可充电的锌离子电池制造技术

本发明专利技术公开了一种可充电的锌离子电池，其正极活性材料采用金属元素掺杂的二氧化锰材料，负极为以锌元素为主的材料，电解质为锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态电解质。其利用锌离子（Ｚｎ２＋）在正极材料晶格中的可逆插入或脱出，同时以锌元素为主的负极材料进行氧化或锌离子（Ｚｎ２＋）在负极表面还原的储能机理，该电池具有容量高、可快速充电和循环寿命好等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属电池
，具体涉及一种锌离子在正极活性材料脱嵌和在负极还 原或氧化的可充电的锌离子电池。
技术介绍
随着经济的不断发展，必然引起石油资源的匮乏和环境的污染，因此新型绿色 能源的综合高效的开发和利用已成为十分必要的课题。相比较一次电池，二次电池能 重复多次进行充放电循环，能充分利用原材料，故其更经济实用。最有名的可充电电池 (二次电池)是锂离子电池。锂离子电池是利用Li+离子作为储能介质来储存电能，其利 用Li+离子可嵌入或脱出的正极和负极材料，在充电时锂离子从正极材料脱出经过电解液 然后嵌入到负极(一般为石墨)的层间；当放电时，嵌入到石墨负极的锂离子从负极脱出 通过电解液又运动到正极，因此可以把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端 为电池的正负极，而锂离子在摇椅的两端来回奔跑，所以锂离子电池也叫锂离子摇椅电 池(Rocking chair battery)。随着人类活动的增加和移动式电子产品的种类和数量的不断增 长，对二次电池的需求将不断增加，因此开发新型可充电电池是是非常必要和重要的。在最近的研究中我们首次发现了二价锌离子(Zn2+)在二氧化锰材料中可逆嵌入 和脱出的行为，并伴随着Mn4VMn3+的可逆变价来储存和释放电子(电能)xZn2++2xe>Mn02 = ZnxMnO2 (1)这种锌离子的嵌入行为具有容量高、可逆性好和循环次数多等特点，在此研 究的基础之上，我们以二氧化锰为正极，以锌为负极，以含锌离子的电解液组成一种 全新的可充锌离子电池，在充电时锌离子脱出二氧化锰隧道经过电解液然后在负极沉 积，放电时负极锌溶解为锌离子经过电解液嵌入到二氧化锰正极材料的隧道中，因此可 以把这种锌离子电池也比喻为摇椅电池，摇椅的两端为电池的正负极，而锌离子在摇 椅的两端来回奔跑[康飞宇徐成俊杜鸿达李宝华，一种可充电的锌离子电池，申请号 200910106650.3]。这种锌离子电池储存电子的机理如下正极δΖη++2 δ e+Mn02 = Zn5MnO2 (2)负极Zn= Zn++2e(3)由于利用到锌离子在正极材料的可逆脱嵌行为，因此这种可充锌离子的电池具 有容量高，循环寿命长等特点。最近研究发现，用金属元素掺杂的二氧化锰也能储存和释放中性水溶液中的锌 离子，因此，本专利提出以金属元素掺杂的二氧化锰为正极，锌或锌合金为负极，含锌 离子的中性水溶液为电解液的一种可充锌离子电池。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种能量密度高、功率密度高、循环寿命长的二次电池。本专利技术提出一种可充电的锌离子电池，由正极、负极、介于两者之间的隔离膜 以及 含有阴阳离子并具有离子导电性的电解质组成，其特征在于所述负极采用以锌元素为主的活性材料，正极活性材料为金属元素掺杂的二氧化锰材料，所述电解质是以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝 胶态材料，pH值介于3 7之间。本专利技术提出的可充电的锌离子电池，其特征在于构成正极活性材料的金属元 素掺杂的二氧化锰材料为AxMivxO2,其中，掺杂元素A为Cu、Fe、Ni、Al、Mg、Ca、 Ba、Ti、V、Co、Zn、Pb、Bi 或 Nb 元素，O < x《0.3。本专利技术提出的可充电的锌离子电池，其特征在于所述正极包括集流体和集流 体上的用AxMivxO2粉末和粘结剂制成的膜状材料，其中，A为Cu、Fe、Ni、Al、Mg、 Ca、Ba、Ti、V、Co、Zn、Pb、Bi 或 Nb 元素，O < x《0.3。本专利技术提出的可充电的锌离子电池，其特征在于所述负极是纯金属锌或锌的I=I 巫 ο本专利技术提出的可充电的锌离子电池，其特征在于所述负极包括集流体和集流 体上的以锌粉末为主的活性材料，该活性材料是用锌粉和粘结剂制成的膜状材料。本专利技术提出的可充电的锌离子电池，其特征在于负极活性材料中还包括电子 导电剂，电子导电剂的添加量为负极膜质量的50%以下。本专利技术提出的可充电的锌离子电池，其特征在于所述锌的可溶性盐为硝酸 锌、硫酸锌或氯化锌。本专利技术提出的一种可充电的锌离子电池，其特征在于所述的负极材料可以为 含有并以锌粉末为主的膜状或膏状材料。本专利技术提出的一种可充电的锌离子电池，其特征在于所述的负极材料以锌粉 末为主的膜状材料中含有电子导电剂、粘结剂、氧化锌粉(ZnO)或具有特定功能的添加 齐U，其中电子导电剂为石墨、碳黑、乙炔黑、炭纤维(或纳米碳纤维)或炭纳米管，添加 量为负极膜质量的50%以下；粘结剂为聚四氟乙烯、水溶性橡胶、聚偏四氟乙烯或纤维 素，添加量为负极膜质量的20%以下；氧化锌的添加量为负极膜质量的50%以下。本专利技术提出的一种可充电的锌离子电池，其特征在于所述的负极材料以锌粉 末为主的膏状材料中还含有电解液、增稠剂、氧化锌粉和具有特定功能的添加剂。电解 液主要为含锌离子(Zn2+)的水溶液，其添加量为负极质量的40%以下；增稠剂主要为酯 类或羧酸类等，如聚丙烯酸、聚丙烯酸钠等，其添加量为负极质量的10%以下，氧化锌 的添加量为负极膜质量的50%以下。本专利技术提出的一种可充电的锌离子电池，其特征在于所述的负极中含有的具 有特定功能的添加剂为抑止或消除锌元素析氢反应的缓蚀剂，可为铟的氧化物或氢氧化 物、金属铜等，其添加量为负极膜质量的以下。本专利技术提出的一种可充电的锌离子电池，其特征在于所述的正极中除了活性 物质外还含有电子导电剂、粘结剂等，其中电子导电剂为石墨、碳黑、乙炔黑、炭纤维 或炭纳米管，添加量为正极膜质量的50%以下；粘结剂为聚四氟乙烯、水溶性橡胶、聚偏四氟乙烯或纤维素，添加量为正极膜质量的20%以下。本专利技术提出的一种可充电的锌离子电池，其特征在于所述的电池结构可为扣 式、圆柱式或方型结构。本专利技术可充电电池利用锌离子(Zn2+)在正极材料晶格中的可逆插入或脱出，同 时以锌元素为主的负极材料进行氧化或锌离子(Zn2+)在负极表面还原的储能机理，而且 采用了特殊的电解质，该电池具有容量高和可快速充电的特点。其用金属掺杂二氧化锰材料(改变原二氧化锰材料的结构和电子结构特性)做 正极活性材料 ，可得到性能良好的可充锌离子电池，实验制得的可充锌离子电池在50mA以正极活性物质质量计算)恒电流下首次放电容量可达170mAh/g，而且经过十次循 环后，容量仍然保持在150mAh/g，循环寿命好。可以预见这种可充电的锌离子电池可广 泛应用于个人数字记事本、Blectronic Organizers、移动电话、无绳电话、BP机、电动玩 具、游戏机、便携式数据终端、个人音频视频装置、实验装置、掌上计算机等领域。附图说明图1为实施例1中以Nia2Mna8O2为正极的锌离子电池在Ο.ΙΑ/g恒电流下第31到 41次循环的充放电曲线。具体实施例方式实施例1 将NiQ.2MnQ.802、导电剂乙炔黑和粘结剂聚四氟乙烯以7 2 1的质量比混合后 涂覆于不锈钢箔上，剪裁成一定大小，于真空中烘干为正极电极片，以锌箔(0.1mm厚) 为负极，电解液为pH值为4.2的Imol L-1ZnSO4水溶液组装成扣式电池。这种锌离子电 池在50mA g-1 (以正极活性物质质量计算)恒电流下首次放电容量为170mAh/g。经过十 次循环后，容量仍然保持在150mAh/g。可见本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可充电的锌离子电池，由正极、负极、介于两者之间的隔离膜以及含有阴阳离子并具有离子导电性的电解质组成，其特征在于：所述负极采用以锌元素为主的活性材料，正极活性材料为金属元素掺杂的二氧化锰材料，所述电解质是以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态材料，ｐＨ值介于３～７之间。

