钾离子混合超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及超级电容器领域，具体而言，提供了一种金属导电材料用作钾离子混合超级电容器负极和钾离子混合超级电容器及其制备方法。钾离子混合超级电容器包括负极、隔膜、正极和电解液；负极为能够与电解液中钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料；正极包括正极材料和正极集流体，正极材料中的正极活性材料为能够可逆地吸附、脱附电解液中阴离子的碳材料；钾离子存在于混合超级电容器的电解液中。该钾离子混合超级电容器以能够与电解液中钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料作为负极，上述材料起到负极活性材料和负极集流体的双重作用，不但简化了超级电容器的生产工艺、降低了生产成本，还提高了超级电容器的能量密度和理论比容量。

Metal conductive materials used as potassium ion mixed supercapacitor negative electrode and potassium ion mixed supercapacitor and its preparation method

The invention relates to the field of super capacitor, in particular, provides a kind of metal conductive material used as potassium ion mixed super capacitor negative pole and potassium ion mixed super capacitor and its preparation method. Potassium ion mixed super capacitor comprises anode, cathode and anode diaphragm, electrolyte and electrolyte; to potassium ion in alloying metals, metal alloys or composite materials; including anode cathode materials and anode current collector, cathode active material in anode materials for carbon material capable of reversibly adsorption and desorption of anions in the electrolyte; potassium ions present in the electrolyte in the hybrid supercapacitor. The potassium ion hybrid supercapacitor to potassium ion in the electrolyte and alloying of metal, alloy or metal composite material as cathode materials play a dual role, the anode active material and the current collector, not only simplifies the production process, the super capacitor reduces the production cost, but also improve the super capacitor the energy density and theoretical capacity.

