一种新型钾离子电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及钾离子电池制备技术领域，尤其涉及一种新型钾离子电池及其制备方法。

背景技术

目前，高性能的锂离子电池已被广泛应用于移动电子设备和电动汽车等领域。但锂的储量有限且分布不均匀等因素预计会使得锂离子电池的成本在未来逐渐增加，这极大地限制了锂离子电池在低成本、大规模储能场景中的应用。因此，开发低成本、高性能的新型可充电电池体系是当前的研究重点之一。

钾和锂同属碱金属一族，它们具有相似的物化特性。钾的储量丰富、来源广泛且成本低廉，上述特点使得钾离子电池可以满足大规模储能场景对储能体系低成本的要求。然而，已报道的钾离子电池的性能仍不理想，其存在能量密度较低、循环稳定性较差、电极材料成本较高等问题，难以满足大规模储能场景对储能系统低成本、高性能的要求。

电池的循环寿命主要由组成电池的正、负极电极材料的循环稳定性决定。在正极材料方面，常用的正极材料包括普鲁士蓝类、聚阴离子类和层状氧化物类，这些材料均存在循环稳定性差、循环周期短、可脱出钾离子含量不足等问题。在负极材料方面，目前使用较为广泛的是石墨，石墨负极缓慢的动力学性能、较小的储钾比容量和较差的循环稳定性造成基于石墨负极组装的钾离子电池具有充放电倍率性能较差和循环周期较短等问题。

因此，寻找具有高储钾比容量、快速充放电性能、长使用寿命且成本低廉的钾离子电池负极材料具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种新型钾离子电池及其制备方法，用以针对目前钾离子电池负极材料比容量低和循环稳定性差等因素所导致的钾离子电池能量密度较低、循环寿命较短等主要问题，制备一种基于正极活性材料钾锰铁基普鲁士白和负极活性材料硫化聚丙烯腈组装的高能量密度和长循环寿命的新型钾离子电池。

本发明提供的一种新型钾离子电池，包括正极极片、钾离子电池电解液和负极极片，

所述正极极片包括导电碳、粘结剂和正极活性材料，所述正极活性材料为钾锰铁基普鲁士白；

所述负极极片包括导电碳、粘结剂和负极活性材料，所述负极活性材料为硫化聚丙烯腈。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，所述正极极片中正极活性材料钾锰铁基普鲁士白所占的质量比例为70wt.％～95wt.％；

所述正极极片中导电碳和粘结剂的总占比为30wt.％～5wt.％；

所述正极活性材料钾锰铁基普鲁士白的负载量为1mg/cm

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，所述负极极片中负极活性材料硫化聚丙烯腈所占的质量比例为70wt.％～95wt.％；

所述负极极片中导电碳和粘结剂的总占比为30wt.％～5wt.％；

所述负极活性材料硫化聚丙烯腈的负载量为1mg/cm

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，所述负极极片和所述正极极片的容量比为1.05:1～1.2:1。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，所述正极极片和所述负极极片中使用的导电碳为乙炔黑、科琴黑、碳纳米管和石墨烯中的一种或多种。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，所述正极极片中使用的粘结剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，所述负极极片中使用的粘结剂为羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯中的任意一种。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，所述钾离子电池电解液由电解质盐和第一溶剂组成；其中，

所述电解质盐为六氟磷酸钾、双氟磺酰亚胺钾盐、三氟甲磺酸钾和双三氟甲基磺酰亚胺钾中的一种或多种；

所述第一溶剂为碳酸酯类、醚类、磷酸三甲酯和磷酸三乙酯中的一种。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，所述钾离子电池包括扣式电池和软包电池。

本发明还提供了一种新型钾离子电池的制备方法，包括如下步骤：

S1：将导电碳、粘结剂和正极活性材料钾锰铁基普鲁士白按照第一预设比例混合，并加入第二溶剂搅拌均匀后，均匀涂覆在铝箔集流体上，真空干燥后得到正极极片；

S2：将导电碳、粘结剂和负极活性材料硫化聚丙烯腈按照第二预设比例混合，并加入第三溶剂搅拌均匀后，均匀涂覆在铝箔集流体或铜箔集流体上，真空干燥后得到负极极片；

S3：在水、氧含量均低于0.1ppm的手套箱中，将所述正极极片、钾离子电池电解液和所述负极极片组装成钾离子电池。

本发明提供的上述新型钾离子电池及其制备方法，利用正极活性材料钾锰铁基普鲁士白(K

附图说明

图1为本发明提供的一种新型钾离子电池的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例1中正极活性材料钾锰铁基普鲁士白在400mA/g电流密度下的循环稳定性图；

图3为本发明实施例1中负极活性材料硫化聚丙烯腈的扫描电子显微镜图；

图4为本发明实施例1中负极活性材料硫化聚丙烯腈在400mA/g电流密度下的循环稳定性图；

图5为本发明实施例1所制备的钾离子电池在15mA/g电流密度下前3圈的充放电曲线图；

图6为本发明实施例1所制备的钾离子电池在300mA/g电流密度下的循环稳定性图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种新型钾离子电池，包括正极极片、钾离子电池电解液和负极极片；其中，正极极片包括导电碳、粘结剂和正极活性材料，正极活性材料为钾锰铁基普鲁士白；负极极片包括导电碳、粘结剂和负极活性材料，负极活性材料为硫化聚丙烯腈。

