CN106910888A - 一种钾/普鲁士蓝二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钾离子电池技术领域，具体为一种钾/普鲁士蓝二次电池。该电池是由普鲁士蓝正极，金属钾片负极，以及有机电解液和隔膜组成的电池体系。其中FeFe(CN)6电极材料用于钾离子电池中，比容量可达124mAh g‑1,电压平台为3.5 V,能量密度可达434 Wh kg‑1。该材料展示出了优异的倍率性能和循环稳定性，为钾二次电池正极材料的发展提供了很好的实验基础。

Description

一种钾/普鲁士蓝二次电池
技术领域
本发明属电化学技术领域，具体涉及一种钾/普鲁士蓝二次电池。
背景技术
如何优化可再生能源（例如风能和太阳能）的利用率。此问题成为全球关注的焦点。解决方案是使用低成本和环保的可充电电池存储可再生能源。大规模的储能需要大量的化学电源，而目前已被广泛应用的锂离子电池虽然已取得了很大的进展，但对于这些应用，不再是理想选择。因为，锂元素在地壳中的储量低，这会导致价格昂贵。相比之下，钾元素在地壳中的含量是锂元素的大约350倍，并且钾元素有着与锂相似的物理和化学性能，所以钾离子电池作为大规模储能应用的电池将会有很大优势。
但是，钾离子半径大，找到一种能使钾离子可逆嵌入脱出而结果稳定的框架材料是一项具有挑战性的工作。普鲁士蓝类材料(通式为A x M y [M'(CN)6] z ，其中A是碱金属如Li,Na，K,Rb；M'和M是过渡金属，如Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Mn,Ti)具有完整的立方晶型，其三维空间结构存在大量配位空隙,为钾离子嵌入脱出提供了有效的通道。
发明内容
本发明的目的是提供一种性能优良、价格低廉的钾/普鲁士蓝二次电池。
本发明提供的钾/普鲁士蓝二次电池，是由普鲁士蓝材料为正极，金属钾片为负极，以及电解液和隔膜组成的新的电池体系。经研究表明，普鲁士蓝作为电极材料具有良好的电化学性能，可用于制作高性能钾离子电池。目前为止没有关于普鲁士蓝粉体材料用作有机系钾离子电池电极材料的报道。
本发明提供的钾/普鲁士蓝二次电池，其制备的具体步骤为：
步骤1，正极制备：普鲁士蓝材料涂布在集流体铝箔，钛箔，铂片或泡沫镍上，烘干，得到普鲁士蓝正极；
步骤2，组装电池：将上述完成普鲁士蓝极片作为正极，以金属钾片为负极，与有机电解液、隔膜组装成电池体系。
本发明中，所述的普鲁士蓝材料为：FeFe(CN)6, CrFe(CN)6，Fe4[Fe(CN)6]3,Ti x Fe 1-x Fe(CN)6 (x:0-1)，K4Fe(CN)6，KFeFe(CN)6, KNiFe(CN)6, KCoFe(CN)6，KMnFe(CN)6,KCuFe(CN)6, KZnFe(CN)6,KCoFe(CN)6 , KTiFe(CN)6, K2CoFe(CN)6，K2NiFe(CN)6，K2CuFe(CN)6，K2ZnFe(CN)6中的一种，或其中的几种。
本发明中，所述的电解液中电解质选择自六氟磷酸钾、高氯酸钾、三氟甲基磺酸钾、二(三氟甲基磺酰)亚胺钾等中的任意一种，或其中几种。
本发明中，所述的电解液中溶剂选择二甲基乙二醚、二乙二醇二甲醚、四甘醇二甲醚，二甘醇二甲醚，碳酸二乙酯，碳酸丙烯酯，碳酸二甲酯，碳酸乙烯酯，碳酸甲基乙基酯中的任意一种，或其中几种。
本发明中，所述的隔膜是Celgrad、旭化成、东然、ENTEK等中的任意一种，或其中几种。
具体地，如以普鲁士蓝粉末材料，与导电剂气相生长碳纤维（VGCF）、粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF）按一定质量比（如7-10:1-1.2:1）混合，以N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂，用高速乳化机混合成浆后均匀涂布在集流体Al箔上，然后在一定温度（如55-70℃）的真空干燥箱中烘干（如20h-28h），备用。以金属钾片为正极，普鲁士蓝材料为正极，Celgrad 2325为隔膜，0.5-1.0 mol L-1六氟磷酸钾（KPF6）/碳酸乙烯酯(EC):碳酸二甲酯(DEC)为电解液组装成电池。
本发明中，普鲁士蓝材料的结构由X射线粉末衍射仪（XRD，Bruker D8）确定。
本发明中，普鲁士蓝电极具有良好的充放电性能，放电平台在3.5V (相对于K+/K)，材料放电容量可达125mAh g-1，并展示出来优异的循环稳定性。
上述性能表明，普鲁士蓝是一种具有很有潜力的钾电池电极材料。
附图说明
图 1为本发明实施例1中FeFe(CN)6电极材料以及实施例2中KFeFe(CN)6材料的X射线粉末衍射图。
图2为本发明实施例1中FeFe(CN)6电极材料的充放电曲线。
图3为本发明实施例2中KFeFe(CN)6材料的充放电曲线以及循环性能图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
以FeFe(CN)6粉末与导电剂碳纤维（VGCF）、粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF）按质量比8:1:1混合，以N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂，混合成浆后均匀涂布在集流体Al箔上，然后在60℃的真空干燥箱中烘干24 h，备用。以金属钾片为负极，FeFe(CN)6正极，Celgrad 2325为隔膜，0.5mol L-1六氟磷酸钾（KPF6）/碳酸乙烯酯(EC):碳酸二甲酯(DEC)为电解液组装成电池。
图1.FeFe(CN)6和KFeFe(CN)6的粉末X射线衍射图，显示本实施例中的两种普鲁士蓝类电极材料都是立方晶型，属于Fm-3m空间群，并且两种样品中均无任何杂相。
FeFe(CN)6电极材料在100 mA/g的电流下进行充放电循环，电压区间为1.5-4.0V.
