一种钾金属电容器及其制备方法技术

本发明专利技术属于电化学储能技术领域，具体涉及一种钾金属电容器及其制备方法。本发明专利技术的电容器包括钾金属负极、以碳材料或碳基复合材料作为活性材料的正极，以及溶解有钾盐的有机溶剂电解液。与传统的钾离子电容器相比，极大地简化了器件的制备过程和成本，并且其快速的电化学反应动力学可以与电容型正极材料实现良好的匹配。因此，本发明专利技术由金属钾负极和电容型碳正极组装而成钾金属电容器，具有与传统钾离子电池接近的能量密度，同时又可以实现电容器高功率密度的特性，可以应用在具有高能量和高功率密度需求的大规模储能系统中。率密度需求的大规模储能系统中。率密度需求的大规模储能系统中。

【技术实现步骤摘要】
一种钾金属电容器及其制备方法


[0001]本专利技术属于电化学储能
，具体涉及一种钾金属电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近些年来，随着新型电子设备和可持续再生清洁能源的不断发展，对安全高效的电化学储能系统的需求急剧增加。同时，现有广泛应用的蓄电池和二次电池也不能满足高尖端国防技术、武器装备和通讯领域的一些特殊需求，尤其是无法满足大功率系统启动时的瞬时大功率用电需求。目前，锂离子电池在各种电化学储能器件中占据着主导地位，广泛应用于便携式设备中。锂离子电池具有能量密度高、工作电压高和环境友好等优点。但是，其功率密度(<1000W+Kg
‑1)和循环寿命(<1000次)远低于电化学电容器。电化学电容器是一种具有高功率密度(>10kW+kg
‑1)和长循环寿命(>10万次)的电化学储能器件，在电信通信、医疗器械、航空航天和军工尖端领域得到了广泛应用。目前，电化学电容器的能量密度较低(<10Wh+kg
‑1)，使其单独使用时无法满足装置的能量密度需求。因此，急需发展高能量和高功率密度、长寿命、高安全性的新型电化学储能技术，以满足不同领域的应用需求。
[0003]与锂资源相比，钾资源丰富(钾储量1.5mass％vs锂储量0.0017mass％)、价格低廉(钾碳酸盐1000$ton
‑1vs锂碳酸盐23000$ton
‑1)，因而钾离子储能器件在大规模储能设备中极具优势。钾离子储能器件还具有以下优势：(1)可以采用商业化的石墨为负极；(2)在碳酸丙烯酯电解液中具有最低的电极电势(K
+
/K：
‑
2.88V vs标准氢电极vs Li
+
/Li：
‑
2.79V vs标准氢电极)，有利于实现高的能量密度；(3)在有机电解液中钾离子具有最小的溶剂化半径(K
+
：vs Li
+
：)，有助于实现较快的离子扩散速率，实现高的倍率性能。因而，发展具有高能量和高功率密度的钾离子混合电容器成为研究的热点。目前，钾离子混合电容器的正极材料主要选用各种具有多孔结构、大比表面积的电容型碳材料。合适的孔径和高的比表面积是作为最佳正极材料的关键因素。而负极材料根据储能机制的不同可以分为三类：嵌入型、转化型和合金型。其中，作为嵌入型负极的碳基材料容量主要集中在200
‑
400mA+h+g
‑1，首次库伦效率一般低于60％。非碳材料(如钛基材料)等嵌入型负极则具有结构稳定、循环稳定性好等优点，且钾离子的嵌入电位相对较低，可作为电池型负极材料。但这类材料的导电性相对较差，容量较低，需要通过与其他高导电性材料混合来改善。金属氧化物、金属硫化物等转化型和一些合金型负极材料具有较高的比容量，但充放电过程会产生较大的体积膨胀，导致容量的快速衰减，循环稳定性较差。并且，这些类型的电池负极是通过钾离子在材料内部的嵌入/脱出实现储能的，该过程受离子在电极材料内部的扩散速度控制，反应速度缓慢，致使其储钾动力学与电容型正极相比差距较大，这使得正负极难以发挥协同作用，使钾离子电容器难以真正具备高能量和高功率密度的特性。此外，上述负极材料的合成过程复杂，难以大规模制备。因此，开发设计出具有高比容量、低放电平台和具有快速传导离子/电子能力的负极材料仍具有巨大的挑战。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术一种钾金属电容器，创造性的使用钾金属作为电容器的负极材料，有利于提高离子和电子的传导速率，扩宽电容器稳定工作的电压窗口，且能与电容型碳正极实现良好的动力学匹配。旨在制备一种具有高能量和高功率密度的钾金属电容器。
[0005]为实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0006]本专利技术一方面提供了一种钾金属电容器，所述电容器包括钾金属负极、以碳材料或碳基复合材料作为正极活性材料的正极，以及溶解有钾盐的有机溶剂电解液。
