[发明专利]一种水系锌离子电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种水系锌离子电池正极材料，包括：多价锰氧化物；包覆在所述多价锰氧化物表面的聚吡咯；所述聚吡咯的质量占所述水系锌离子电池正极材料的8％～15％。与现有技术相比，本发明提供的水系锌离子电池正极材料基于聚吡咯/多价锰氧化物纳米复合材料的特性，该复合材料中，导电聚合物聚吡咯不仅能增强多价锰氧化物的导电性，使得锰氧化物可以更好地发挥性能，从而提升电池的倍率性能；并且聚吡咯对于水系锌离子电池也有一定的容量贡献，从而提升电池的整体容量；用于锌离子电池能够实现良好的倍率性能及优异的电池性能。

技术领域

本发明涉及锌离子电池技术领域，更具体地说，是涉及一种水系锌离子电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源危机和气候问题引起了人们对电化学储能系统的极大兴趣。水性锌离子电池由于锌金属的其低廉的价格(2美元/kg)、丰富的地球资源(几乎是锂源的6倍)、安全性和820mAh·g^-1的高理论比容量，被认为是储能装置的良好选择。

有几种负极材料被用作锌的插层主体，如锰基材料、钒基材料、钴基材料和普鲁士蓝类似物。其中，锰基材料以其容量大、成本低、环境友好等优点，被广泛应用于Zn²⁺插入/萃取材料中。现有的锰基水性锌离子电池研究主要集中在具有隧道结构的4价Mn，包括α、β、γ、δ、λ和ε型的二氧化锰。近年来，其它锰的价态(2价和3价)，包括三氧化二锰、四氧化三猛、锰酸锌或同时含有2价锰和3价锰的锰基复合材料受到了许多研究者的关注。例如，Fu等人制备了金属有机骨架法合成N掺杂碳多孔多价锰氧化物(2价和4价)纳米棒作为水性锌离子电池的正极，水性锌离子电池在120次循环后仍能保持385mAh·g^-1的相对较高的比容量(Y.Fu,Q.Wei,G.Zhang,X.Wang,J.Zhang,Y.Hu and S.Sun,Adv.Energy Mater.,2018,8,1801445.)；Yang等人采用表面活性剂辅助溶剂热法制备了锰酸锌/三氧化二锰的复合材料，其作为正极时具有优良的倍率性能和良好的循环保持能力(S.Yang,M.Zhang,X.Wu,X.Wu,F.Zeng,Y.Li and X.Wu,J.Electroanal.Chem.,2019,832,69-74.)。

然而，锰基材料在循环过程中具有低的导电率和大的体积变化，这影响了它们在锌离子电池中的速率性能和循环稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水系锌离子电池正极材料及其制备方法和应用，本发明提供的水系锌离子电池正极材料基于聚吡咯/多价锰氧化物纳米复合材料的特性，用于锌离子电池能够实现良好的倍率性能及优异的电池性能。

本发明提供了一种水系锌离子电池正极材料，包括：

多价锰氧化物；

包覆在所述多价锰氧化物表面的聚吡咯；

所述聚吡咯的质量占所述水系锌离子电池正极材料的8％～15％。

优选的，所述多价锰氧化物中锰的价态为+3价和/或+4价。

本发明还提供了一种上述技术方案所述的水系锌离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

a)在高锰酸钾水溶液中加入吡咯单体的有机溶液，进行界面氧化还原反应，过滤后将沉淀物进行干燥，得到水系锌离子电池正极材料。

优选的，步骤a)中所述界面氧化还原反应的温度为0～5℃，时间为22h～26h。

优选的，步骤a)中所述干燥的温度为50℃～70℃，时间为5h～8h。

本发明还提供了一种水系锌离子电池，按照正极、水系隔膜、负极的顺序组装后，在水系隔膜中滴加锌盐和锰盐的混合溶液制备而成，所述正极为负载正极材料的碳布，所述正极材料为上述技术方案所述的水系锌离子电池正极材料。