[发明专利]一种水系锌离子电池及化成方法

说明书

本发明涉及一种水系锌离子电池，包括正极、负极和电解液，所述负极包括含锌材料，所述电解液包括导电盐和水，所述导电盐包括锌盐，所述正极包括含锰氧化物；所述含锰氧化物由锰元素和氧元素组成；所述锰元素的价态低于+4价；所述水系锌离子电池在使用前需要经过化成步骤；所述化成步骤包含充电和放电；所述锰氧化物经过所述化成步骤后，由初始形貌逐渐转变为第二形貌；所述第二形貌为片状或微晶片状聚集体。通过调节电解液环境和正极材料，能够改善正极材料与电解液的接触界面、调控正极材料转变的形貌，促进其转变为贯通电极内部空间的纳米片聚集体，使得正极材料与电解液接触面积更大、电子的迁移路径更短，可综合提高电池的放电容量。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种水系锌离子电池及化成方法。

背景技术

二次电池是目前应用非常广泛的一类能够反复充放电的电池，其应用涉及到众多领域，其中，以锂离子电池应用最为广泛。但是，由于使用有机电解液带来的成本高、环境不友好、不安全等缺点，使其不适合大规模能量储存系统。与非水系电池相比，使用安全、成本低的水系电解质的电池可以精确地满足这些要求。然而，自然界锂存储量有限，随着与锂相关工业的迅速发展，锂的耗竭迟早会到来；另外，受水溶液较窄的稳定电位窗口限制，使得水系锂离子电池能量密度都比较低，并且水系锂离子电池的负极材料稳定性较差，循环寿命较低。

而金属锌在地球资源中含量高，生产规模大，成本低廉、无毒性；另外锌金属阳极具有较高的理论容量(820mAh•g^-1)、较低的电化学电位(0.76V vs标准氢电极)和较高的天然丰度，而且由于析氢过电位的存在，锌在水中的稳定性很高。水系锌离子电池以高理论容量的金属锌作为负极、锌盐水溶液作为电解液，正极材料可以是锰氧化物、钒氧化物、类普鲁士蓝材料，其中锰氧化物具有原料储量丰富、无污染、比容量高等优点，实用性较强。

目前已公开多种低价态锰氧化物作为锌离子电池的正极材料，但是在实际使用过程中，这些材料的初始放电容量低，需要经过多次循环后才能达到其稳定的充放电性能；同时，现有的低价锰正极材料的电性能未能得到充分的发挥，实际放电容量不足理论容量（约300mAh/g）的一半，不能满足储能器件和小型电子器件对电池能量密度的要求，是制约此类水系锌锰电池进一步广泛应用的主要因素。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷提供了一种水系锌离子电池及化成方法，其采用低价态含锰氧化物（锰元素价态低于+4）作为正极材料，通过调节电解液环境和充放电参数改善其电性能，使正极材料在充放电循环过程中，能够改善正极材料与电解液的接触界面；调控正极材料转变的形貌，促进其转变为贯通电极内部空间的纳米片聚集体，降低了锰离子的溶解，使得正极材料与电解液接触面积更大、电子的迁移路径更短，表现出更好的电化学性能，可综合提高电池的放电容量；通过采用特定的化成方式、正极材料和电解液添加剂，提高低价锰正极的转化速率，使得电池循环时达到稳定阶段所需的循环次数明显减少，比容量较对比例有明显提升。

可选地，所述锰元素价态低于+4是指：所述锰元素价态可以为+1价、+2价、+3价或其他低于+4价的任意一个数值。

根据本申请的一方面，提供了一种水系锌离子电池，包括正极、负极和电解液，所述负极包括含锌材料；所述电解液包括导电盐和水，所述导电盐包括锌盐，所述正极包括含锰氧化物；所述含锰氧化物由锰元素和氧元素组成；所述锰元素的价态低于+4价；所述水系锌离子电池在使用前需要经过化成步骤；所述化成步骤包含充电和放电；所述充电电压区间为0~2.1V，包括三个阶段；第一阶段为：充电电压不高于1.8V时，采用恒流充电，倍率电流不高于0.2C；第二阶段为：充电电压为不低于1.8V，采用恒流充电，倍率电流不高于0.1C；第三阶段为，采用恒压充电，充电电压为1.9~2.1V，截止电流值为0.02C~0.1C；所述化成步骤中，所述电解液还包括化成促进剂；所述锰氧化物经过所述化成步骤后，由初始形貌逐渐转变为第二形貌；所述第二形貌为片状或微晶片状聚集体。