钾基双离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钾基双离子电池及其制备方法，涉及电化学储能器件领域。钾基双离子电池包括负极、正极、介于正负极之间的隔膜以及电解液；负极材料活性物质为能够可逆地吸附、脱附钾离子的多孔碳材料；正极材料活性物质为能够可逆地插嵌、脱嵌电解液中阴离子的石墨类碳材料；电解液包括钾盐和非水溶剂。本发明专利技术缓解了现有的锂离子电池锂资源储量有限、成本高的缺点，以及现有钾离子电池电极材料有限，电化学性能不理想的问题。本发明专利技术的双离子电池以钾作为储能介质，以可供钾离子吸附和脱附的多孔碳材料作为负极活性物质、以能够可逆插嵌、脱嵌的膨胀石墨作为正极活性物质，该钾基双离子电池具有高比容量、长循环寿命，且安全性能好。

【技术实现步骤摘要】
钾基双离子电池及其制备方法
本专利技术涉及电化学储能器件
，具体而言，涉及一种钾基双离子电池及其制备方法。
技术介绍
二次电池也称为可充电电池，是一种可重复充放电、使用多次的电池。相比于不可重复使用的一次电池，二次电池具有使用成本低、对环境污染小的优点。目前主要的二次电池技术有铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池、锂离子电池，其中尤其以锂离子电池应用最为广泛。随着锂离子电池逐渐应用于智能手机、电动汽车等领域，锂的需求量逐年快速增长，而其全球储量十分有限且分布不均，造成原材料价格上涨迅猛，严重制约了我国低成本、高性能储能器件的快速发展。钾元素具有和锂相似的物理化学性质，且其储量丰富、成本低廉，作为潜在取代锂离子电池的储能技术，钾离子电池在近几年日益受到关注。钾离子电池的工作原理与锂离子电池类似，通过钾离子从正极材料中脱嵌，经过电解液，再插入到负极材料中来完成充电过程；放电过程则相反。目前常见的钾离子电池是以普鲁士蓝/普鲁士蓝类似物、磷酸铁、氟硫酸铁等为正极活性材料，以碳材料为负极活性材料，而基于这些材料的钾离子电池的容量较低，循环性能较差，且制备工艺也较为复杂。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种钾基双离子电池，结合了钾离子电池与双离子电池各自的优点，以利用成本低廉、资源丰富的钾离子作为储能介质，可供阴离子嵌入和脱嵌的石墨类碳材料作为正极材料活性物质，可供钾离子吸附和脱附的多孔碳材料作为负极材料活性物质，通过钾离子在负极材料上的吸附和脱附以及阴离子在正极材料上的嵌入和脱嵌实现钾基双离子电池的可逆充放电过程。正负极材料简单、易得、环保、安全，负极通过物理吸附脱附进行的充放电反应快速稳定，使其电化学性能较为优异，使钾基双离子电池具有较高的容量和稳定的循环性能。本专利技术的目的之二在于提供一种钾基双离子电池的制备方法，利用所述负极、电解液、隔膜、正极进行钾基双离子电池的组装，生产工艺简单、成本低。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种钾基双离子电池，包括负极、正极、介于正负极之间的隔膜以及电解液；所述负极包括负极集流体和负极材料，负极材料包括负极材料活性物质，负极材料活性物质为能够可逆地吸附、脱附钾离子的多孔碳材料；所述正极包括正极集流体和正极材料，正极材料包括正极材料活性物质，正极材料活性物质为能够可逆地插嵌、脱嵌电解液中阴离子的石墨类碳材料；所述电解液包括钾盐和非水溶剂。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，所述多孔碳材料包括碳纳米管、活性碳纤维、石墨烯、介孔碳、碳分子筛、炭泡沫或活性炭中的一种或至少两种；优选地，所述多孔碳材料为活性炭。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，所述石墨类碳材料包括天然石墨、膨胀石墨、中间相碳微球、人造石墨、玻璃碳、碳碳复合材料、碳纤维、硬碳、高取向石墨或三维石墨中的一种或至少两种；优选地，所述石墨类碳材料为膨胀石墨。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，负极材料包括60-95wt％的负极材料活性物质、2-30wt％的导电剂和3-10wt％的粘结剂；优选地，导电剂包括导电炭黑、导电碳球、导电石墨、碳纳米管、碳纤维或石墨烯中的一种或至少两种；优选地，粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、SBR橡胶、聚烯烃类粘结剂中的一种或至少两种；优选地，所述负极集流体为铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的金属；或，所述负极集流体为至少包含铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的合金；或，所述负极集流体为至少包含铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的金属复合物；优选地，负极集流体为涂炭铝箔。