【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学，具体涉及一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法。
技术介绍
1、锂离子电池(libs)在各类电子产品、电动汽车等领域有着广泛应用，但地壳中锂源有限、分布不均，libs面临制造成本不断攀升的问题，开发能够代替libs的新型储能器件势在必行。双离子电池(dibs)是一类具有高工作电压、宽温域和高功率密度、采用无钴电极材料且环境友好的储能器件。不同于锂离子电池的“摇椅式”工作机制，双离子电池在充/放电过程中，电解液中的阴、阳离子分别在正、负极中嵌入/脱出。相比于锂，钾资源更为丰富；相比于钠(-2.71v)，钾的标准电极电位更低(-2.93v)，赋予了钾基双离子电池(kdibs)更高的能量密度，使其在规模化储能等领域具有更好的应用前景。
2、双离子电池的成本和电化学性能主要取决于电极材料和电解液。当前，关于kdibs负极材料的研究较少。软碳、石墨类负极在钾离子存储时展示出的比容量较低、倍率性能不理想，较低的放电电位带来析钾安全隐患。近年来，单质碲(te)因高体积比容量、适中的电压平台、高电导率(2×102s m-1)引起关注，是一种非常有潜力的负极材料。不同于同族元素硫和硒，碲的原子半径较大，限制了可溶解性中间产物—多碲化物的形成，穿梭效应影响较小，但由于k+的离子半径大，导致充放电过程中碲基负极材料的较大体积变化及不可逆的结构破坏，循环稳定性差。以往制备的碲基负极材料多数呈粉末状，需要混合粘结剂、导电剂使用，降低了电极活性材料占比，负极铜集流体的使用增加了电池的“死”质量，使能量密度大打折扣。因此
3、因此，本专利技术提出一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，采用静电纺丝技术—高温煅烧法制备自支撑型碲基负极，以商业化石墨类材料为正极活性物质，搭配氟化共溶剂修饰的酯基电解液，平衡电解液浓度和氟化共溶剂用量，在保证高电压稳定性的前提下构建富含氟化钾(kf)的界面膜，以缓解阴离子插层/脱出时石墨的体积变化，使kdibs展示出高安全性、高工作电压、高能量密度和稳定的循环性能。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，此制备方法采用自支撑型碲基负极提升kdibs的能量密度，其适中的电压平台避免了负极析钾。
2、本专利技术的另一个目的是提供一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，此制备方法采用氟化共溶剂修饰的酯基电解液，在保证高电压稳定性的前提下，最大限度降低电解液浓度，节约成本，同时在石墨类正极上构筑富含kf的界面膜以抑制循环过程中石墨类活性材料的体积膨胀。
3、本专利技术的第三个目的在于提供一种基于自支撑型碲基负极、氟化共溶剂修饰的酯基电解液和石墨类正极的钾基双离子电池，使其具有优异的电化学性能和高安全性。
4、所述自支撑型碲基负极由碲基活性材料和多孔碳纤维组成，其中碲基活性材料包括碲、硫化碲、硒化碲中的一种或者几种，优选为碲。
5、所述氟化共溶剂修饰的酯基电解液由钾盐、酯类溶剂和氟化共溶剂组成，其中钾盐包括中四氟硼酸钾、六氟磷酸钾、三氟甲磺酸钾、高氯酸钾、双氟磺酰亚胺钾、双三氟甲基磺酰亚胺钾的一种或几种，优选为双氟磺酰亚胺钾，酯类溶剂包括碳酸酯类、磷酸酯类、羧酸酯类、亚硫酸酯类中的一种或几种，优选为磷酸酯类溶剂，氟化共溶剂包含氟化碳酸酯类、氟化磷酸酯类、氟化醚类、氟化羧酸酯类、氟化亚硫酸酯类中的一种或者几种，优选为氟化磷酸酯类共溶剂。
6、所述商业化石墨类材料包含高纯鳞片石墨、天然石墨、科琴黑、膨胀石墨、中间相碳微球、石墨烯、高取向石墨中的一种或几种，优选为高纯鳞片石墨。
7、所述基于碲负极的钾基双离子电池构型为纽扣电池、软包电池、柱状电池中的一种，优选为纽扣电池，自支撑型碲基负极与石墨类正极的容量比(n/p值)为1.1～1.5，优选为1.1。
8、本专利技术提供了一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，其特征在于通过以下技术方案实现的：
9、(1)自支撑型碲基负极制备：将聚丙烯腈(pan)作为碳源、聚苯乙烯(ps)作为造孔剂共同溶解在n,n-二甲基甲酰胺(dmf)中，获得前驱体溶液，经静电纺丝过程制备ps/pan纳米纤维薄膜；将该薄膜放进管式炉，先后经低温预氧化和高温碳化过程制备多孔碳纤维；再将商业化碲粉、或者将商业化碲粉与硒粉、硫粉中的一种或者两种及上述多孔碳纤维一起放入管式炉内，在惰气氛围下经高温熔融-扩散过程制备出自支撑型碲基负极；最后根据不同的电池结构类型将其裁剪成合适的电极片，直接作为kdibs的负极。
