[發明專利]一種鉀離子全電池器件的制備方法

有效

• 申請號: 202211030194.0
• 申請日: 2022-08-26
• 公開（公告）號: CN115117457B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 劉代伙;李云莉;張爽;陳忠偉;劉定毅;王澳;宋夢琴;白正宇
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: H01M10/058
• 分類號: H01M10/058;H01M4/62;H01M4/505;H01M4/58;H01M10/054;B82Y30/00
• 代理公司: 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路飛

本發明公開了一種鉀離子全電池器件的制備方法，其中用于組裝鉀離子全電池器件的正極活性材料是經過聚乙烯吡咯烷酮作為分散劑輔助多壁碳納米管改性普魯士藍類化合物復合得到的，該正極活性材料的制備方法簡單溫和且可以規模化生產，負極活性材料是經過導電碳改性包覆的錳基氧化物，最終組裝成的鉀離子全電池器件具有優異的倍率性能和循環穩定性能。

技術領域

本發明屬于鉀離子電池技術領域，具體涉及一種鉀離子全電池器件的制備方法。

背景技術

高效電化學儲能器件在當今社會發展中發揮重要作用。可再生能源如風能、太陽能、光能等存在一定的季節性、周期性、間接性和隨機性等問題，因此需要發展具有穩定輸出電能的裝置來存儲可再生能源，進而構建綠色低碳的環保社會。鋰離子電池作為一種電化學儲能器件具有重量輕、容量大、工作溫度范圍寬、自放電率低、無環境污染和無記憶效應等特點，普遍應用于3C產品（計算機類、通信類、消費類電子產品）、電動交通、儲能電站、軍用于無人機、單兵電源、潛艇和航空航天等領域。

隨著二次電池需求量的日益增加，鋰元素的資源短缺成為目前面臨的重要問題，而我國現有的鋰資源多分布于青藏高原、新疆等生態脆弱區，開采不易且開采規模和采選技術與國外存在一定差距，鋰精石礦存在品位低、質量不穩定、采選成本高等問題。由于鋰精石礦不能合理開發且生產規模小，不能滿足生產需要，所以近年來我國鋰生產企業所需的礦石80%依賴進口。另外，從安全角度考慮，鋰離子電池存在較為突出的安全隱患，在其長周期充放電過程中負極容易析出鋰，形成鋰枝晶刺破隔膜，造成正負極短路，同時，所用電解液是有機的可燃電解液，在熱失控的情況下易于發生燃燒、爆炸等安全事故。

基于以上因素，鉀離子電池（potassium?ion?battery，KIB）具有明顯的優勢，鉀資源比鋰資源更豐富，且氧化還原電位與鋰離子相近，有較低的標準電極電勢（-2.93V? vs.SHE）和高的理論容量（687mAhg?^-1），且鉀離子不會與鋁形成合金，可以使用更為便宜的鋁箔作為正負極集流體。然而，在緊密堆積的材料中，與離子半徑（r）為0.76?的鋰離子相比，鉀離子具有較大的離子半徑（r=1.38?），導致在插層反應中表現出較慢的動力學、較為顯著的結構變化及較差的電化學穩定性。因此，人們一直致力于開發新的結構使鉀離子能夠更快、更可逆地進行插層反應。

普魯士藍類化合物作為鉀離子電池正極活性材料由于具有以下諸多優點而被廣泛研究：1、具有開放的三維框架結構，其大的離子擴散通道可有效保證鉀離子在隧道中可逆的脫嵌而不會引起劇烈的結構形變；2、豐富的活性位點，可出現雙對氧化還原峰，理論比容量和電壓比較高；3、合成過程簡單且制備成本低廉，一般常用鐵基、錳基和鎳基材料作為原料制備。然而其實際容量與理論容量還有很大差距，主要是普魯士藍類化合物在沉淀過程中成核速度過快，引入大量空位，這些空位附近的金屬離子容易與水配位，導致晶格畸變，影響配體陽離子在間隙中擴散的活化能。而且普魯士藍類化合物本身具有導電性差、密度低的特點，這是它的本征缺陷。因此，有必要對普魯士藍類化合物進行修飾改性以有效提升鉀離子電池器件的電化學性能。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供了一種安全性能較高、成本低廉、導電性好、易于制備、倍率性能及循環穩定性能均較好的鉀離子全電池器件的制備方法，其中用于組裝鉀離子全電池器件的正極活性材料是經過聚乙烯吡咯烷酮作為分散劑輔助多壁碳納米管改性普魯士藍類化合物復合得到的，該正極活性材料的制備方法簡單溫和且可以規模化生產，負極活性材料是經過導電碳改性包覆的錳基氧化物，最終組裝成的鉀離子全電池器件具有優異的倍率性能和循環穩定性能。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，一種鉀離子全電池器件的制備方法，其特征在于具體步驟為：