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，正极材料包括60-95wt％的正极材料活性物质、2-30wt％的导电剂和3-10wt％的粘结剂；优选地，导电剂包括导电炭黑、导电碳球、导电石墨、碳纳米管、碳纤维或石墨烯中的一种或至少两种；优选地，粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、SBR橡胶、聚烯烃类粘结剂中的一种或至少两种；优选地，所述正极集流体为铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的金属；或，所述正极集流体为至少包含铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的合金；或，所述正极集流体为至少包含铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的金属复合物；优选地，正极集流体为涂炭铝箔。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，电解液中钾盐的浓度范围为0.1-10mol/L，优选0.1-2mol/L；优选地，所述钾盐包括六氟磷酸钾、氯化钾、氟化钾、硫酸钾、碳酸钾、磷酸钾、硝酸钾、二氟草酸硼酸钾、焦磷酸钾、十二烷基苯磺酸钾、十二烷基硫酸钾、柠檬酸三钾、偏硼酸钾、硼酸钾、钼酸钾、钨酸钾、溴化钾、亚硝酸钾、碘酸钾、碘化钾、硅酸钾、木质素磺酸钾、草酸钾、铝酸钾、甲基磺酸钾、醋酸钾、重铬酸钾、六氟砷酸钾、四氟硼酸钾、高氯酸钾、三氟甲烷磺酰亚胺钾或三氟甲烷磺酸钾中的一种或至少两种，优选六氟磷酸钾。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，所述非水溶剂为有机溶剂和/或离子液体；优选地，有机溶剂包括酯类、砜类、醚类、腈类或烯烃类有机溶剂中的一种或至少两种；和/或，离子液体包括咪唑类、哌啶类、吡咯类、季铵类或酰胺类离子液体中的一种或至少两种；优选地，有机溶剂包括碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、N,N-二甲基乙酰胺、氟代碳酸乙烯酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、乙酸乙酯、γ-丁内酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧环戊烷、4-甲基-1,3-二氧环戊烷、二甲氧甲烷、1,2-二甲氧丙烷、三乙二醇二甲醚、二甲基砜、二甲醚、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、亚硫酸二甲酯或亚硫酸二乙酯或冠醚中的一种或至少两种，优选为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合溶剂；优选地，离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑-六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑-四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑-双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丙基-3-甲基咪唑-六氟磷酸盐、1-丙基-3-甲基咪唑-四氟硼酸盐、1-丙基-3-甲基咪唑-双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丁基-1-甲基咪唑-六氟磷酸盐、1-丁基-1-甲基咪唑-四氟硼酸盐、1-丁基-1-甲基咪唑-双三氟甲基磺酰亚胺盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷-双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丁基-1-甲基吡咯烷-双三氟甲基磺酰亚胺盐、N-甲基-N-丙基吡咯烷-双三氟甲基磺酰亚胺盐、N-甲,丙基哌啶-双三氟甲基磺酰亚胺盐或N-甲基丁基哌啶-双三氟甲基磺酰亚胺盐中的一种或至少两种。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，电解液中还包括添加剂；所述添加剂在所述电解液中的质量分数为0.1-20％，优选2-5％；优选地，添加剂包括成膜添加剂、过充电保护添加剂、稳定剂、改善高低温性能添加剂、导电添加剂或阻燃添加剂中的一种或至少两种。第二方面，本专利技术提供了一种上述钾基双离子电池的制备方法，将负极、电解液、隔膜以及正极进行组装，得到钾基双离子电池。