[0007]本专利技术的电容器以钾金属作为负极、以碳材料或碳基复合材料的活性材料作为正极，以溶解有钾盐的有机溶剂作为电解液。与传统的钾离子电容器相比，极大地简化了器件的制备过程和成本，并且其快速的电化学反应动力学可以与电容型正极材料实现良好的匹配。因此，本专利技术由金属钾负极和电容型碳正极组装而成钾金属电容器，具有与传统钾离子电池接近的能量密度，同时又可以实现电容器高功率密度的特性，可以应用在具有高能量和高功率密度需求的大规模储能系统中。
[0008]优选地，所述碳材料选自活性炭、无定形碳、石墨烯、异原子掺杂的无定形碳和异原子掺杂的石墨烯中的至少一种，所述异原子为非碳原子。进一步地，所述非碳原子包括但不限于氮、氧、硫。
[0009]优选地，所述碳基复合材料由活性炭、无定形碳、石墨烯、异原子掺杂的无定形碳和异原子掺杂的石墨烯中的任意两种以上复合而成，所述异原子为非碳原子。
[0010]优选地，所述钾盐包括六氟磷酸钾和双氟磺酰亚胺钾盐。
[0011]优选地，所述有机溶剂选自碳酸乙烯酯、酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和二甲基已烷中的至少一种。
[0012]优选地，所述有机溶剂和钾盐的质量比为40:60
‑
99:1。进一步地，所述有机溶剂和钾盐的质量比为40:60
‑
90:10。
[0013]本专利技术另一方面提供了上述钾金属电容器的制备方法，包括以下步骤：
[0014]S1、将碳材料或碳基复合材料、粘结剂和导电添加剂均匀分散在溶剂中，然后涂覆在集流体上，经干燥和裁剪制得正极材料；
[0015]S2、将纯钾金属块碾压成负极材料，然后按照负极材料、隔膜、正极材料的顺序进行组装，并加入溶解有钾盐的有机溶剂作为电解液，最后经封装即得钾金属电容器。
[0016]优选地，所述碳材料包括YP
‑
50F活性炭，所述碳基复合材料包括石墨烯/无定形碳复合物和硫掺杂石墨无定形碳复合物。
[0017]优选地，按质量百分数计，所述碳材料或碳基复合材料的用量为60
‑
90％，粘结剂的用量为5
‑
20％，导电添加剂的用量为5
‑
20％。
[0018]优选地，所述溶剂包括水、乙醇和N
‑
甲基吡咯烷酮。
[0019]优选地，所述粘结剂包括但不限于羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯。
[0020]优选地，所述集流体包括但不限于铝箔、铜箔和不锈钢网。
[0021]优选地，所述导电添加剂包括但不限于乙炔黑、科琴黑、炭黑、导电石墨和碳纳米管。
[0022]优选地，所述隔膜包括但不限于玻璃纤维、聚乙烯、聚丙烯多孔膜。
[0023]优选地，所述干燥为80
‑
100℃下干燥8
‑
12小时。
[0024]优选地，将纯钾金属块碾压成负极材料为再无水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钾金属电容器，其特征在于，所述电容器包括钾金属负极、以碳材料或碳基复合材料作为正极活性材料的正极，以及溶解有钾盐的有机溶剂电解液。2.根据权利要求1所述的一种钾金属电容器，其特征在于，所述碳材料选自活性炭、无定形碳、石墨烯、异原子掺杂的无定形碳和异原子掺杂的石墨烯中的至少一种，所述异原子为非碳原子。3.根据权利要求1所述的一种钾金属电容器，其特征在于，所述碳基复合材料由活性炭、无定形碳、石墨烯、异原子掺杂的无定形碳和异原子掺杂的石墨烯中的任意两种以上复合而成，所述异原子为非碳原子。4.根据权利要求1所述的一种钾金属电容器，其特征在于，所述钾盐包括六氟磷酸钾和双氟磺酰亚胺钾盐。5.根据权利要求1所述的一种钾金属电容器，其特征在于，所述有机溶剂选自碳酸乙烯酯、酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和二甲基已烷中的至少一种。6.根据权利要求1所述的一种钾金属电容器，其特征在于，所述有机溶剂和钾盐的质量比为40:60
‑
99:1。7.权利要求1
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6任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎兴斌，姚倩倩，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：