一种锰酸钠水系电池的制备方法

本发明涉及一种锰酸钠水系电池的制备方法，属于金属资源利用。

背景技术：

1、随着化石能源的日益枯竭，环境污染的日益加剧，能源与环境的问题逐渐成为一项巨大挑战。电池因其具有高能量密度、使用寿命长、可运用范围广、对环境友好等优点，成为目前极为重要的储能器件之一。由于其中电解液分为水系电解液和有机系电解液，电池可分为水系电池和有机电池。目前商用电池主要为lifepo4以及li(nicomn)o2电池，二者均使用有机系电解液，有机系电解液主要存在的问题为成本高、毒性大、易燃、易爆。以上问题极大的限制了电池的运用；而水系电解液很好解决了有机电解液所存在的问题。但是，现有水系电池存在制备周期长，制备成本高，且进行放电时中值电压平台较低等问题。其次，目前主要使用的电池为锂离子电池，而地球所蕴含的锂矿资源相对与钠元素资源相对匮乏并且锂矿成本较高。

技术实现思路

1、针对现有技术水系电池存在的制备周期长，制备成本高，且进行放电时中值电压平台较低等问题，本发明提出一种锰酸钠水系电池的制备方法，即以高温固相法制备高纯na2mn3o7，并以此制备出水系钠电池正极，硫酸钠电解液、硝酸钠电解液、碳酸钠电解液、硫酸锰电解液、硫酸锌电解液或乙酸钠电解液为水系钠电池电解液，锌片或硬碳为水系钠电池负极，组装成锰酸钠水系电池。此方法操作简单制备周期短，制备成本相对较低且具有较高放电比容量，相对较高放电中值电压平台以及具有极高的电池安全性。

2、一种锰酸钠水系电池的制备方法，具体步骤如下：

3、(1)将钠盐和锰盐混合进行高能球磨得到前驱体；

4、(2)将前驱体置于空气或氧气氛围中进行高温固相烧结，烧结产物经去离子水洗涤，干燥得到na2mn3o7；

5、(3)以钛箔或不锈钢网为正极基体，na2mn3o7经涂覆法或压片法制备成na2mn3o7正极极片；

6、(4)水系钠电池电解液中含有钠盐，以锌片或硬碳为水系钠电池负极，na2mn3o7正极极片为水系钠电池正极，组装成锰酸钠水系电池。

7、所述步骤(1)钠盐为硝酸钠或碳酸钠，锰盐为碳酸锰或硝酸锰。

8、所述步骤(1)钠盐和锰盐的摩尔比为1:1～1:1.5。

9、所述步骤(1)高能球磨球料质量比为7:3～10:1，球磨时间为4～12h，球磨转速120～220r/min。

10、所述步骤(2)高温固相烧结的温度为700～850℃，时间为8～12h。

11、所述步骤(3)钠盐为硫酸钠、氯化钠、硝酸钠、碳酸钠或乙酸钠。

12、优选的，所述水系钠电池电解液中还含有硫酸锰和/或硫酸锌。

13、更优选的，步骤(3)水系钠电池电解液中电解质总浓度为1～3mol/l。

14、所述步骤(3)正极基体上na2mn3o7的涂敷厚度为10～20um，正极基体上na2mn3o7的压片负载质量3～5mg/cm2。

15、本发明使用x射线衍射仪以及扫描电子显微镜对所得产物进行物相分析以及形貌检测，并用电池测试系统对水系钠电池的充放电循环性能以及高倍率性能进行测试。

16、本发明的有益效果是：

17、(1)本发明采用高温固相法合成na2mn3o7，高温固相法制备na2mn3o7反应原理：3nano3+2mnco3+o2→na2mn3o7+3co2+2no2；此方法合成na2mn3o7工艺流程短，操作简单，所得物相的结晶度较好，材料纯度较高，是一种极为理想的水系钠电池正极材料；

18、(2)本发明将钠离子电池中的有机电解液改为水系电解液，可以有效解决有机电解液的毒性以及易燃易爆的问题，并且降低电池生产成本；

19、(3)本发明以硫酸钠电解液、硝酸钠电解液、碳酸钠电解液、硫酸锰电解液、硫酸锌电解液或乙酸钠电解液为水系钠电池电解液，锌片或硬碳为水系钠电池负极，na2mn3o7正极极片为水系钠电池正极，组装成锰酸钠水系电池具有极高的放电比容量，远高于目前广泛运用的lifepo4电池的理论比容量。

技术特征：

1.一种锰酸钠水系电池的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述锰酸钠水系电池的制备方法，其特征在于：步骤(1)钠盐为硝酸钠、碳酸钠或乙酸钠，锰盐为硝酸锰、碳酸锰或乙酸锰。

3.根据权利要求1或2所述锰酸钠水系电池的制备方法，其特征在于：步骤(1)钠盐和锰盐的摩尔比为1:1～1:1.5。

4.根据权利要求1所述锰酸钠水系电池的制备方法，其特征在于：步骤(1)高能球磨球料质量比为7:3～10:1，球磨时间为4～12h，球磨转速120～220r/min。

5.根据权利要求1所述锰酸钠水系电池的制备方法，其特征在于：步骤(2)高温固相烧结的温度为700～850℃，时间为8～12h。

6.根据权利要求1所述锰酸钠水系电池的制备方法，其特征在于：步骤(3)钠盐为硫酸钠、氯化钠、硝酸钠、碳酸钠或乙酸钠。

7.根据权利要求1所述锰酸钠水系电池的制备方法，其特征在于：水系钠电池电解液中还含有硫酸锰和/或硫酸锌。

8.根据权利要求1、6或7所述锰酸钠水系电池的制备方法，其特征在于：步骤(3)水系钠电池电解液中电解质总浓度为1～3mol/l。

9.根据权利要求1所述锰酸钠水系电池的制备方法，其特征在于：步骤(3)正极基体上na2mn3o7的涂敷厚度为10～20um，正极基体上na2mn3o7的压片负载质量3～5mg/cm2。

技术总结
本发明涉及一种锰酸钠水系电池的制备方法，属于新能源技术领域。本发明将钠盐和锰盐混合进行高能球磨得到前驱体；将前驱体置于空气或氧气氛围中进行高温固相烧结，烧结产物经去离子水洗涤，干燥得到Na2Mn3O7；以钛箔或不锈钢网为正极基体，Na2Mn3O7经涂覆法或压片法制备成Na2Mn3O7正极极片；以硫酸钠电解液、硝酸钠电解液、碳酸钠电解液、硫酸锰电解液、硫酸锌电解液或乙酸钠电解液为水系钠电池电解液，锌片或硬碳为水系钠电池负极，Na2Mn3O7正极极片为水系钠电池正极，组装成锰酸钠水系电池。本发明以高温固相法制备高纯Na2Mn3O7，并以此制备出水系钠电池正极，具有极高的放电比容量。

技术研发人员：张正富,刘梓源,李成平,王劲松,刘莹,李智敏
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15