[发明专利]锌离子电池

说明书

本发明公开了一种锌离子电池，包括正极、负极和电解质，所述正极包括α‑MnO₂/碳纳米管复合材料，所述负极包括锌/碳纳米管泡沫复合材料，所述电解质包含可溶性锌盐和可溶性锰盐。本发明实施例提供的锌离子电池采用α‑MnO₂/碳纳米管复合材料作为正极、采用锌/碳纳米管泡沫复合材料作为负极，克服了传统锌负极在循环过程中枝晶生长问题，大大提高了电池的循环寿命和稳定性，且本发明实施例提供的锌离子电池在高倍率下能够保持较高的比容量，大大提高了电池的循环寿命，并且实现了在高倍率下的长循环。

技术领域

本发明涉及一种锌离子电池，特别涉及一种具有高倍率、长循环寿命的水系锌离子电池，属于纳米材料技术领域。

背景技术

能源与环境污染问题是现代社会发展中所面临的严峻问题，传统石油、煤炭等化石资源的枯竭以及严重的环境污染问题无不要求绿色、高效的新能源发展；在这其中，水性体系下的二次电池尤为受到人们的关注，尤其在近些年提出的水性锌离子电池。

锌离子电池是由传统碱式锌锰电池演变而来，其属于一次电池，无法反复使用，碱性电解质不易回收、腐蚀性极强，泄露污染环境；之后基于此体系发展出了二次碱性锌锰电池，但是循环寿命很短，且锌负极在碱性环境下形成的氢氧化锌极易分解成氧化锌，继而失活不再参与电化学反应，这种现象在锌-镍、锌-银、锌-空气电池中都存在，所以必须寻找新型电池制备方法去解决这种问题。

近些年以锂离子电池为代表的金属离子型电池的商业化应用极大的丰富了电池市场，于是人们把目光又放到了锌基电池，随着α-MnO₂的多价态转变理论的提出，基于中性水性溶液的锌离子电池体系得以实现，即在高浓度中性锌离子盐溶液中，锌离子在α-MnO₂隧道中的嵌入/脱出，同时在锌负极的溶解/沉积，这其中电子发生转移，构成了电池；其中性水性的特征改变了反应机理也就大大提高了循环寿命，且有着极高的能量密度，可达320Wh kg^-1，是超级电容器的数十倍。其次，使用的以硫酸锌为主的电解质为中性，锌金属本身也无毒，组装过程可以在空气中直接进行，不生产有毒污染物质，满足了绿色环保的要求，同时也解决的电解质泄露带来的污染问题；相比于锂离子电池的复杂封装过程也得到了大幅度简化，水性电解质相对于有机电解质安全性也有了大大提高；金属锌的在地球上的丰度远高于金属锂，成本也大幅度降低；此外，基于其嵌入/脱出理论，人们在α-MnO₂之外发展了γ-MnO₂、δ-MnO₂、钒系、金属铁氰化物等作为其正极；对于电解质，为了防止MnO₂再循环过程中的脱落，在其中添加了0.1M MnSO4大幅度提高了循环寿命(Pan H,Shao Y,Yan P,et al.Reversible aqueous zinc/manganese oxide energy storage from conversionreactions[J].Nature Energy,2016,1(5):16039.)；将硫酸根换成有机阳离子基团(CF₃SO₃)^2-提高了其循环稳定性(Zhang N,Cheng F,Liu J,et al.Rechargeable aqueouszinc-manganese dioxide batteries with high energy and power densities[J].Nature Communications,2017,8(1):405)，但是作为负极的锌电极在不断的溶解/沉积过程中极易形成枝晶，并且随着循环次数增加此后沉积的锌会选择性生长于枝晶处，最终导致刺穿隔膜短路或者剥落失活，大大降低循环寿命。