[发明专利]钾基双离子电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钾基双离子电池及其制备方法，涉及电化学储能器件领域。钾基双离子电池包括负极、正极、介于正负极之间的隔膜以及电解液；负极材料活性物质为能够可逆地吸附、脱附钾离子的多孔碳材料；正极材料活性物质为能够可逆地插嵌、脱嵌电解液中阴离子的石墨类碳材料；电解液包括钾盐和非水溶剂。本发明缓解了现有的锂离子电池锂资源储量有限、成本高的缺点，以及现有钾离子电池电极材料有限，电化学性能不理想的问题。本发明的双离子电池以钾作为储能介质，以可供钾离子吸附和脱附的多孔碳材料作为负极活性物质、以能够可逆插嵌、脱嵌的膨胀石墨作为正极活性物质，该钾基双离子电池具有高比容量、长循环寿命，且安全性能好。

技术领域

本发明涉及电化学储能器件技术领域，具体而言，涉及一种钾基双离子电池及其制备方法。

背景技术

二次电池也称为可充电电池，是一种可重复充放电、使用多次的电池。相比于不可重复使用的一次电池，二次电池具有使用成本低、对环境污染小的优点。目前主要的二次电池技术有铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池、锂离子电池，其中尤其以锂离子电池应用最为广泛。随着锂离子电池逐渐应用于智能手机、电动汽车等领域，锂的需求量逐年快速增长，而其全球储量十分有限且分布不均，造成原材料价格上涨迅猛，严重制约了我国低成本、高性能储能器件的快速发展。

钾元素具有和锂相似的物理化学性质，且其储量丰富、成本低廉，作为潜在取代锂离子电池的储能技术，钾离子电池在近几年日益受到关注。钾离子电池的工作原理与锂离子电池类似，通过钾离子从正极材料中脱嵌，经过电解液，再插入到负极材料中来完成充电过程；放电过程则相反。

目前常见的钾离子电池是以普鲁士蓝/普鲁士蓝类似物、磷酸铁、氟硫酸铁等为正极活性材料，以碳材料为负极活性材料，而基于这些材料的钾离子电池的容量较低，循环性能较差，且制备工艺也较为复杂。

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钾基双离子电池，结合了钾离子电池与双离子电池各自的优点，以利用成本低廉、资源丰富的钾离子作为储能介质，可供阴离子嵌入和脱嵌的石墨类碳材料作为正极材料活性物质，可供钾离子吸附和脱附的多孔碳材料作为负极材料活性物质，通过钾离子在负极材料上的吸附和脱附以及阴离子在正极材料上的嵌入和脱嵌实现钾基双离子电池的可逆充放电过程。正负极材料简单、易得、环保、安全，负极通过物理吸附脱附进行的充放电反应快速稳定，使其电化学性能较为优异，使钾基双离子电池具有较高的容量和稳定的循环性能。

本发明的目的之二在于提供一种钾基双离子电池的制备方法，利用所述负极、电解液、隔膜、正极进行钾基双离子电池的组装，生产工艺简单、成本低。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种钾基双离子电池，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吸附、脱附钾离子的多孔碳材料；

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插嵌、脱嵌电解液中阴离子的石墨类碳材料；

所述电解液包括钾盐和非水溶剂。

优选地，在本发明技术方案的基础上，所述多孔碳材料包括碳纳米管、活性碳纤维、石墨烯、介孔碳、碳分子筛、炭泡沫或活性炭中的一种或至少两种；

优选地，所述多孔碳材料为活性炭。

优选地，在本发明技术方案的基础上，所述石墨类碳材料包括天然石墨、膨胀石墨、中间相碳微球、人造石墨、玻璃碳、碳碳复合材料、碳纤维、硬碳、高取向石墨或三维石墨中的一种或至少两种；

优选地，所述石墨类碳材料为膨胀石墨。