[发明专利]一种准固态柔性Zn-MnO2

说明书

本发明提供了一种准固态柔性Zn‑MnO₂电池及制备方法，以含Zn²⁺的PVA水凝胶为电池隔膜和电解质的基体材料，利用柔性碳纤维布（CTs）作为电极的自支撑集流体和负载体，采用水热和电沉积相结合的方法制备α‑MnO₂@δ‑MnO₂/CTs纳米复合阵列材料正极，一步电沉积的方法获得Zn纳米片材料负极，再将两自支撑柔性电极组装成准固态的Zn‑MnO₂电池。本发明提出的Zn‑MnO₂电池具有能量密度高、柔性优良、安全性高、可快速充电和循环寿命好等优点，同时其制备工艺简单、成本低廉、环境友好等特点，可以很好地满足各种穿戴式设备对于电池的要求，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及能源储存领域，具体涉及一种准固态柔性Zn-MnO₂电池及制备方法。

背景技术

随着各种便携、可穿戴式电子设备的快速发展，新型柔性储能器件的开发也随之成为科学研究的热点，因此对具有高性能、耐弯折电池的研究是可穿戴电子产品发展的关键。近些年，锂离子电池是市场上占主导地位的储能设备，但其自身存在组装条件苛刻、有机电解液有毒、安全系数不足以及在极端条件下性能下降或功能受限等缺点，严重阻碍了其在可穿戴式电子产品中的应用。因此，考虑到经济效益、生态环境和安全应用等方面的问题及挑战，使得研究者们致力于大力开发和探索新型的储能体系，希望开发出物美价廉、性价比高的“绿色”电池。对此，高性能可充电水系电池的研发使得二次电池的研究迈向了另一个新的阶段，归因于其具有成本低廉、清洁环保和高安全性等特点，能够满足大规模储能系统的要求，逐渐成为近些年电化学储能领域研究的一个热点。

在各种水系储能器件中，由于锌资源丰富且价格低廉，同时新型可充电的锌离子电池利用偏中性的锌盐作为电解液，不仅制作简单、成本更低，而且安全无毒比容量较高，避免了传统锂基电池易燃易爆的风险，对柔性电子设备来说不失为一个更佳的选择，故人们对锌离子电池非常青睐。特别是Zn-MnO₂电池，因其具有成本低、安全无毒、环境友好、高电压和高能量密度等优点，可作为柔性能量存储装置的理想选择而备受关注。然而，目前研究报道的大部分Zn-MnO₂电池使用块状锌和粘结剂，导致电池的比容量仍然较低、容量衰减严重以及倍率性能较差，严重制约了Zn-MnO₂电池的商业化应用。因此，设计并开发一种具有高能量密度、高倍率、高稳定性的柔性Zn-MnO₂电池具有重要意义。

发明内容

本发明提出了一种准固态柔性Zn-MnO₂电池及制备方法，该电池能量密度高且耐弯折，可充电，制备工艺简单、成本低廉、环境友好等特点，可以很好地解决传统电池装配过程环境要求严格、工艺成本高、程序复杂等缺点，具有广泛的应用前景。

实现本发明的技术方案是：

一种能量密度高且耐弯折的可充电高性能准固态Zn-MnO₂电池，所述准固态Zn-MnO₂电池以含Zn²⁺的PVA水凝胶为电池隔膜和电解质的基体材料，利用柔性碳纤维布作为电极的自支撑集流体和负载体，采用水热和电沉积相结合的方法成功实现了一种高比表面积、高容量的α-MnO₂/δ-MnO₂纳米复合阵列材料正极，同时通过一步电沉积的方法在CTs上直接生长负载量随时间可控的Zn纳米片材料作为负极，再将两自支撑柔性电极组装成准固态的Zn-MnO₂电池仍具有很好的柔韧性，可在不同的应力状态下保持电化学性能的稳定。

正极的具体制备步骤如下：