用含量为95％～98％的浓硫酸配置出不同浓度的硫酸水溶液；

步骤2、以铂片为对电极，边长为30～36mm的正方形石墨纸为工作电极，取步骤1所述硫酸水溶液为电解液，采用恒电位电解法，以一定的电压沉积一段时间；

步骤3、将步骤2中处理过后的石墨纸置于去离子水中浸泡一段时间，置换出石墨纸中的HSO^-₄，中途更换去离子水，直到去离子水溶液pH值为7，之后在烘箱中以60～90℃干燥得到三维层状碳基导电基底(LGP)；

步骤4、配置不同浓度的高锰酸钾溶液，并调节高锰酸钾溶液的酸碱度；