[发明专利]锌锰氧正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锌锰氧正极材料及其制备方法和应用，该正极材料包括：核心，所述核心为锌锰氧颗粒；壳体，所述壳体包覆在所述核心的外表面，所述核心与所述壳体通过非共价键连接，所述壳体为导电聚合物。该锌锰氧正极材料的循环稳定性高，包含该锌锰氧正极材料的电池的容量衰减速率低。

技术领域

本发明涉及能源材料领域，具体地，本发明涉及锌锰氧正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锌资源丰富、成本低、容量高且对环境友好，被认为是新型能源装置最具前景的负极材料之一。因此，水系锌离子电池(ZIB，锌为负极)已被认为是下一代能源存储技术中非常有前景的替代品。而高性能正极材料的开发成为锌离子电池发展的关键。然而，目前对ZIB正极材料的研究仍然处在初级阶段，颇具挑战。其中，锰基材料由于低成本、资源丰富、且对环境友好而受到了大量关注并被广泛研究探讨，但目前对该类材料的研究主要集中于四价锰基材料，而对其他价态的锰基材料鲜少报导。此外，其本身的差导电性及在充放电过程中的较大体积变化导致的倍率性能差和循环寿命短，阻碍了其进一步发展。

锌锰氧(ZnMn₂O₄)是一种尖晶石结构的复合氧化物，是一种广泛应用的磁性材料，常用作燃料电池材料。然而，将纯的锌锰氧材料作为水系锌离子电池的正极材料时，锰离子溶出明显，电池容量衰减严重。

因此，锌锰氧正极材料还需进一步研究开发。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出了一种锌锰氧正极材料及其制备方法和应用，旨在以原位聚合反应制备分子水平结合的聚合物包覆材料来抑制锌锰氧二次电池的容量衰减和锰离子溶出等问题。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种锌锰氧正极材料。根据本发明的实施例，所述锌锰氧正极材料包括：核心，所述核心为锌锰氧颗粒；壳体，所述壳体包覆在所述核心的外表面，所述核心与所述壳体通过非共价键连接，所述壳体为导电聚合物。其中，非共价键可以为氢键、范德华力等。发明人通过使用有机单体从分子水平原位包覆在锌锰氧颗粒表面，从而达到阻止锌锰氧颗粒与电解液直接接触的目的，进而减轻了锌锰氧正极材料的溶解问题。发明人发现，相比于其他活性材料，将导电聚合物包覆在锌锰氧颗粒表面时，根据本发明实施例的锌锰氧正极材料的循环稳定性显著提高，而且包含根据本发明实施例的锌锰氧正极材料的电池的容量衰减速率显著降低。

根据本发明的实施例，上述锌锰氧正极材料还可进一步包括如下附加技术特征至少之一：

根据本发明的实施例，所述核心与所述壳体的质量比为(2～20):1，如为2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.1:1、9.15:1、9.17:1、9.2:1、9.3:1、9.4:1、9.5:1、10:1、12:1、14:1、16:1、18:1或20:1。发明人发现，若所述核心的质量过大或过小，不仅所述锌锰氧正极材料的循环稳定性显著下降，而且包含所述锌锰氧正极材料的电池的容量衰减速率显著提高。由此，所述核心与所述壳体的质量比在所述范围时，根据本发明实施例的锌锰氧正极材料的循环稳定性更高，包含所述锌锰氧正极材料的电池的容量衰减速率更低。

根据本发明的实施例，所述锌锰氧颗粒的粒径为20～300nm，如为20、50、100、150、200、250或300nm。由此，根据本发明实施例的锌锰氧正极材料的循环稳定性更高，包含所述锌锰氧正极材料的电池的容量衰减速率更低。