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，钾基双离子电池的制备方法包括以下步骤：a)制备负极：将负极材料活性物质、导电剂和粘结剂及溶剂混合制成浆料；再将负极材料浆料均匀涂覆于负极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钾基双离子电池，其特征在于，包括负极、正极、介于正负极之间的隔膜以及电解液；所述负极包括负极集流体和负极材料，负极材料包括负极材料活性物质，负极材料活性物质为能够可逆地吸附、脱附钾离子的多孔碳材料；所述正极包括正极集流体和正极材料，正极材料包括正极材料活性物质，正极材料活性物质为能够可逆地插嵌、脱嵌电解液中阴离子的石墨类碳材料；所述电解液包括钾盐和非水溶剂。

【技术特征摘要】
1.一种钾基双离子电池，其特征在于，包括负极、正极、介于正负极之间的隔膜以及电解液；所述负极包括负极集流体和负极材料，负极材料包括负极材料活性物质，负极材料活性物质为能够可逆地吸附、脱附钾离子的多孔碳材料；所述正极包括正极集流体和正极材料，正极材料包括正极材料活性物质，正极材料活性物质为能够可逆地插嵌、脱嵌电解液中阴离子的石墨类碳材料；所述电解液包括钾盐和非水溶剂。2.按照权利要求1所述的钾基双离子电池，其特征在于，所述多孔碳材料包括碳纳米管、活性碳纤维、石墨烯、介孔碳、碳分子筛、炭泡沫或活性炭中的一种或至少两种；优选地，所述多孔碳材料为活性炭。3.按照权利要求1所述的钾基双离子电池，其特征在于，所述石墨类碳材料包括天然石墨、膨胀石墨、中间相碳微球、人造石墨、玻璃碳、碳碳复合材料、碳纤维、硬碳、高取向石墨或三维石墨中的一种或至少两种；优选地，所述石墨类碳材料为膨胀石墨。4.按照权利要求1-3任一项所述的钾基双离子电池，其特征在于，负极材料包括60-95wt％的负极材料活性物质、2-30wt％的导电剂和3-10wt％的粘结剂；优选地，导电剂包括导电炭黑、导电碳球、导电石墨、碳纳米管、碳纤维或石墨烯中的一种或至少两种；优选地，粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、SBR橡胶或聚烯烃类粘结剂中的一种或至少两种；优选地，所述负极集流体为铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的金属；或，所述负极集流体为至少包含铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的合金；或，所述负极集流体为至少包含铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的金属复合物；优选地，负极集流体为涂炭铝箔。5.按照权利要求1-3任一项所述的钾基双离子电池，其特征在于，正极材料包括60-95wt％的正极材料活性物质、2-30wt％的导电剂和3-10wt％的粘结剂；优选地，导电剂包括导电炭黑、导电碳球、导电石墨、碳纳米管、碳纤维或石墨烯中的一种或至少两种；优选地，粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、SBR橡胶、聚烯烃类粘结剂中的一种或至少两种；优选地，所述正极集流体为铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的金属；或，所述正极集流体为至少包含铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的合金；或，所述正极集流体为至少包含铝、铜、锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的金属复合物；优选地，正极集流体为涂炭铝箔。6.按照权利要求1-3任一项所述的钾基双离子电池，其特征在于，电解液中钾盐的浓度范围为0.1-10mol/L，优选0.5-1mol/L；优选地，所述钾盐包括六氟磷酸钾、氯化钾、氟化钾、硫酸钾、碳酸钾、磷酸钾、硝酸钾、二氟草酸硼酸钾、焦磷酸钾、十二烷基苯磺酸钾、十二烷基硫酸钾、柠檬酸三钾、偏硼酸钾、硼酸钾、钼酸钾、钨酸钾、溴化钾、亚硝酸钾、碘酸钾、碘化钾、硅酸钾、木质素磺酸钾、草酸钾、铝酸钾、甲基磺酸钾、醋酸钾、重铬酸钾、六氟砷酸钾、四氟硼酸钾、高氯酸钾、三氟甲烷磺酰亚胺钾或三氟甲烷磺酸钾中的一种或至少两种，优选六氟磷酸钾。7.按照权利要求1-3任一项所述的钾基双离子电池，其特征在于，所述非水溶剂为有机溶剂和/或离子液体；优选地，有机溶剂包括酯类、砜类、醚类、腈类或烯烃类有机溶剂中的一种或至少两种；和/或，离子液体包括咪...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，丁璇，张帆，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44