10、(2)电解液配制：在高纯氩气氛围手套箱内将钾盐与酯类溶剂混合、搅拌均匀后再加入不同含量的氟化共溶剂作为稀释剂，酯类溶剂和氟化共溶剂的体积比控制在1:1到20:1，搅拌均匀后获得氟化共溶剂修饰的酯基电解液。
11、(3)石墨类正极制备：将商业化石墨类材料包含高纯鳞片石墨、天然石墨、科琴黑、膨胀石墨、中间相碳微球、石墨烯、高取向石墨中的一种或几种与导电剂super p、粘结剂羧甲基纤维素钠混合、研磨均匀后加入分散剂去离子水，搅拌成浆料，涂覆在铝集流体上，真空干燥后制备石墨类正极，其中石墨类活性材料质量分数在80％～95％。
12、(4)基于碲负极的钾基双离子电池组装：在高纯氩气氛围手套箱内，组装基于自支撑型碲负极、石墨类正极和氟化共溶剂修饰的酯基电解液的kdibs。
13、本专利技术具有的优点和积极效果是：
14、本专利技术通过巧妙的电极结构设计和电解液优化策略，获得了一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法。制备的自支撑型碲基负极避免了导电剂、粘结剂、铜集流体的使用，为电池减重，有助于提升能量密度，且其适中的电压平台可防止kdibs中负极析钾；相比于高浓度酯基电解液，氟化共溶剂的引入在保证电解液较宽电化学稳定窗口的前提下，最大限度降低电解液成本，进一步匹配低成本的商业化石墨类正极，在其表面构筑富含kf的界面膜以抑制循环过程中体积膨胀，实现石墨类正极的高效阴离子存储。在此协同作用下，氟化共溶剂修饰的酯基电解液能够使基于碲负极本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，其特征在于：采用自支撑型碲基负极、氟化共溶剂修饰的酯基电解液、石墨类正极，构建具有高安全性、高工作电压、高能量密度和稳定循环性能的钾基双离子电池(KDIBs)。
2.一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，其特征在于制备过程包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，其特征在于：步骤(1)中自支撑型碲基负极由碲基活性材料和多孔碳纤维组成，碲基活性材料包括碲、硫化碲、硒化碲中的一种或者几种，优选为碲。
4.根据权利要求2所述的一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，其特征在于：步骤(2)中氟化共溶剂修饰的酯基电解液由钾盐、酯类溶剂和氟化共溶剂组成，钾盐包括中四氟硼酸钾、六氟磷酸钾、三氟甲磺酸钾、高氯酸钾、双氟磺酰亚胺钾、双三氟甲基磺酰亚胺钾的一种或几种，优选为双氟磺酰亚胺钾，酯类溶剂包括碳酸酯类、磷酸酯类、羧酸酯类、亚硫酸酯类中的一种或几种，优选为磷酸酯类溶剂，氟化共溶剂包含氟化碳酸酯类、氟化磷酸酯类、氟化醚类、氟化羧酸酯类、氟化亚硫酸酯类中的一种或者
5.根据权利要求2所述的一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，其特征在于：步骤(3)中商业化石墨类材料包含高纯鳞片石墨、科琴黑、天然石墨、膨胀石墨、中间相碳微球、石墨烯、高取向石墨中的一种或几种，优选为高纯鳞片石墨。
6.根据权利要求2所述的一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，其特征在于：步骤(4)中KDIBs的构型包含纽扣电池、软包电池、柱状电池中的一种，优选为纽扣电池，自支撑型碲基负极与石墨类正极的容量比(N/P值)为1.1～1.5，优选为1.1。
...【技术特征摘要】
1.一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，其特征在于：采用自支撑型碲基负极、氟化共溶剂修饰的酯基电解液、石墨类正极，构建具有高安全性、高工作电压、高能量密度和稳定循环性能的钾基双离子电池(kdibs)。
2.一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，其特征在于制备过程包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，其特征在于：步骤(1)中自支撑型碲基负极由碲基活性材料和多孔碳纤维组成，碲基活性材料包括碲、硫化碲、硒化碲中的一种或者几种，优选为碲。
4.根据权利要求2所述的一种基于碲负极的钾基双离子电池及其制备方法，其特征在于：步骤(2)中氟化共溶剂修饰的酯基电解液由钾盐、酯类溶剂和氟化共溶剂组成，钾盐包括中四氟硼酸钾、六氟磷酸钾、三氟甲磺酸钾、高氯酸钾、双氟磺酰亚胺钾、双三...
【专利技术属性】
技术研发人员：于丹丹，陈达，秦来顺，黄岳祥，罗稳，戈天奇，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：
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