[发明专利]电解型的MnO2

说明书

本公开提供了一种阳离子加速器优化的电解型MnO₂‑Zn水系电池，包括：正极，正极为MnO₂；负极，负极为Zn；电解液体系，电解液体系为含有金属阳离子的酸性溶液，其中，金属阳离子至少同时包括Mn²⁺、Zn²⁺；阳离子加速器，通过与金属阳离子Mn²⁺或Zn²⁺、水分子形成水合离子结构，调节金属阳离子Mn²⁺、Zn²⁺的溶剂化结构，促进金属阳离子Mn²⁺、Zn²⁺的沉积和溶解过程，提高电解型的MnO₂‑Zn水系电池的电化学性能。

技术领域

本公开涉及水系锌锰电池储能技术领域，尤其涉及一种电解型的 MnO₂-Zn水系电池。

背景技术

化石燃料的过度消耗和二氧化碳(CO₂)温室气体的过量排放引起了严重的能源危机和环境污染问题。合理地开发和利用新型清洁的可再生能源对人类持续性地发展尤为重要。而清洁能源如风能和太阳能等具有随机性和间接性而难以直接并入到电网，因此需要开发大规模储能技术实现电能的时移以满足用户端的随机性用电需求。作为代表性的锂离子电池虽然有着较高的能量密度及功率密度，被商业化应用几十年，但是，易燃有机电解液的使用限制了其在大规模储能应用中的发展。因此，开发高安全和低成本的水系电池具有重要的意义。

在众多的水系电池中，电解型MnO₂-Zn电池因其具有低成本、高输出电压、高安全性和环境友好等优势而备受关注，并有望应用于大规模储能领域。与传统的基于MnO₂正极单电子转移反应的水系锌锰电池不同，电解型MnO₂-Zn电池主要是基于正极(MnO₂/Mn²⁺)和负极(Zn/Zn²⁺)双电子转移的固/液相反应。电解型MnO₂-Zn电池的优势主要体现在：可逆的MnO₂/Mn²⁺正极沉积/溶解反应具有1.23V vs SHE的适当的氧化还原电位和616mAh g^-1的高的理论比容量，同时，可逆的Zn/Zn²⁺负极沉积/溶解反应具有-0.76V vs SHE的低的氧化还原电位和820mAh g^-1的高的理论比容量。将廉价的MnO₂正极和Zn负极搭配起来有望组装出低成本和高能量密度理想型水系电池。

然而，MnO₂-Zn电池的发展仍然受到一些问题的阻碍，如能量密度低、电极反应可逆性差、固态电荷储存反应慢、电化学极化引起的过电势大、离子嵌入以及相变过程引起的电压曲线的倾斜等等。特别是正极(MnO₂/Mn²⁺)缓慢的反应动力学导致MnO₂-Zn电池在高倍率下获得较低的能量效率(50％)。尤其在较大的沉积容量下，缓慢的沉积/溶解反应往往会导致正极和负极的非活性材料的逐渐累积，形成“死的MnO₂”和“死的Zn”，从而显著损害了MnO₂-Zn电池的循环寿命。

为了增强MnO₂-Zn电池的反应动力学，各种应用在电池正极的方法已经被探索，包括制备多孔结构的材料，构建离子与电子导电框架，嵌入导电聚苯胺和磷酸根离子，引入赝电容，调控氧空位或氮掺杂等。各种应对Zn负极问题的策略也已经被研究，如开发新型三维电极、表面涂层技术、盐包水电解液、电解液添加剂等。然而，通过单方面改善MnO₂/Mn²⁺正极的沉积/溶解化学或单方面改善Zn/Zn²⁺负极的电镀/剥离反应，不能充分的发挥出MnO₂-Zn电池的全部的电化学性能。因此，本公开设计了一种阳离子加速器的方案来同时促进正极和负极的反应动力学以及充分的提升了电解型MnO₂-Zn电池的整体性能。

发明内容