[发明专利]一种正极材料制备方法、水系锌离子电池正极和应用

说明书

本发明公开了一种正极材料制备方法、水系锌离子电池正极和应用，将可溶性掺杂金属盐溶解于水中搅拌均匀；同时与加入H₂O₂溶液的V₂O₅水溶液搅拌均匀，将搅拌好的液体进行保温处理，待冷却至室温后离心洗涤干燥；将干燥后的固体与导电剂和粘结剂混合成正极浆料，涂覆成极片并干燥，最后将高纯锌箔、3mol L^‑1的Zn(CF₃SO₃)₂或ZnSO₄水系电解液以及玻璃微纤维隔膜或者化学分析滤纸组装成水系锌离子电池。基于本发明制备的正极材料在电化学测试过程中表现出优良的稳定性和较高的可逆容量，具有着较大的应用潜力。

技术领域

本发明属于水系锌离子电池技术领域，具体涉及一种正极材料制备方法、水系锌离子电池正极和应用。

背景技术

在各种储能系统中，具有高能量密度和长循环寿命的锂离子电池主导着商用可充电电池市场，并且在便携式电子产品和电动汽车领域取得了巨大的成功。然而，由于大规模部署上受到锂资源有限、环境影响和易燃有机电解质引起的安全隐患的困扰，它们的发展受到极大阻碍。因此，一些元素储量丰富和成本低廉的水系金属离子电池引起了研究者们的兴趣，其中水系锌离子电池的研究热度近年来日益增长。与非水系电解质的毒性和易燃性相反，水系电解质可以是无毒和不可燃的，最大限度地减少对环境的负面影响和安全隐患。此外，水系电解质的离子电导率比有机电解质的离子电导率高几个数量级，有利于电池的高倍率性能和高功率密度。而金属锌的主要优势还包括高理论容量(820mAh/g)；相对较低的氧化还原电位(-0.76V vs.标准氢电极)，且在中性和弱酸性的溶液中具有较高的电化学稳定性。

目前锌离子电池的放电容量以及能量密度主要取决于正极材料。尽管锌离子的离子半径相对较小但是二价锌离子的高电荷密度引起的水分子共插入的屏蔽效应、大原子质量和离子与正极晶体结构之间的强静电相互作用导致离子传输动力学和扩散过程缓慢，极大影响了电池性能。因此，寻找具有优异电化学性能的合适正极是一项非常具有挑战性的任务。作为锌离子插入主体的正极材料的开发仍处于起步阶段。迄今为止，已经报道了四种主要类别，包括普鲁士蓝类似物(PBA)、锰氧化物、钒基化合物和有机物作为水系锌离子电池的正极。

上述体系中以五氧化二钒为代表的钒基化合物表现出高容量、高倍率能力，然而其不稳定的结构和较差的离子扩散动力学导致了较差的循环性能和倍率能力。如何通过对五氧化二钒改性获得高容量以及稳定的循环能力的正极材料成为研究者们广泛思考的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种正极材料制备方法、水系锌离子电池正极和应用，制备的双离子共掺杂五氧化二钒正极材料的比容量高，循环性能好，成本低廉且环境友好。

本发明采用以下技术方案：

一种正极材料制备方法，将V₂O₅粉末和可溶性掺杂金属盐混合后加入H₂O₂溶液并搅拌至反应结束，得到混合溶液；将混合溶液进行水热反应，待自然冷却至室温后收集产物，依次用去离子水和无水乙醇进行离心洗涤；将离心洗涤后的样品经真空干燥得到双离子共掺杂五氧化二钒正极材料。

具体的，可溶性掺杂金属盐包括两种，两种可溶性掺杂金属盐的摩尔比为1:(1～5)。

进一步的，两种可溶性掺杂金属盐与V₂O₅粉末的摩尔比为1:(8～12)。

具体的，可溶性掺杂金属盐为乙酸镍，乙酸锌，乙酸锰，乙酸镁，乙酸锂，乙酸钠，乙酸钙中的一种或几种。

具体的，混合溶液中V₂O₅的浓度为0.05～0.09mol/L。