可嵌入脱嵌材料用作钾离子混合超级电容器负极材料和钾离子混合超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可嵌入脱嵌材料用作钾离子混合超级电容器负极材料和钾离子混合超级电容器及其制备方法，涉及电化学储能器件领域。钾离子混合超级电容器包括负极、正极、隔膜和电解液；负极材料活性物质为能够可逆地嵌入、脱嵌钾离子的材料；正极材料活性物质为能够可逆地吸附、脱附电解液中阴离子的碳材料。本发明专利技术缓解了普通锂离子混合超级电容器以锂作为储能介质，成本高、有毒害、能量密度低的缺陷，本发明专利技术是基于钾离子的混合超级电容器，以可供钾离子嵌入和脱出的材料作为负极活性材料，以可供阴离子吸附和脱附的碳材料作为正极活性材料，以钾离子溶液作为电解液，结构简单、成本低，具有高能量密度、高功率密度和高安全性。

Hybrid material with embedded material as anode material for potassium ion mixing and supercapacitor for potassium ion and preparation method thereof

The present invention discloses a kind of embedded super conductive capacitor and potassium ion mixing super capacitor and its preparation method, which relates to the field of electrochemical energy storage device. The potassium ion mixed supercapacitor includes negative electrode, positive electrode, diaphragm and electrolyte; the active material of negative electrode material is the material that can reversibly embed and block the potassium ion; the positive electrode material is the carbon material that can reversibly adsorb and remove the anion in electrolyte. The present invention alleviates the ordinary lithium-ion hybrid supercapacitor with lithium as storage medium, high cost, defective toxicity, low energy density, the invention is a super capacitor based on mixed with potassium, available potassium ion insertion and extraction of the material as anode active material, as for anion adsorption and desorption carbon material is attached as a cathode active material, using potassium ion solution as the electrolyte has the advantages of simple structure, low cost, high energy density, high power density and high safety.