图2，FeFe(CN)6的充放电曲线，图显示该电极材料放电和充电过程均有两个平台对应的是两对氧化还原过程，电压分别为 3.4/3.2和 3.6/3.4 V。该电极材料首次放电容量为114 mAh g-1,在后续循环中可达124 mAh g-1，容量的增加可能是因为电极的活化过程。说明该材料中的两个Fe3+ 都参与了电化学反应。
实施例2
以KFeFe(CN)6粉末与导电剂碳纤维（VGCF）、粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF）按质量比8:1:1混合，以N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂，混合成浆后均匀涂布在集流体Al箔上，然后在60℃的真空干燥箱中烘干24 h，备用。以金属钾片为负极，KFeFe(CN)6极片为正极，Celgrad2325为隔膜，0.5mol L-1六氟磷酸钾（KPF6）/碳酸乙烯酯(EC):碳酸二甲酯(DEC)为电解液组装成电池。
电池在100 mA/g的电流密度进行充放电循环，电压区间为2.0-4.0 V。
图3，KFeFe(CN)材料的充放电曲线及循环性能图显示该改料放电/充电平台分别是3.4 和3.5 V，展示出很小的充放电极化.首次放电容量分别为60mAh g-1，说明该材料中只有一个Fe3+有电化学活性。从循环性能图可看出材料展现出了较稳定的循环性能。
本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于多种修改和替代都将是显而易见的。本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种钾/普鲁士蓝二次电池，其特征在于，是由普鲁士蓝材料正极，金属钾片负极，以及有机电解液和隔膜组成的电池体系。
2. 根据权利要求1所述的钾/普鲁士蓝二次电池，其特征在于，所述的普鲁士蓝材料为：FeFe(CN)6, CrFe(CN)6，Fe4[Fe(CN)6]3, Ti x Fe 1-x Fe(CN)6 (x:0-1)，K4Fe(CN)6，KFeFe(CN)6, KNiFe(CN)6, KCoFe(CN)6，KMnFe(CN)6,KCuFe(CN)6, KZnFe(CN)6,KCoFe(CN)6 ,KTiFe(CN)6, K2CoFe(CN)6，K2NiFe(CN)6，K2CuFe(CN)6，K2ZnFe(CN)6中的一种，或其中的几种。
3.根据权利要求1所述的钾/普鲁士蓝二次电池，其特征在于，所述的电解液中电解质选择自六氟磷酸钾、高氯酸钾、三氟甲基磺酸钾、二(三氟甲基磺酰)亚胺钾中的一种，或其中的几种。
4.根据权利要求1所述的钾/普鲁士蓝二次电池，其特征在于，所述电解液中有机溶剂选自二甲基乙二醚、二乙二醇二甲醚、四甘醇二甲醚，二甘醇二甲醚，碳酸二乙酯，碳酸丙烯酯，碳酸二甲酯，碳酸乙烯酯，碳酸甲基乙基酯中的一种，或其中的几种。
5.根据权利要求1所述的钾/普鲁士蓝二次电池，其特征在于，所述的隔膜是Celgrad、旭化成、东然、ENTEK中的一种，或其中的几种。
6.一种如权利要求1-5之一所述的钾/普鲁士蓝二次电池的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1，正极制备：将普鲁士蓝材料涂布在集流体铝箔，钛箔，泡沫镍或铂片上，烘干，得到正极；
步骤2，组装电池：将上述完成普鲁士蓝极片作为正极，金属钾片为负极，与有机电解液、隔膜组装成电池体系。
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