近年来，锂离子电池(LIBs)在各种各样的电子产品上得到了十分普遍的应用，它还是电动汽车用动力电池的理想选择，并将在新能源汽车如油电混合动力汽车的动力系统研究中占据着举足轻重的位置负极材料和选取对锂离子电池的循环性能起着至关重要的作用ZnMn2O4 因具有比容量高、电势电位低、自然资源丰富、环境友好的特点，被认为是极具发展前景的锂离子电池负极材料然而,在锂电池工作过程中，Zn Mn2O4 电极材料体积变化较大、电导率低的缺点，限制了其电化学性能的发挥正因为 Zn Mn2O4 有上述的缺陷，因而研究学者们将很大一部分的精力集中在研究制备新颖的纳米结构 Zn Mn2O4目前，制备不同形貌的 Zn Mn2O4 纳米结构及它在催化领域和电化学领域的研究己经有许多报道，材料研究者们已经制备出了很多种结构的 Zn Mn2O4 纳米材料，例如纳米球、纳米棒、纳米管，并进行了一些改性研究，我来为大家科普一下关于碱性锌锰干电池的负极反应式?以下内容希望对你有帮助!
碱性锌锰干电池的负极反应式
近年来，锂离子电池(LIBs)在各种各样的电子产品上得到了十分普遍的应用，它还是电动汽车用动力电池的理想选择，并将在新能源汽车如油电混合动力汽车的动力系统研究中占据着举足轻重的位置。负极材料和选取对锂离子电池的循环性能起着至关重要的作用。ZnMn2O4 因具有比容量高、电势电位低、自然资源丰富、环境友好的特点，被认为是极具发展前景的锂离子电池负极材料。然而,在锂电池工作过程中，Zn Mn2O4 电极材料体积变化较大、电导率低的缺点，限制了其电化学性能的发挥。正因为 Zn Mn2O4 有上述的缺陷，因而研究学者们将很大一部分的精力集中在研究制备新颖的纳米结构 Zn Mn2O4。目前，制备不同形貌的 Zn Mn2O4 纳米结构及它在催化领域和电化学领域的研究己经有许多报道，材料研究者们已经制备出了很多种结构的 Zn Mn2O4 纳米材料，例如纳米球、纳米棒、纳米管，并进行了一些改性研究。
在 1991 年，Tarascon 课题组首次发现了过渡金属氧化物 TMO (Transition-metal Oxide,M=Fe、 Ni、Co、Zn、Cu )可以和锂产生可逆反应，即后来研究者称作转变反应的一种可逆反应，其化学反应方程式可概括为：MxOy 2 ye- 2 y Li → x M0 y Li2O，从发现锂能够和过渡金属氧化物发生转变反应之后，锂可以与更多的金属氧化物 AXOy，（A 如 Ti、V、Mo、Cr、Mn 等）产生可逆反应这一特性也进入了研究者们的视野。锰基金属氧化物具有负极电极电势较低、原材料较易获得、自然储量较大、环境友好型、安全稳定性高等优点，因此它吸引了学者们强烈的研究兴趣，二元锰基复合金属氧化物，即将锰基金属氧化物和别的金属进行复合，生成了如Zn Mn2O4，、Co Mn2O4 等二元锰基金属氧化物。而加入另外一种金属是为了让不同的电势电位的作用来缓解锰基材料在电池循环过程中体积膨胀收缩率过大的问题，稳固电极结构防止粉化，以此保持容量提高循环稳定性。
尖晶石型锰酸锌纳米颗粒的扫描电镜图
二元锰基金属氧化物 Zn Mn2O4 中锰和锌的电极电势电位不一样，在充放电循环过程中可以共同合作，充当对方缓冲基体的作用，使得Zn Mn2O4 的充放电循环性能比一元的锰基金属氧化物更好。并且，Zn Mn2O4 具有比一元锰基金属氧化物更高的比容量，因此在锂离子电池负极材料的研究中，Zn Mn2O4 的优势更加凸显，有作为新一代锂离子电池负极材料的潜力。当 Zn Mn2O4 作为电极时，其电极材料的组成、结构和形貌对整个电池的的电化学性能有很大的影响，因此对于Zn Mn2O4 纳米材料的制备和改性研究也就显得尤为重要。
锰酸锌（Zn Mn2O4）是典型的尖晶石结构，它是四方晶系，晶胞参数为a=0.5720 nm, b=0.5720 nm, c=0.9245 nm，依次为晶胞，四面体和八面体结构的示意图，其中四面体和八面体为氧密堆积，数个四面体和八面体组合成为一个晶胞。Zn Mn2O4 中的 Zn-O 键和Mn-O 键是有较强结合力的离子键，并且静电作用力的程度相同。形成了经典的八面体结构。这种经典结构物理和化学性能稳定，同时 Zn Mn2O4 晶系在各个方向上的导热性和热膨胀性均一致，因此具有良好的耐热性，即使在高温下的情况下仍能阻挡多种熔体的腐蚀。锂离子电池负极材料Zn Mn2O4的储存锂离子的机理与碳负极或者金属单质、合金类负极材料的储存锂离子的原理都不尽相同。碳负极材料的储存锂离子的原理大致可以概括为锂离子存储在锂离子脱嵌之后空出的位置上。金属单质和合金类负极材料的储存锂离子的原理大致可以概括为锂离子存储在锂离子和金属产生合金化反应之后产生的空位上。负极材料 Zn Mn2O4 的储存锂离子原理与金属氧化物的转变反应类似，然而期间还发生 Zn 和 Li 的合金化反应。首次放电反应化学方程式如下式所示，其理论比容量是 1024 m Ah g–1，并且大量的能量消耗会发生在负极材料 Zn Mn2O4 首次充放电反应过程中，因为首次充放电是不可逆反应。后续可逆充放电反应化学方程式如下式所示，其理论比容量是 784 m Ah g–1 。在首次放电的时候，尖晶石结构的 Zn Mn2O4 在嵌入从正极脱离出的锂离子和电子的过程中，经历了从单相 Zn Mn2O4 到 Zn Li 相、Mn 相和 Li2O 相的三相转变。在新产生的 Li2O 基体上，有着均匀分布的 Zn Li 和 Mn。在后续的可逆充放电反应中，发生了 Zn Li 到 Zn O，Mn 到 Mn O 的转变。