【技术实现步骤摘要】
可嵌入脱嵌材料用作钾离子混合超级电容器负极材料和钾离子混合超级电容器及其制备方法
本专利技术涉及电化学储能器件
，具体而言，涉及一种可嵌入脱嵌材料用作钾离子混合超级电容器负极材料和钾离子混合超级电容器及其制备方法。
技术介绍
超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，与传统电容器相比，它具有较大的比电容、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命。传统电容器以微法拉标称电容，超级电容器静电容量可达到10万法拉以上；而与蓄电池相比，它又有较高的功率密度和更好的循环寿命，且对环境无污染。然而与锂离子电池相比，由于双电层型超级电容器的工作原理是靠电极吸附电解液离子来储能，因此能量密度较低。混合型超级电容器是一种能够获得高能量密度和高功率密度的超级电容器，其正极一般采用双电层电容器的电极材料，如活性炭；负极则采用锂离子电池负极材料。由于负极发生的是电化学氧化还原反应，可以提供较高的容量，因此混合型超级电容器的设计可以大幅提高器件的能量密度。作为目前广泛运用的混合型超级电容器之一，锂离子混合超级电容器被广泛的运用在各个领域。但是锂作为稀有金属，其资源储存量有限，在大规模使用过程中受到限制。同时，普通的锂离子混合超级电容器不能兼具高功率和高能量密度，限制了混合超级电容器的应用。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能够可逆地嵌入、脱嵌钾离子的材料作为负极材料在钾离子混合超级电容器中的应用，以钾离子作为储能介质，将能够可逆地嵌入、脱嵌钾离子的材料用作钾离子混合超级电容器的负极材料，材料简单、易得、环保且成本低，能够获得更高的能量密度、功率密度和安全性能。本专利技术的目的之二在于提供一种钾离子混合超级电容器，该混合超级电容器以利用成本低廉、资源丰富的钾离子作为储能介质，正负极的主要活性成分为可供阴离子吸附和脱附的正极材料以及可供钾离子嵌入和脱出的负极材料，通过钾离子在负极材料上的嵌入、脱出以及阴离子在正极材料上的吸附、脱附实现混合超级电容器的充放电原理，正负极材料简单、易得、环保、安全，生产工艺简单、成本低，电化学性能较为优异，具有较高的能量密度和功率密度。本专利技术的目的之三在于提供一种钾离子混合超级电容器的制备方法，利用所述负极、电解液、隔膜、正极进行钾离子超级电容器的组装，制备方法简单。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：一种能够可逆地嵌入、脱嵌钾离子的材料作为负极材料在钾离子混合超级电容器中的应用，电解液为含有钾盐的有机溶剂和/或离子液体。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，所述材料包括石墨类碳材料、普鲁士蓝及其类似物或金属磷化物中的一种或几种。一种钾离子混合超级电容器，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嵌入、脱嵌钾离子的材料；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。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，负极材料活性物质为石墨类碳材料、普鲁士蓝及其类似物或金属磷化物中的一种或几种。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，正极材料活性物质为活性炭。进一步，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；和/或，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，在本专利技术技术方案的基础上，电解液中提供钾离子的钾盐的浓度范围为0.1-10mol/L。进一步，在本专利技术技术方案的基础上，电解液中溶剂为有机溶剂和/或离子液体。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，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几种；优选地，在本专利技术技术方案的基础上，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几种。进一步，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％。一种上述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。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，钾离子混合超级电容器的制备方法，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；再将负极材料浆料涂覆于负极集流体表面，干燥后裁片，得到所需尺寸的负极；b)配制电解液：将钾盐电解质溶于有机溶剂和/或离子液体中，充分搅拌得到电解液；c)制备隔膜：将多孔聚合物薄膜、无机多孔薄膜或有机/无机复合隔膜裁切成所需尺寸，作为隔膜；d)制备正极：将正极材料活性物质、导电剂和粘结剂及溶剂混合制成浆料；再将正极材料浆料涂覆于正极集流体表面，干燥后裁片，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。与已有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术的混合超级电容器是一种钾离子混合超级电容器，以钾离子作为储能介质，该钾离子混合超级电容器使用钾盐替代了锂盐，使得其应用不受锂资源的制约，混合超级电容器可以得到长足发展，此外，由于钾盐的价格远低于锂盐，使得该钾离子混合超级电容器的生产成本得到显著降低。(2)本专利技术的钾离子混合超级电容器负极材料采用可嵌入脱嵌钾离子的材料，负极材料简单、易得、环保、安全且成本低，嵌入脱嵌形成插层化合物有利于抑制钾活泼的化学性质，可在提高器件能量密度的同时有效提高混合超级电容器的安全性。(3)本专利技术的钾离子混合超级电容器正极材料采用可供阴离子吸附和脱附的碳材料如活性碳材料，活性碳具有比表面积大、质量轻、化学稳定性高的优点，材料来源广泛，价格低廉，而且工作时不发生化学反应，可提高器件的功率密度和循环寿命。(4)本专利技术钾离子混合超级电容器的电解质钾盐在反应过程中不会有枝晶产生刺破隔膜，具有较好安全性能。(5)本专利技术的混合超级电容器以可供钾离子嵌入和脱出的材料作为负极的活性材料，以可供阴离子吸附和脱附的碳材料作为正极的活性材料，以钾离子溶液作为电解液，通过钾离子在负极材料上的嵌入、脱出以及阴离子在正极材料上的吸附、脱附实现能量的存储。此混合超级电容器正负极材料简单、易得、环保、安全，生产工艺简单且成本低，该混合超级电容器的电化学性能较为优异，高于常规的锂离子混合超级电容器，具有较高的能量密度和功率密度，同时安全性能好。附图说明图1为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-负极集流体；2-负极材料层；3-电解液；4-隔膜；5-正极材料层；6-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。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。根据本专利技术的第一个方面，提供了一种能够可逆地嵌入、脱嵌钾离子的材料作为负极材料在钾离子混合超级电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够可逆地嵌入、脱嵌钾离子的材料作为负极材料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】
1.一种能够可逆地嵌入、脱嵌钾离子的材料作为负极材料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.按照权利要求1所述的应用，其特征在于，所述材料包括石墨类碳材料、普鲁士蓝及其类似物或金属磷化物中的一种或几种。3.一种钾离子混合超级电容器，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嵌入、脱嵌钾离子的材料；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.按照权利要求3所述的钾离子混合超级电容器，其特征在于，负极材料活性物质为石墨类碳材料、普鲁士蓝及其类似物或金属磷化物中的一种或几种。5.按照权利要求3所述的钾离子混合超级电容器，其特征在于，正极材料活性物质为活性炭。6.按照权利要求3-5任一项所述的钾离子混合超级电容器，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；和/或，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。7.按照权利要求3-5任一项所述的钾离子...

【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