[發(fā)明專(zhuān)利]一種鉀離子微型混合電容器的制備方法和電極材料

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110589065.4
• 申請(qǐng)日: 2021-05-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113327775B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王恭凱;白瑞軍;張昕
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01G11/50
• 分類(lèi)號(hào): H01G11/50;H01G11/32;H01G11/86
• 代理公司: 天津翰林知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

本發(fā)明為一種鉀離子微型混合電容器的制備方法和電極材料。該方法在模具的輔助下使用氣噴槍將活性材料噴涂于聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)上，在PET透明柔性基底上構(gòu)建了具有多向離子傳輸通道的微型柔性叉指電極。電極真空烘干后將微孔聚合物電解質(zhì)涂于電極表面，最后放入真空袋中滴加電解液并封裝，獲得柔性鉀離子微型混合電容器。該電極材料為一種部分鈦酸鉀生長(zhǎng)于石墨層間的多維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料；制備方法中，以氫氧化鉀為鉀源、納米二氧化鈦為鈦源，通過(guò)與片狀石墨，100?250℃的溫度下水熱復(fù)合。本發(fā)明得到的材料有效解決了鈦酸鉀材料電導(dǎo)率低、容量低、倍率性能差的問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明專(zhuān)利屬于高比能超級(jí)電容器領(lǐng)域，具體涉及一種鉀離子微型混合電容器的電極材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)電子產(chǎn)品的功能需求也在不斷的提高，電子產(chǎn)品也迎來(lái)了高速發(fā)展時(shí)期。例如智能手機(jī)、平板電腦，智能機(jī)器人，電子手表以及各類(lèi)可穿戴設(shè)備等都不斷的朝著小型化和柔性化的趨勢(shì)發(fā)展。但是這些逐漸趨于小型化和柔性化的自供電電子產(chǎn)品也面臨著電源的問(wèn)題。因此，各種尺度的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置成為小型化和柔性化智能和集成電子產(chǎn)品的關(guān)鍵電源，如人體傳感器、微型機(jī)器人等自供電的微系統(tǒng)。目前的各種先進(jìn)儲(chǔ)能設(shè)備主要以鋰離子電池和電容器為主，但是其有限的鋰資源也激發(fā)了人們開(kāi)發(fā)其它儲(chǔ)能設(shè)備的熱情。鉀離子由于其資源豐富，以及與鋰離子較為接近的氧化還原電位成為人們研究的熱點(diǎn)。

然而鉀離子儲(chǔ)能器件也面臨著一些挑戰(zhàn)，例如鉀離子(0.138納米)比鋰離子(0.076納米)尺寸大，使得鉀離子在電極材料中插入/脫出的動(dòng)力學(xué)緩慢，導(dǎo)致電極材料的低容量和較差的循環(huán)穩(wěn)定性以及倍率性能。Ti基化合物可作為鋰離子電池負(fù)極安全穩(wěn)定運(yùn)行的理想候選材料，例如鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂，LTO)，目前在商用鋰離子電池和鋰離子混合電容器領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。因此，鈦酸鉀(K₂Ti_nO_2n+1，KTO)也被希望能很好的應(yīng)用于鉀離子電池或混合電容器領(lǐng)域。KTO三元負(fù)極可以提供高效的K⁺插層通道，插入/脫插過(guò)程對(duì)其基本結(jié)構(gòu)和性能影響不大，因此具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性。然而其電子電導(dǎo)率較低，抑制了其儲(chǔ)鉀性能的發(fā)揮，限制了鉀離子儲(chǔ)能器件的發(fā)展。最近報(bào)道了兩種鈦基化合物K₂Ti₄O₉和K₂Ti₈O₁₇并應(yīng)用與鉀離子儲(chǔ)能器件，然而，它們只有非常有限的循環(huán)性能和倍率性能。為了提高KTO的儲(chǔ)鉀性能，調(diào)控其成分組成、微觀結(jié)構(gòu)和與高導(dǎo)電的炭材料復(fù)合是一種有效的技術(shù)路線。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的為針對(duì)當(dāng)前技術(shù)中鋰離子儲(chǔ)能器件原材料資源有限的問(wèn)題，提供一種鉀離子微型混合電容器及其制備方法和電極材料。該電極材料為一種部分鈦酸鉀生長(zhǎng)于石墨層間的多維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料；制備方法中，以氫氧化鉀為鉀源、納米二氧化鈦為鈦源，通過(guò)與片狀石墨，100-250℃的溫度下水熱復(fù)合，得到的材料有效解決了鈦酸鉀材料電導(dǎo)率低、容量低、倍率性能差的問(wèn)題。應(yīng)用上，本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)的三明治型柔性電容器，在模具的輔助下使用氣噴槍將活性材料噴涂于聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)上，在PET透明柔性基底上構(gòu)建了具有多向離子傳輸通道的微型柔性叉指電極。電極真空烘干后將微孔聚合物電解質(zhì)涂于電極表面，然后烘干電解質(zhì)中的有機(jī)溶劑，在氬氣手套箱中將電極放入真空袋中滴加電解液并封裝，獲得柔性鉀離子微型混合電容器。通過(guò)控制活性材料的噴涂量，該電容器可以獲得不同的面積比容量。

本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)以上目的，采用了以下技術(shù)方案。

一種鉀離子微型混合電容器的制備方法，該方法包括以下步驟：

(1)將聚氧化乙烯和PVDF-HFP加入到有機(jī)溶劑中，在40-80℃下攪拌18-24h，得到微孔聚合物電解質(zhì)；

其中，每6-19ml有機(jī)溶劑加20-50mg的聚氧化乙烯、800-1000mg的PVDF-HFP；