[发明专利]一种水系锌离子电池正极材料及相匹配电解液

说明书

一种水系锌离子电池正极材料及相匹配电解液。正极材料化学式为R_xK_yMn_1‑xO_2‑z，其中0≤x≤0.1，0≤y≤0.5，0＜z＜0.1，R为金属阳离子，制备过程包括：将高锰酸钾、四水乙酸锰和金属盐研磨混合均匀后置于管式炉中在保护气氛下热处理，所得产物用去离子水洗涤、抽滤数次，然后经烘箱干燥，即可得到R_xK_yMn_1‑xO_2‑z正极材料。本发明通过一步热处理将K⁺成功预嵌入二氧化锰晶体的隧道结构中，并将金属阳离子掺杂入二氧化锰晶体中，同时在其表面引入氧空位，改善了二氧化锰的结构稳定性、增加了活性位点并提高了导电性。本发明生产成本低，工艺简单，反应条件温和，易规模化制备。正极材料有高比容量、高倍率性能和优异的循环稳定性；匹配兼容的水系电解液进一步提高了正极材料的长循环寿命。

技术领域

本发明属于水系锌离子电池技术领域，具体涉及一种水系锌离子电池正极材料及相匹配电解液。

背景技术

随着经济的不断发展与科技的不断进步，能源的需求逐渐增大。传统化石能源如煤、石油、天然气等的开发利用存在三个突出的问题：资源枯竭、气候变暖与环境污染。发展太阳能、风能与潮汐能等可再生能源，是解决不可再生能源所面临的突出问题与保障人类可持续发展的必然趋势。在目前的能源储存器件中，锂离子电池由于成本上涨且安全性问题突出而不适应大规模电网储能的发展需求。因此，越来越多的学者致力于开发新型的绿色、安全、成本低和性能高的水系电池以替代现有的锂离子电池。

可充电水系锌离子电池是近年来兴起的一种新型二次电池，电解液采用水溶液，具有高的离子传导率，安全不易燃，且具有高能量密度、高功率密度、电池材料无毒、价格低廉、制备工艺简单等特点，在电网储能和可穿戴设备具有巨大潜力。目前，水系锌离子电池的正极材料主要以锰氧化物和钒氧化物为主，其中，锰氧化物因成本低、环保、能量密度高等优势最具应用前景，而锰氧化物中二氧化锰则被认为是最有应用价值的正极材料，但依然存在比容量低，倍率性能差、循环寿命短的问题，这与材料的结构稳定性和电解液匹配性密切相关。引入K⁺到二氧化锰的隧道结构中能够增强结构其稳定性，但K⁺通常需要在高温高压的水热反应条件下实现，难以规模化制备；其次，循环过程中如何保持K⁺不从隧道中脱出也是亟需解决的问题。此外，在二氧化锰中引入氧空位和金属阳离子掺杂，能够增加活性位点并提高导电性，提高比容量、倍率性能和循环稳定性；而现有研究多采用高温二次热处理或水热反应引入表面氧空位，这就增加了工艺的复杂性和成本。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种水系锌离子电池正极材料的制备方法及相匹配电解液。本发明通过一步低温热处理不仅实现了K⁺成功预嵌入二氧化锰晶体的隧道结构中，而且实现了金属阳离子掺杂，同时在其表面引入了氧空位；进一步匹配含有钾盐的水系电解液以抑制隧道中K⁺在循环过程中脱出，组装的水系锌离子电池表现出高比容量、高倍率性能和长循环寿命等优点。该正极材料制备方法简单易行，成本低，易于规模化生产。此外，匹配的水系电解液易于制备，成本低，安全环保。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：