【技术实现步骤摘要】
金属导电材料用作钾离子混合超级电容器负极和钾离子混合超级电容器及其制备方法
本专利技术涉及超级电容器领域，具体而言，涉及一种金属导电材料用作钾离子混合超级电容器负极和钾离子混合超级电容器及其制备方法。
技术介绍
随着现代科技的发展，人们对能源的需求越来越大，寻找一种新型能源成为当今迫切的需要。二次电池是一种应用较为广泛的电化学器件，但是由于二次电池在充放电过程中发生的化学反应会对其造成不可逆的创伤，限制了它的使用寿命，而且容易造成环境污染，资源浪费严重。超级电容器是一种新型储能器件，利用电极材料吸附电解液里的正负离子形成双电层结构进行储能，该储能过程是物理吸附/脱附过程，因此具有较长的循环寿命以及较高的充放电速度，且环境友好，可广泛应用于备用电源，高频率充放电，大功率输出等场合。常见的超级电容器材料主要以碳材料为正负极活性材料，但是目前这种超级电容器的容量和能量密度较低，负极活性材料还需要和粘结剂、导电剂等混合，并涂覆在金属箔集流体上，生产工艺较为繁琐，且负极活性材料与集流体之间容易脱落，增加了生产流程的复杂性和生产成本。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种能够与电解液中钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体在钾离子混合超级电容器中的应用。上述金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体能够极大地降低钾离子混合超级电容器的自重，进一步提高钾离子混合超级电容器的能量密度和理论比容量，简化电容器的生产工艺、降低生产成本且更加环保。本专利技术的第二目的在于提供一种钾离子混合超级电容器，该钾离子混合超级电容器的负极为能够与电解液中钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料，上述金属、合金或金属复合材料起到负极活性材料和负极集流体的双重作用，能够极大地降低电容器的自重，进一步提高电容器的能量密度和理论比容量，简化电容器的生产工艺、降低生产成本且更加环保。本专利技术的第三目的在于提供一种钾离子混合超级电容器的制备方法，上述制备方法工艺简单，采用该方法制备得到的钾离子混合超级电容器具有能量密度高和理论比容量高的优点。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能够与钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体在钾离子混合超级电容器中的应用，钾离子存在于混合超级电容器的电解液中。作为进一步优选地技术方案，所述金属为锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中的任意一种；所述合金为至少包含锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的合金；所述金属复合材料为至少包含锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的复合材料。第二方面，本专利技术提供了一种钾离子混合超级电容器，包括负极、隔膜、正极和电解液；所述负极为能够与电解液中钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料；所述正极包括正极材料和正极集流体，所述正极材料中的正极活性材料为能够可逆地吸附、脱附电解液中阴离子的碳材料；电解液为含有钾盐的有机溶剂和/或离子液体。作为进一步优选地技术方案，所述负极为锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中的任意一种纯金属；或，所述负极为至少包含锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的合金；或，所述负极为至少包含锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的复合材料。作为进一步优选地技术方案，所述碳材料包括活性炭、碳纳米管、多孔炭、石墨烯和碳纤维中的任意一种或至少两种的组合。作为进一步优选地技术方案，所述正极材料还包括导电剂和粘结剂，正极活性材料的含量为60-95wt.％，导电剂的含量为2-30wt.％，粘结剂的含量为3-10wt.％。作为进一步优选地技术方案，在电解液中，提供钾离子的钾盐的浓度范围为0.1-10mol/L；优选地，钾盐为六氟磷酸钾。作为进一步优选地技术方案，电解液中还包括添加剂，所述添加剂选自酯类、砜类、醚类、腈类或烯烃类中的至少一种，所述添加剂的含量为0.1-20wt.％。第三方面，本专利技术提供了一种钾离子混合超级电容器的制备方法，将负极、电解液、隔膜以及正极进行组装，得到钾离子混合超级电容器。作为进一步优选地技术方案，所述制备方法包括以下步骤：a)制备负极：将所需尺寸的金属、合金或金属复合材料经表面处理后作为负极备用；b)配制电解液：将钾盐溶于溶剂中，充分搅拌得到电解液；c)制备隔膜：将所需尺寸的多孔聚合物薄膜、无机多孔薄膜或有机/无机复合薄膜作为隔膜；d)制备正极：将正极活性材料、导电剂和粘结剂制成正极浆料或正极片状材料；再将正极浆料涂覆于正极集流体表面或将正极片状材料压在正极集流体表面，干燥得到所需尺寸的正极；将步骤a)得到的负极、步骤b)得到的电解液、步骤c)得到的隔膜以及步骤d)得到的正极进行组装，得到钾离子混合超级电容器。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种能够与电解液中钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体在钾离子混合超级电容器中的应用，上述金属、合金或金属复合材料同时作为钾离子混合超级电容器的负极活性材料和负极集流体，将构成现有超级电容器负极中的两个要素(负极活性材料和负极集流体)省略为一种，从而减少了一个部件的体积和重量，能够显著降低电容器自重、体积和用料成本；负极活性材料和负极集流体一体化的设计有利于缩短钾离子的传输距离，有利于更有效的传质和/或传荷；由于增加了活性材料的占比，因此能够进一步提高混合超级电容器的能量密度，并利用金属和钾离子的合金化/去合金化实现混合超级电容器的负极反应，提高比容量；由于不需使用有机粘结剂等进行粘结，因此大大简化了电容器的生产工艺，且不会发生脱落现象，减少了人工和设备成本，且更加环保。本专利技术提供的钾离子混合超级电容器兼具二次电池和超级电容器的特点，同时具有较高的能量密度和比容量；其负极为能够与钾形成合金的金属、合金或金属复合材料，上述金属、合金或金属复合材料起到负极活性材料和负极集流体的双重作用，能够极大地降低混合超级电容器的自重，进一步提高混合超级电容器的能量密度和理论比容量，简化混合超级电容器的生产工艺、降低生产成本且更加环保；此外，该电容器的电解液中将传统的锂离子替换为了钾离子，解决了锂资源储量有限的问题，使其应用不再受锂资源的制约。本专利技术提供的钾离子混合超级电容器的制备方法工艺简单，采用该方法制备得到的钾离子混合超级电容器具有能量密度高和比容量高的优点。附图说明图1是本专利技术一种实施方式的钾离子混合超级电容器的结构示意图。图标：1-负极；2-电解液；3-隔膜；4-正极材料；5-正极集流体。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。第一方面，本专利技术提供了一种能够与钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体在钾离子混合超级电容器中的应用，钾离子存在于混合超级电容器的电解液中。本专利技术中，“能够与钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料”是指能够与钾离子发生合金化反应的金属、能够与钾离子发生合金化反应的合金材料或能够与钾离子发生合金化反应的金属复合导电材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够与钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体在钾离子混合超级电容器中的应用，钾离子存在于混合超级电容器的电解液中。

【技术特征摘要】
1.一种能够与钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体在钾离子混合超级电容器中的应用，钾离子存在于混合超级电容器的电解液中。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述金属为锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中的任意一种；所述合金为至少包含锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的合金；所述金属复合材料为至少包含锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的复合材料。3.一种钾离子混合超级电容器，其特征在于，包括负极、隔膜、正极和电解液；所述负极为能够与电解液中钾离子合金化的金属、合金或金属复合材料；所述正极包括正极材料和正极集流体，所述正极材料中的正极活性材料为能够可逆地吸附、脱附电解液中阴离子的碳材料；电解液为含有钾盐的有机溶剂和/或离子液体。4.根据权利要求3所述的钾离子混合超级电容器，其特征在于，所述负极为锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中的任意一种纯金属；或，所述负极为至少包含锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的合金；或，所述负极为至少包含锡、锌、铅、锑、镉、金、铋或锗中任意一种的复合材料。5.根据权利要求3所述的钾离子混合超级电容器，其特征在于，所述碳材料包括活性炭、碳纳米管、多孔炭、石墨烯和碳纤维中的任意一种或至少两种的组合。6.根据权利要求3所述的钾离子混合超级电容器，其特征在于，所述正极材料还包括导电剂和...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，吴石，张帆，
申请(专利权)人：深圳中科瑞能实业有限公司，深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44