[发明专利]一种长寿命锰基水系混合锌离子电容器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种长寿命锰基水系混合锌离子电容器及其制备方法，属于电化学储能器件技术领域。本发明的电容器，包括锰基正极、电解液、锌片负极、设置于正负极之间的隔膜及壳体，其中：所述锰基正极为Mn₃O₄/C纳米片阵列复合结构；所述电解液由可溶性锌盐、可溶性钠盐与去离子水组成；所述Mn₃O₄/C纳米片阵列复合结构是以碳布为基体，利用电沉积方法将Mn₃O₄纳米片阵列均匀沉积在碳布上得到的。本发明制备的电容器工作在0～1.8V电压范围内能够提供200mAh/g的比容量，且本发明的锰基水系混合锌离子电容器显示出优异的循环稳定性，在1500次循环中具有81％的容量保持率，同时成本低廉，制备工艺简单。

技术领域

本发明属于电化学储能器件技术领域，具体涉及一种长寿命锰基水系混合锌离子电容器及其制备方法。

背景技术

众所周知，储能是人类社会面临的一个重要问题。近年来，电动汽车和便携式电子产品发展迅速，高能量密度、大功率输出、使用寿命长、安全性高的储能装置成为人们的迫切需求。目前现有的储能装置包括电池(如锂离子电池、碱性锌锰氧化物电池)、超级电容器等，然而锂离子电池的安全风险和锂资源受限、碱性锌锰氧化物电池的循环稳定性差等问题，促使研究人员寻找廉价的离子电池的替代能源储存系统。值得注意的是，锌金属电极具有823mah·g^-1(Zn/Zn²⁺)的大容量和-0.76v(V.S.标准氢电极)的低氧化还原电位，具有高度的安全性、低成本和绿色环保的突出优势，使得水系锌离子电池成为最具潜力的储能器件之一。但是，锌离子电池存在功率密度差的问题，基于锂离子电容器的高能量密度和高功率密度的优势，又避免锂资源受限的问题，设计一种高能量密度和高功率密度的水系锌离子混合电容器具有重要的应用价值。

锰基氧化物由于其较高的能量密度而被用作水系锌离子电池成为最具应用前景的正极材料，但而其结构的不稳定性导致循环稳定性差。比如在充放电过程中阴极的溶解、不可逆的晶格畸变以及静电相互作用使得电池容量衰减严重、循环稳定性差，这些都严重制约了锌离子电池的发展和推广，目前并没有得到有效解决。

基于上述理由，提出本申请。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题或缺陷，本发明的目的在于提供一种长寿命锰基水系混合锌离子电容器及其制备方法。本发明通过使用无毒的改性后的锰基正极材料、水系Na⁺和Zn²⁺混合离子电解液及锌片负极，保证了电容器高性能和高安全性。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种长寿命锰基水系混合锌离子电容器，包括锰基正极、电解液、锌片负极、设置于正负极之间的隔膜及壳体，其中：所述锰基正极为四氧化三锰/碳(Mn₃O₄/C)纳米片阵列复合结构；所述电解液由可溶性锌盐、可溶性钠盐与去离子水组成。

进一步地，上述技术方案，所述可溶性锌盐为硫酸锌、硝酸锌、氯化锌等中的任一种。较优选地，所述可溶性锌盐为硫酸锌。

进一步地，上述技术方案，所述可溶性钠盐为硫酸钠、硝酸钠、氯化钠等中的任一种。较优选地，所述可溶性钠盐为硫酸钠。

进一步地，上述技术方案，所述Mn₃O₄/C纳米片阵列复合结构，是以碳布(CC)作为基体，利用电沉积方法将四氧化三锰(Mn₃O₄)纳米片阵列均匀沉积在碳布上得到的。这其中Mn₃O₄二维的纳米片阵列可缩短离子扩散途径并促进离子快速转移，因为这样的阵列形貌对锌离子电池中离子嵌入/脱出的过程十分有利的。碳布良好的导电率在保证活性物质均匀沉积的同时还可以为电解液与阴极材料表面有效接触提高可观的表面积。