[发明专利]一种水系锌离子电池正极材料

说明书

本发明公开了一种水系锌离子电池正极材料。该材料的制备方法为一步水热法，是将一定量的高锰酸钾加入去离子水中，在室温下搅拌得到深紫色溶液，之后将所得溶液转至高压釜中，并在溶液中加入三维基底材料，进行水热反应；水热反应冷却后，将三维基底材料多次洗涤，然后在烘箱中干燥，得到均匀的生长在三维基底材料上的纳米花球状四氧化三锰材料。所制备的材料是首次应用于制备水系锌离子电池正极材料，具有高比容量和良好的循环稳定性，且反应条件温和，工艺简单，适宜大规模生产。

技术领域

本发明属于高能水系锌离子电池材料技术领域，具体涉及一种新型水系锌离子电池正极材料。

背景技术

水系锌离子电池是近年来兴起的一种新型二次电池，其具有高能量密度、高功率密度，电池材料无毒，价格低廉，制备工艺简单，在大型储能领域具有很高的应用价值和发展前景。它更吸引人的是锌离子有二价电荷，使电池可以提供更高的存储容量，以及使用环保型水性电解质具有高离子电导率。

现在研究所使用的水系锌离子电池正极材料中，锰氧化物由于储量大、价格低、低毒性，锰元素价态多，被认为是最有潜力的正极材料。例如，各种多态MnO₂具有不同的反应机理。三氧化二锰也表现出优良的锌离子存储性能。然而，这些锰氧化物的离子导电率和电子导电率低，限制了其电化学性能。因此，迫切需要探索新的正极材料来促进二价锌离子的充放。正如例子中的，过去的研究集中在锰为一个单一价为基础锰氧化物的水系锌离子电池正极。有多价态Mn的ZnMn₂O₄尖晶石中锰的空位为Zn²⁺离子的扩散和迁移做出了贡献，这提供了一个可行的探索基于混合价锰氧化物作为锌离子电池正极方向。四氧化三锰(Mn²⁺O·Mn³⁺₂O₃)中有自然共存的Mn²⁺和Mn³⁺，由于容易形成缺陷其已被证实有金属空气电池(ORR)的高活性，而它也可能在水系锌离子电池上有好的应用前景。然而，现在并没有关于Mn₃O₄作为水系锌离子电池正极的研究，更谈不上构建可以大大提高电化学性能的无粘结剂Mn₃O₄阴极。本发明提供了一种简易的方法合成锌离子电池用三维基底材料负载纳米花球状四氧化三锰的正极材料，对促进锌离子电池的商业化具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种为水系锌离子电池正极材料。具体是结构稳定、比容量高、具有优越循环稳定性和高倍率性能的纳米花球状四氧化三锰负载生长在三维基底上的正极材料。其合成方法简单，成本低廉，可用于大规模工业化生产。

一种水系锌离子电池正极材料，所述的材料是由以下方法制备而成的：一定量的高锰酸钾加入去离子水中，在室温下搅拌得到深紫色溶液，之后将所得溶液转至高压反应釜中，并在溶液中加入三维基底材料，进行水热反应，水热反应冷却后，将三维基底材料取出洗涤，然后干燥即得。

本发明所述的三维基底包括不锈钢网，泡沫镍，碳纤维布或钛金属网。

本发明所述的高锰酸钾溶液浓度为0.01～0.1mol/L。

本发明所述溶液的体积为高压反应釜体积的50％～80％。

本发明反应完成后，所述的三维基底材料上四氧化三锰的负载量为0.3～0.4mgcm^-2。负载量太少，影响正极材料的性能，负载量太多一方面浪费，另一方面也不能使正极材料性能达到最佳。

本发明所述的水热反应的条件为：160℃～200℃下反应12～48h。

本发明所述的三维基底材料在50～70℃干燥8～14h，得到水系锌离子电池正极材料。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：