目前锰酸锌纳米材料的制备方法有很多，文献报道中最常见的技术有溶剂热法、水热法、模板法、静电纺丝法、和溶胶-凝胶法，兹分述如下：
三维 Zn Mn 2 O 4 /PCF 的合成流程图
① 溶剂热法：溶剂热法是让反应物在高压釜中于一定的压强和温度下在一个密闭的体系中进行反应的过程。这种方法操作简单，合成过程可控，因此是一种应用非常广泛的技术。目前采用溶剂热法制备锰酸锌纳米材料的报导也是最多的。Taolai Ni等人用定量的硝酸锌和硝酸锰在乙二醇中混合搅拌均匀后，转移到反应釜中， 180 ℃ 的下反应 9 h，制备了中空的锰酸锌纳米粒子结构，电化学测试表明这种材料在 500 m A g–1 下循环 90 圈容量为 726 m Ah g–1。② 水热法：水热法顾名思义，反应中所用溶剂都是水，利用水对各种无机盐的优秀溶解性可以促进反应向正方向进行，同时又可利用沉淀的不溶解性，轻易地分离产物等。相对其它制备技术来说，水热法的成本较低、容易掌握操作，已经成为广泛制备纳米材料比如锰酸锌的一种重要技术。采用水热法制备锰酸锌纳米材料的过程中，延长或缩短反应时间，升高或降低反应温度以及水量的多少都会对最终产物的结晶性、形貌和产率产生很大的影响，因而水热法对反应条件的控制尤其重要。③ 模板法：模板法是制备中空的纳米材料的一种精确控制方法，根据模板的类型，又分为软模板法和硬模板法。对于其它制备方法来说，模板法有着许多显著的优势，利用成型的模板就可以发挥出最佳的结构特点，无论是电化学性能或者机械性能诸如模板法制备纳米材料的结构规整性高，空间和尺寸都可以调整。另外模板法合成条件一般比较温和，所得的材料均一、稳定、空间分散性好。Peng Li 等以三维多孔碳（PCF）为模板合成了一种三维的 Zn Mn2O4/PCF复合材料，其独特的三维碳骨架结构结合多孔 ZnMn2O4，获得了较好的电化学性能，在 100 m Ag-1 下容量为 760 m Ahg-1，并具有较好的循环稳定性。④ 静电纺丝法：静电纺丝是近几年兴起的纳米材料制造技术，它利用聚合物在电场中的特殊的理化性质，将聚合物的溶液或者熔体变为聚合物静电丝向指定方位喷射，并调整结构特性以满足人们的不同应用需求。F.T. Pei等利用静电纺丝法以 Zn(C5H7O2)2·x H2O、Mn(C5H7O2)3 和聚乙烯吡咯烷酮（PVP） 为原料，制备了一系列不同形貌的 Zn Mn2O4 纳米材料（纳米棒、纳米纤维、纳米网），它们尺寸均在 6-10 nm ，而且这些特殊的纤维结构的 Zn Mn2O4 纳米有着较好的电化学性能，在 60 m Ag-1 下纳米纤维（ZMO-NF）容量 705 m A h g-1，纳米网（ZMO-NW）容量 530 m A h g-1。刘亚芝等采用静电纺丝法，以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、醋酸锌（Zn(CH3COO)2·2H2O）和醋酸锰（Mn(CH3COO)2·4H2O）为原料，制得复合纳米纤维前驱体，然后经过高温煅烧得到 Zn Mn2O4 纳米纤维，700℃煅烧得到的样品具有较好的循环性能。⑤ 溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法简单说来就是先溶胶再凝胶，即先将无机盐或其他金属盐类水解处理成溶胶，再对溶质聚合得到凝胶，最后经过一系列干燥、煅烧等后处理手段得到纳米材料的技术。对于可以水解的盐类，溶胶-凝胶法是一个很好的选择方案。采用溶胶凝胶法制备的纳米材料有着良好的分散性，而且在一定的条件下可以达到原子水平。Laurel Simon Lobo 等合成了纳米级的Zn Mn2O4 微粒，并详细论述了其形成机理以及不同反应条件下生成产物的区别。
具有尖晶石结构的复合氧化物的 Zn Mn2O4 具有比容量高、电极电势电位低等优势，但是在有诸多优点的同时，Zn Mn2O4 负极材料亦有容量循环衰减速度较快、高倍率性能不足、充放电平台过低等缺点，由于 Zn Mn2O4 在电池循环过程中发生转变反应时体积变化较明显，电导率低。Zn Mn2O4 拥有十分广泛的应用前景和优异特性，在对负极材料 Zn Mn2O4 的合成方法、调控形貌上的研究远远不够，因此增强对 Zn Mn2O4 的研究是材料工作者的一项重要任务，从而对 Zn Mn2O4进行进一步的改性。