【技术特征摘要】
CN 2009-9-8 200910190010.5;CN 2009-9-8 200910190011.一种可充电的锌离子电池，由正极、负极、介于两者之间的隔离膜以及含有阴阳 离子并具有离子导电性的电解质组成，其特征在于所述负极采用以锌元素为主的活性材料，正极活性材料为金属元素掺杂的二氧化锰材料，所述电解质是以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态 材料，PH值介于3 7之间。2.根据权利要求1所述的可充电的锌离子电池，其特征在于构成正极活性材料的 金属元素掺杂的二氧化锰材料为AxMivxO2,其中，掺杂元素A为Cu、Fe、Ni、Al、 Mg、Ca、Ba、Ti、V、Co、Zn、Pb、Bi 或 Nb 元素，O < x《0.3。3.根据权利要求1所述的可充电的锌离子电池，其特征在于所述正极包括集流体 和集流体上的用入)；^/[111_)；02粉末和粘结剂制成的膜状材料，其中，A为Cu、Fe、Ni、Al、 Mg、Ca、Ba、Ti、V、Co、Zn、Pb、Bi 或 Nb 元素，O < x《0.3。4.根据权利要求1所述的可充电的锌离子电池，其特征在于所述正极包括集流体 和集流体上的正极膜，正极膜用AxMivxO2、电子导电剂和粘结剂制成，其中，A为Cu、 Fe、Ni、Al、Mg、...

【专利技术属性】
技术研发人员：康飞宇，徐成俊，杜鸿达，李宝华，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：94