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碱性锌锰电池因具有容量高、工作电压比较稳定、低温性能较好、贮存寿命长等优点而在一次电池市场中占有重要的位置。随着电子产品朝着小型化、精密化方向发展,它们对电源性能的要求越来越高,普通碱锰电池甚至无法满足某些产品的正常工作。尤其是在大电流放电时,二氧化锰正极材料的利用率只有30%-40%。其主要原因在于二氧化锰正极材料在深度放电时晶格结构不稳定、易坍塌,导致内部活性组分无法充分反应。
为了提高二氧化锰的利用率,本文通过制备纳米/介孔二氧化锰,增大产物比表面积、减少电极极化,增加其放电容量;另外,对二氧化锰进行掺杂改性以提高其晶格稳定性,促进二氧化锰深度放电。主要研究内容如下:
(1)用水热法合成了纳米二氧化锰,通过调控反应时间实现了不同形貌二氧化锰的可控合成,用XRD、SEM、TEM等手段对产物形貌与结构进行了表征。采用恒电流放电法研究了样品在碱性溶液中的电化学性能,结果表明,在250 mA/g的电流密度下放电时,纳米二氧化锰产物在-0.4V处有很好的放电平台,放电容量达到312.5 mAh/g,比EMD的放电容量高出150%。
(2)通过改变铋掺杂量,实现了对纳米二氧化锰放电性能的调控。电化学测试表明,铋掺杂可明显提高二氧化锰的放电容量,样品在-0.4V和-0.7V处出现两个放电平台,在250mA/g的电流密度下放电时,掺铋5%的样品放电性能最佳,其放电容量达到465.3 mAh/g,比EMD的放电容量高出272%。
(3)以介孔氧化硅SBA-15为模板,成功实现了有序介孔二氧化锰的可控合成,其结构表征结果表明产物具有高度有序介孔的结构;电化学测试表明,当SBA-15和硝酸锰用量为0.2∶0.5时,产物的放电性能最好,在250 mA/g的电流密度下放电时,样品在-0.4V处有很好的放电平台,放电容量达到378.5 mAh/g,比EMD的放电容量高出203%。
(4)通过改变铋掺杂量,实现了对铋掺杂介孔二氧化锰放电性能的调控;电化学测试表明,铋掺杂可明显提高二氧化锰的放电容量,样品在-0.4V和-0.6V处出现两个明显的放电平台,在250 mA/g的电流密度下放电时,掺铋5%的样品放电性能最佳,其放电容量达到743.1 mAh/g,比EMD的理论放电容量(616 mAh/g)高出20.6%。该材料有望应用于高性能碱锰电池领域。