[发明专利]一种水系锰离子电池及制备工艺

说明书

本申请实施例提供一种水系锰离子电池及制备工艺，涉及化学电池领域。水系锰离子电池包括正极、负极和电解液，正极为碳基导电基底，负极的活性材料为含羰基官能团的有机化合物或有机聚合物，电解液为含Mn²⁺的水溶液；在充电过程中，电解液中的Mn²⁺失去电子被氧化为MnO₂沉积于正极上，负极的活性材料中的羰基官能团得到电子生成烯醇负离子，并与电解液中的Mn²⁺结合成稳定的配合物。本申请实施例的水系锰离子电池以Mn²⁺为唯一载能离子，通过结合MnO₂的沉积/剥离反应和Mn²⁺的配合/解配合过程实现了较高的平均放电电压、优异的能量密度和循环稳定性。

技术领域

本申请涉及化学电池领域，具体而言，涉及一种水系锰离子电池及制备工艺。

背景技术

水系电池不仅具有比有机系电池更高的离子导电率，而且其对环境友好且成本低廉，更重要的是，由于水系电池杜绝使用可燃性有机电解质，大大提升了电池的安全使用系数，在规模化能量储存和可穿戴电子器件中展现出重要的应用前景。近年来，水系离子电池蓬勃发展，尤其是锌离子、铝离子、钙离子等高价金属离子水系电池的开发进一步提高了电池的能量储存密度，极大地拓展了水系电池的设计思路。

锰是地球上储藏量第二的过渡金属，其理论容量高，尤其二价锰离子(Mn²⁺)具有较宽的稳定电压窗口，因此设计以Mn²⁺为载能离子的新型水系锰离子电池具有重要的理论和应用价值。Mn²⁺/MnO₂的氧化还原过程具有1.23V的理论电位，且MnO₂沉积/剥离反应的可逆性和循环性远高于传统锰基正极材料的固相转化过程，因此受到了研究者们的广泛青睐。基于此，研究者们以MnO₂沉积/剥离过程为正极反应，构筑了包括MnO₂-Zn、MnO₂-Cu、MnO₂-H₂、MnO₂-PTO等在内的一系列水系离子电池。然而，受限于Mn²⁺较大的离子化半径和负极缓慢的Mn²⁺反应动力学，至今仍缺乏合适的负极活性材料与MnO₂的沉积/剥离反应相匹配，构筑以Mn²⁺为唯一载能离子的高效水系锰离子电池。

因此，开发优异的负极材料体系并设计新型的电池反应模型，对于促进水系锰离子电池的发展具有非常重要的现实意义。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种水系锰离子电池及制备工艺，其以Mn²⁺为唯一载能离子，利用有机分子晶体/有机聚合物开放式的孔道结构和高活性官能团，促进了Mn²⁺的扩散与反应动力学，通过结合MnO₂的沉积/剥离反应和Mn²⁺的配合/解配合过程，构建了具有较高的平均放电电压、优异的能量密度和循环稳定性的水系锰离子电池。

第一方面，本申请实施例提供了一种水系锰离子电池，其包括正极、负极和电解液，正极为碳基导电基底，负极的活性材料为含羰基官能团的有机化合物或有机聚合物，电解液为含Mn²⁺的水溶液；

在充电过程中，电解液中的Mn²⁺失去电子被氧化为MnO₂沉积于正极上，负极的活性材料中的羰基官能团得到电子生成烯醇负离子，并与电解液中的Mn²⁺结合成配合物；

在放电过程中，正极上的MnO₂得到电子还原为Mn²⁺溶解回电解液中，负极的活性材料中的烯醇负离子失去电子被氧化为含羰基的有机化合物或有机聚合物，同时释放Mn²⁺溶解回电解液中。