在具体实施时，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，优选地，正极极片中正极活性材料钾锰铁基普鲁士白所占的质量比例为70wt.％～95wt.％，正极极片中导电碳和粘结剂的总占比(质量比例)为30wt.％～5wt.％。例如，正极极片中正极活性材料钾锰铁基普鲁士白所占的质量比例为70wt.％，正极极片中导电碳和粘结剂的总占比(质量比例)为30wt.％。总之，保证导电碳、粘结剂和正极活性材料钾锰铁基普鲁士白的质量比例之和为1。正极活性材料钾锰铁基普鲁士白的负载量可以控制在1mg/cm

在具体实施时，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，优选地，负极极片中负极活性材料硫化聚丙烯腈所占的质量比例为70wt.％～95wt.％，负极极片中导电碳和粘结剂的总占比(质量比例)为30wt.％～5wt.％。例如，负极极片中负极活性材料硫化聚丙烯腈所占的质量比例为80wt.％，负极极片中导电碳和粘结剂的总占比(质量比例)为20wt.％。总之，保证导电碳、粘结剂和负极活性材料硫化聚丙烯腈的质量比例之和为1。负极活性材料硫化聚丙烯腈的负载量可以控制在1mg/cm

在具体实施时，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，可以将负极极片和正极极片的容量比控制在1.05:1～1.2:1范围。负极极片和正极极片的容量比的计算公式为

在具体实施时，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，正极极片和负极极片中使用的导电碳可以为乙炔黑、科琴黑、碳纳米管和石墨烯中的一种或多种。正极极片和负极极片可以使用同一种导电碳，或者，正极极片和负极极片也可以使用两种不同的导电碳，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，正极极片中使用的粘结剂可以为聚偏氟乙烯(PVDF)；或者，正极极片中使用的粘结剂也可以为聚四氟乙烯(PTFE)；在此不做限定。

在具体实施时，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，负极极片中使用的粘结剂可以为羧甲基纤维素钠；或者，负极极片中使用的粘结剂也可以为海藻酸钠；或者，负极极片中使用的粘结剂也可以为聚偏氟乙烯(PVDF)；或者，负极极片中使用的粘结剂还可以为聚四氟乙烯(PTFE)；在此不做限定。

在具体实施时，在本发明提供的上述新型钾离子电池中，钾离子电池电解液可以选择由电解质盐和第一溶剂组成；其中，电解质盐可以为六氟磷酸钾(KPF

需要说明的是，本发明提供的上述新型钾离子电池，可以为扣式钾离子电池，或者，也可以为软包钾离子电池，在此不做限定。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种新型钾离子电池的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1：将导电碳、粘结剂和正极活性材料钾锰铁基普鲁士白(K

S2：将导电碳、粘结剂和负极活性材料硫化聚丙烯腈(S-PAN)按照第二预设比例混合，并加入第三溶剂搅拌均匀后，均匀涂覆在铝箔集流体或铜箔集流体上，真空干燥后得到负极极片；

S3：在水、氧含量均低于0.1ppm的手套箱中，将正极极片、钾离子电池电解液和负极极片组装成钾离子电池。

在具体实施时，在本发明提供的上述新型钾离子电池的制备方法中，当正极极片中使用的粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)时，第二溶剂为N-甲基吡咯烷酮；当正极极片中使用的粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)时，第二溶剂为异丙醇。

在具体实施时，在本发明提供的上述新型钾离子电池的制备方法中，当负极极片中使用的粘结剂为羧甲基纤维素钠时，第三溶剂为水；当负极极片中使用的粘结剂为海藻酸钠时，第三溶剂为水；当负极极片中使用的粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)时，第三溶剂为N-甲基吡咯烷酮；当负极极片中使用的粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)时，第三溶剂为异丙醇。

需要说明的是，在执行本发明提供的上述新型钾离子电池的制备方法中的步骤S1时，将导电碳、粘结剂和正极活性材料钾锰铁基普鲁士白(K

下面通过一个具体的实施例，以制备扣式钾离子电池为例，对本发明提供的上述新型钾离子电池的制备方法的具体实施进行详细说明。

第一步：将正极活性材料钾锰铁基普鲁士白(K

第二步：将负极活性材料硫化聚丙烯腈(S-PAN)、导电碳科琴黑、粘结剂羧甲基纤维素钠以质量比8:1:1比例混合，加入水搅拌均匀后，均匀涂覆在铝箔集流体上，在100℃温度下真空干燥后得到负极极片，负极活性材料的负载量为1.5mg/cm

第三步：使用组分为2.5mol/L的双氟磺酰亚胺钾盐(KFSI)溶于磷酸三乙酯(TEP)的电解液体系(2.5M KFSI-TEP)作为钾离子电池电解液。

第四步：在水、氧含量均低于0.1ppm的手套箱中，使用上述正极极片、负极极片和钾离子电池电解液组装成扣式钾离子电池。

下面使用扫描电子显微镜(SEM)表征负极活性材料硫化聚丙烯腈(S-PAN)的形貌，使用恒电流充放电测试方法表征正极活性材料、负极活性材料和所组装的全电池的循环稳定性。

图2为本发明实施例1中正极活性材料钾锰铁基普鲁士白(K

本发明提供的上述新型钾离子电池及其制备方法，利用正极活性材料钾锰铁基普鲁士白(K

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。