[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及电化学储能器件技术领域，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。

背景技术

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，特提出本发明。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。

为了实现本发明的上述目的，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，在本发明技术方案的基础上，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，在本发明技术方案的基础上，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，在本发明技术方案的基础上，正极材料活性物质为活性炭。

进一步，在本发明技术方案的基础上，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，在本发明技术方案的基础上，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，在本发明技术方案的基础上，电解液中溶剂为有机溶剂和/或离子液体。

优选地，在本发明技术方案的基础上，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，在本发明技术方案的基础上，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，在本发明技术方案的基础上，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。