CN114220939A - 一种二次水系锌离子电池正极的制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种二次水系锌离子电池正极的制备方法与应用，具体包括以下步骤：S1、配制锰盐水溶液作为电解液A，将配置好的电解液A加入电解池中；S2、将集流体夹在工作电极上，铂丝电极作为参比电极，利用电化学工作站进行电沉积；S3、将沉积结束后的集流体取出，依次用纯水和乙醇冲洗3‑5遍，自然晾干后裁剪成适合电池正极的尺寸即可。本发明提出利用电沉积法一步合成二氧化锰，使其在作为水系锌锰电池正极时具有高效表现，特别地，通过电沉积得到的二氧化锰直接紧密附着在集流体表面，而无需通过添加粘结剂来实现。

Description

一种二次水系锌离子电池正极的制备方法与应用
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体的是一种二次水系锌离子电池正极的制备方法与应用。
背景技术
二次电池作为电化学储存能量的一种装置，因其可以反复充放电，能量密度高，无记忆效应等优点，故在实际生活中，更加经济实用。与有机离子二次电池相比，水系离子电池的电解液因为采用水作为溶剂，不仅可以避免严格的电池组装条件，便于降低生产成本；而且离子电导率高于有机电解液2个数量级，有利于实现电池的快速充放。此外，它还更为绿色和安全。因此，水系离子电池具有低成本，高安全性，环境友好以及离子迁移率高等优势。
相较于传统的锂电池，二次水系锌离子电池不仅成本低、环境友好而且制备过程更加简单方便。二氧化锰材料因其具有较高理论比容量，资源丰富价廉易得，且具有多种晶型结构而成为二次水系锌离子电池正极材料的研究热点。然而二氧化锰通常采用水热法、共沉淀法、氧化还原法等方法来制备。这些方法不仅过程复杂，而且通常制备的二氧化锰还需要经过球磨、涂片等工艺才能使用，在过程中往往还需要添加粘结剂，这极大的破坏了水系锌离子电池环境友好的特点。
发明内容
本发明的目的是针对现在二次水系锌锰电池正极二氧化锰在制备时过程的繁琐，而提出利用电沉积法一步合成二氧化锰，使其在作为水系锌锰电池正极时具有高效表现，特别地，通过电沉积得到的二氧化锰直接紧密附着在集流体表面，而无需通过添加粘结剂来实现。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种二次水系锌离子电池正极的制备方法，二次水系锌离子电池正极通过一步电沉积法直接制备，具体包括以下步骤：
S1、配制锰盐水溶液作为电解液A，将配置好的电解液A加入电解池中；
S2、将集流体夹在工作电极上，铂丝电极作为参比电极，利用电化学工作站进行电沉积；
S3、将沉积结束后的集流体取出，依次用纯水和乙醇冲洗3-5遍，自然晾干后裁剪成适合电极正极的尺寸即可。
进一步优选地，步骤S1中配制的电解液A中Mn2+浓度为0.1-1.5mol/L，锰盐包括硫酸锰、乙酸锰和氯化锰。
进一步优选地，集流体为碳纸或铝箔。
进一步优选地，沉积的电流密度为0.1-0.5mA/cm2，沉积时间10-60min。
一种二次水系锌离子电池正极的应用，将权利要求上述方法制备的二次水系锌离子电池正极与金属负极和电解液B组装成二次水系锌离子电池。
进一步优选地，金属负极包括锌、镁和铝金属。
进一步优选地，电解液B中锰盐含量为0.1-0.8mol/L，锌盐含量为0.1-2mol/L。
本发明的有益效果：
本发明通过一步电沉积法直接制备二氧化锰，可直接作为二次水系锌离子电池的正极，相较于传统材料制备方法，本发明更加简便高效，可操作性强，大大降低成本，具有极高应用价值。本发明所述方法直接在碳纸上沉积二氧化锰，剪切后可直接用于二次水系锌锰电池正极，无需添加任何粘结剂，具有环境友好的突出优势，且电极具有优异的电化学性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明实施例1中二次水系锌离子电池在0.5mA cm-2电流密度下前500圈的放电曲线；
图2是本发明实施例2制备的二次水系锌锰电池在0.5mA cm-2电流密度下前500圈的放电曲线；
