介孔二氧化锰电池材料的可控合成及其电化学性能研究

论文摘要

碱性锌锰电池因具有容量大、比能量高、工作温度范围宽、防漏性能好、储存寿命长、综合性价比高等优点而被广泛用于民用和工业领域。二氧化锰因为具有资源丰富、价格低廉、对环境相对友好等优势常被用作碱性锌锰电池的正极材料。但是在大电流、高功率放电时,二氧化锰正极材料的利用率低,只有30～40%。如何提高二氧化锰的利用率是改善碱性锌锰电池大功率放电能力的关键问题之一本文针对上述问题做了研究工作,主要研究内容和创新点如下：（1）采用介孔二氧化硅SBA-15和KIT-6为模板,硝酸锰为锰源,成功合成了两类高功率、大容量介孔二氧化锰电池材料。研究结果表明：用SBA-15作模板合成的二氧化锰具有类似于SBA-15的2D六方（p6m）介孔结构通道,比表面积为112 m2·g-1；以KIT-6为模板合成的MnO2具有3D立方（Ia3d）孔道结构,保持了KIT-6模板相应的介孔结构,比表面积为83 m2·g-1。循环伏安法表明两类介孔二氧化锰在-480～220 mV的电位区间都有两个强氧化峰,且氧化峰的面积大于还原峰的面积,说明它们都有比较好的循环性能。恒电流放电实验表明：当电流密度分别为50 mA·g-1、250 mA·g-1和500 mA·g-1时,与商业电解二氧化锰相比,SBA-15-MnO2的放电容量分别提高了74.98%、119.74%和146.19%；KIT-6-Mn02的放电容量分别提高了63.58%、95.14%和100.23%。（2）利用非金属元素S、Se为掺杂元素,采用原位掺杂技术合成了两类非金属元素掺杂的介孔二氧化锰电池材料。电化学性能测试结果表明无论是在SBA-15-Mn02中,还是在KIT-6-Mn02中,最佳掺杂元素均为Se,最佳掺杂质量份数也均为5%。当电流密度分别为50 mA·g-1、250 mA·g-1和500 mA·g-1时,SBA-15-Mn02的放电容量可达506.25 mA·h·g-1、430.25 mA·h·g-1和376.2 mA-h-g-1,比掺杂前分别提高了17.65%、24.98%和28.94%；而KIT-6-Mn02的放电容量则高达516.25 mA·h·g-1、465.97 mA·h·g-1和378.2 mA·h·g-1,比掺杂前分别提高了28.33%、52.41%和59.38%。（3）本论文同时还利用金属元素Ni、Pb、Ce和Mg为掺杂元素,成功合成了两类金属元素掺杂的介孔二氧化锰电池材料。电化学性能测试结果表明在上述金属元素中,Mg为最佳掺杂元素,最佳掺杂质量份数为5%。当电流密度分别为50 mA·g-1、250 mA·g-1和500mA·g-1时,SBA-15-Mn02的放电容量可达510.26 mA·h·g-1、454.86 mA·h·g-1和401.2mA·h·g-1,比掺杂前分别提高了18.58%、32.13%和37.51%；而KIT-6-Mn02的放电容量则高达560.6 mA·h·g-1、466.66 mA·h·g-1和410.2 mA·h·g-1,比掺杂前分别提高了39.36%、52.64%和72.86%。本论文通过研究发现,采用原位掺杂技术制备两类掺杂介孔二氧化锰电池材料时,无论掺杂非金属元素Se,还是掺杂金属元素Mg,掺杂量在10%以内,掺杂对介孔二氧化锰的晶型、形貌和结构均没有明显的影响。但是掺杂后,介孔二氧化锰的电化学性能却有极大的提高。这为改善碱性锌锰电池正极材料的大功率放电性能提供了一条新的途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 锌锰电池概述
• 1.2 碱性锌锰电池概述
• 1.2.1 碱性锌锰电池
• 1.2.2 碱性锌锰电池正极放电原理
• 1.2.3 碱性锌锰电池存在的主要问题
• 1.3 纳米材料概述
• 1.3.1 纳米材料
• 1.3.2 纳米材料的特点
• 1.3.3 纳米材料的分类
• 1.3.4 纳米材料的制备方法
• 1.3.5 纳米材料的应用
• 1.3.6 介孔材料
• 1.3.7 介孔材料的制备方法
• 1.4 电池正极材料的研究进展
• 1.4.1 二氧化锰的晶型结构类型
• 1.4.2 纳米二氧化锰的研究进展
• 1.4.3 介孔二氧化锰的研究进展
• 1.5 本课题选题的意义、目的及主要研究内容
• 1.5.1 本课题的选题意义及目的
• 1.5.2 本课题的主要研究内容
• 第二章 介孔二氧化锰的可控合成及电化学性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂和仪器
• 2.2.2 两类介孔二氧化锰的合成
• 2.2.3 样品的测试与表征
• 2.2.4 工作电极的制备
• 2.2.5 样品的电化学性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 X射线衍射表征
• 2.3.2 扫描电镜表征
• 2.3.3 透射电镜表征
• 2吸附-脱附曲线及孔径分布的表征'>2.3.4 N₂吸附-脱附曲线及孔径分布的表征
• 2.3.5 样品的循环伏安曲线
• 2.3.6 样品的恒电流放电曲线
• 2.4 本章小结
• 第三章 非金属掺杂介孔二氧化锰的合成及电化学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂和仪器
• 3.2.2 非金属掺杂介孔二氧化锰的合成
• 3.2.3 样品的测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 掺杂元素的选择
• 3.3.2 X射线衍射表征
• 3.3.3 扫描电镜表征
• 3.3.4 透射电镜表征
• 2吸附-脱附曲线及孔径分布的表征'>3.3.5 N₂吸附-脱附曲线及孔径分布的表征
• 3.3.6 样品的能谱表征
• 3.3.7 不同掺杂量样品的放电曲线
• 3.3.8 不同电流密度下样品的放电曲线
• 3.4 本章小结
• 第四章 金属掺杂介孔二氧化锰的合成及电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂和仪器
• 4.2.2 金属掺杂介孔二氧化锰的合成
• 4.2.3 样品的测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 掺杂元素的选择
• 4.3.2 X射线衍射表征
• 4.3.3 扫描电镜表征
• 4.3.4 透射电镜表征
• 2吸附-脱附曲线及孔径分布的表征'>4.3.5 N₂吸附-脱附曲线及孔径分布的表征
• 4.3.6 样品的能谱表征
• 4.3.7 不同掺杂量样品的放电曲线
• 4.3.8 不同电流密度下样品的放电曲线
• 4.4 本章小结
• 第五章 论文总结与工作展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献