[发明专利]可充电锌离子电池

说明书

技术领域

本发明属电池技术领域，具体涉及一种锌离子在正极活性材料脱嵌和在负极还原或氧化的可充电的锌离子电池。

背景技术

随着经济的不断发展，必然引起石油资源的匮乏和环境的污染，因此新型绿色能源的综合高效的开发和利用已成为十分必要的课题。相比较一次电池，二次电池能重复多次进行充放电循环，能充分利用原材料，故其更经济实用。最有名的可充电电池(二次电池)是锂离子电池。锂离子电池是利用Li⁺离子作为储能介质来储存电能，其利用Li⁺离子可嵌入或脱出的正极和负极材料，在充电时锂离子从正极材料脱出经过电解液然后嵌入到负极(一般为石墨)的层间；当放电时，嵌入到石墨负极的锂离子从负极脱出通过电解液又运动到正极，因此可以把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的正负极，而锂离子在摇椅的两端来回奔跑，所以锂离子电池也叫锂离子摇椅电池(Rocking chair battery)。随着人类活动的增加和移动式电子产品的种类和数量的不断增长，对二次电池的需求将不断增加，因此开发新型可充电电池是是非常必要和重要的。

在最近的研究中我们首次发现了二价锌离子(Zn²⁺)在二氧化锰材料中可逆嵌入和脱出的行为，并伴随着Mn⁴⁺/Mn³⁺的可逆变价来储存和释放电子(电能)：

xZn²⁺+2xe^-+MnO₂＝Zn_xMnO₂                        (1)

这种锌离子的嵌入行为具有容量高、可逆性好和循环次数多等特点，在此研究的基础之上，我们以二氧化锰为正极，以锌为负极，以含锌离子的电解液组成一种全新的可充锌离子电池，在充电时锌离子脱出二氧化锰隧道经过电解液然后在负极沉积，放电时负极锌溶解为锌离子经过电解液嵌入到二氧化锰正极材料的隧道中，因此可以把这种锌离子电池也比喻为摇椅电池，摇椅的两端为电池的正负极，而锌离子在摇椅的两端来回奔跑[康飞宇徐成俊杜鸿达李宝华，一种可充电的锌离子电池，申请号：200910106650.3]。

这种锌离子电池储存电子的机理如下：

正极：δZn²⁺+2δe+MnO₂＝Zn_δMnO₂                    (2)

负极：Zn＝Zn²⁺+2e                                   (3)

由于利用到锌离子在正极材料的可逆脱嵌行为，因此这种可充锌离子的电池具有容量高，循环寿命长等特点。

最近的研究发现，用非金属元素掺杂的二氧化锰也能储存和释放中性水溶液中的锌离子，因此，本专利提出以非金属元素掺杂的二氧化锰为正极，锌或锌合金为负极，含锌离子的中性水溶液为电解液的一种可充锌离子电池。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能量密度高、功率密度高、循环寿命长的二次电池。

本发明提出一种可充电的锌离子电池，由正极、负极、介于两者之间的隔离膜以及含有阴阳离子并具有离子导电性的电解质组成，其特征在于：

所述负极采用以锌元素为主的活性材料，

正极活性材料为非金属掺杂二氧化锰材料，

所述电解质是以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态材料，pH值介于3～7之间。

本发明提出的可充电的锌离子电池，其特征在于：构成正极活性材料的非金属掺杂二氧化锰为MnO_2-xA_x，其中，A为F、Cl、S、N、P、Br或I元素，0＜x≤0.4。

本发明提出的可充电的锌离子电池，其特征在于：所述正极包括集流体和集流体上的用MnO_2-xA_x和粘结剂制成的膜状材料，其中，A为F、Cl、S、N、P、Br或I元素，0＜x≤0.4。

本发明提出的可充电的锌离子电池，其特征在于：所述负极是纯金属锌或锌的合金。

本发明提出的可充电的锌离子电池，其特征在于：所述负极包括集流体和集流体上的以锌粉末为主的活性材料，该活性材料是用锌粉和粘结剂制成的膜状材料。

本发明提出的可充电的锌离子电池，其特征在于：负极活性材料中还包括电子导电剂，电子导电剂的添加量为负极膜质量的50％以下。