图3是本发明实施例3制备的二次水系锌锰电池在50mAg-1电流密度下前500圈的放电曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
配置50mL 0.3mol L-1的硫酸锰溶液。将配置好的溶液放入电解池中，将碳纸裁剪为2×3cm的长方形小块夹在工作电极上，铂丝电极为参比电极。利用电化学工作站进行电沉积，沉积的电流密度为0.3mA cm-2，沉积时间45min。沉积结束后将碳纸取出，用超纯水冲洗3遍后再用乙醇冲洗2遍，随后将其自然晾干。将晾干的碳纸裁剪成适合电池正极的尺寸，随后组装二次水系锌离子电池。除正极外负极为金属锌，电解液为2mol L-1硫酸锰加上0.1mol L-1硫酸锰。经过测试，在0.5mA cm-2的电流密度下，0.3mol L-1硫酸锰沉积得到的二氧化锰组装的二次水系锌离子电池具有0.35mAh cm-2的面积比容量(图1)。
实施例2
配置50mL 1.3mol L-1的硫酸锰溶液。将配置好的溶液放入电解池中，将碳纸裁剪为3×3cm的长方形小块夹在工作电极上，铂丝电极为参比电极。利用电化学工作站进行电沉积，沉积的电流密度为0.5mA cm-2，沉积时间50min。沉积结束后将碳纸取出，用超纯水冲洗3遍后再用乙醇冲洗1遍，随后将其自然晾干。将晾干的碳纸裁剪成适合电池正极的尺寸，随后组装二次水系锌离子电池。除正极外负极为金属锌，电解液为0.5mol L-1硫酸锰加上0.5mol L-1硫酸锰。经过测试，在0.5mA cm-2的电流密度下，1.3mol L-1硫酸锰沉积得到的二氧化锰组装的二次水系锌离子电池具有0.075mAh cm-2的面积比容量(图2)，并且在循环500圈后仍然具有86％的库仑效率。
实施例3
配置50mL 0.5mol L-1的乙酸锰溶液。将配置好的溶液放入电解池中，将碳纸裁剪为2×3cm的长方形小块夹在工作电极上，铂丝电极为参比电极。利用电化学工作站进行电沉积，沉积的电流密度为0.3mA cm-2，沉积时间50min。沉积结束后将碳纸取出，用超纯水冲洗3遍后再用乙醇冲洗2遍，随后将其自然晾干。将晾干的碳纸裁剪成适合电池正极的尺寸，随后组装二次水系锌离子电池，除正极外负极为金属锌，电解液为0.8mol L-1硫酸锰加上1.2mol L-1硫酸锰。经过测试，在0.5mA cm-2的电流密度下，0.5mol L-1乙酸锰沉积得到的二氧化锰组装的二次水系锌离子电池具有140mAh g-1的质量比容量(图3)。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种二次水系锌离子电池正极的制备方法，其特征在于，所述二次水系锌离子电池正极通过一步电沉积法直接制备，具体包括以下步骤：
S1、配制锰盐水溶液作为电解液A，将配置好的电解液A加入电解池中；
S2、将集流体夹在工作电极上，铂丝电极作为参比电极，利用电化学工作站进行电沉积；
S3、将沉积结束后的集流体取出，依次用纯水和乙醇冲洗3-5遍，自然晾干后裁剪成适合电池正极的尺寸即可。
2.根据权利要求1所述的二次水系锌离子电池正极的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中配制的电解液A中Mn2+浓度为0.1-1.5mol/L，所述锰盐包括硫酸锰、乙酸锰和氯化锰。
3.根据权利要求1所述的二次水系锌离子电池正极的制备方法，其特征在于，所述集流体为碳纸或铝箔。
4.根据权利要求1所述的二次水系锌离子电池正极的制备方法，其特征在于，所述沉积的电流密度为0.1-0.5mA/cm2，沉积时间10-60min。
5.一种二次水系锌离子电池正极的应用，其特征在于，将权利要求1-4任一项所述方法制备的二次水系锌离子电池正极与金属负极和电解液B组装成二次水系锌离子电池。
6.根据权利要求5所述的二次水系锌离子电池正极的应用，其特征在于，所述金属负极包括锌、镁和铝金属。
7.根据权利要求5所述的二次水系锌离子电池正极的应用，其特征在于，所述电解液B中锰盐含量为0.1-0.8mol/L，锌盐含量为0.1-2mol/L。
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