MnO@C 用于锌离子电池正极材料的研究①

2021-03-25马秋臣

矿冶工程 2021年1期

关键词：结构

马秋臣，刘军

(中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410083)

锌离子电池(ZIBs)具有较高的容量(820 mAh/g)和体积容量(5 855 mAh/cm3)［1-3］,受到了越来越多的关注。但Zn2＋容易极化,在水系统中电压范围狭窄,因此锌离子电池的推广应用受到极大限制［4］。

MnO 储量丰富,对环境无害且理论容量高,在锌离子电池中用作正极材料。在ZIBs 中,MnO 的密堆积结构造成循环稳定性较差。本文以MnO 为研究对象,通过共沉淀和热处理得到了镶嵌在碳纳米片中的MnO(MnO@C)。碳包裹结构可以一定程度抵抗由锌离子嵌入/脱出引起的晶体体积变化,从而提高电ZIBs 化学性能。

1 实验

1.1 MnO@C 的合成

在10 mL 乙二醇(EG)中混合1.47 g MnAc2·4H2O制备溶液A。在80 mL EG 和10 mL 去离子水中混合0.54 g 乙二酸和1 g 聚乙烯吡咯烷酮,得到溶液B。磁力搅拌一段时间,分别使A、B 溶液均无颗粒物后,尽快将溶液A 添加到溶液B 中,搅拌1 h,离心得到白色沉淀(MnC2O4·EG),将沉淀物用乙醇洗涤后干燥,在空气中400 ℃下退火处理2 h 得到Mn3O4。

将0.4 g 制备好的Mn3O4和0.2 g 多巴胺(DA)溶解在200 mL 水中,搅拌1 h 后,将0.242 g 2-氨基-2-氢-羟甲基-1,3-丙二醇(Tris)加入混合物中,继续搅拌12 h,离心获得聚多巴胺涂覆的Mn3O4(Mn3O4@ PDA),用去离子水和乙醇洗涤,干燥。然后,将Mn3O4@ PDA在流动的H2/Ar 气体(6%H2)下于700 ℃加热3 h［5］,最后得到MnO@C［6］。

1.2 材料表征

采用Rigaku D/max 2500 衍射仪进行X 射线衍射分析。通过场发射扫描电子显微镜(SEM,SIRION200)和透射电子显微镜(TEM,TECNAI G2 F20)观察样品形貌。使用Thermo ESCALAB 250XI XPS 系统进行XPS分析。在Jobin-Yvon LabRAM HR 800UV 上进行拉曼散射测量。通过热重分析(TGA,NETzsch STA449F3),在空气中以10 ℃/min 的升温速率测量样品的MnO含量。