CN108428938B - 一种全固态钾离子电池电解质及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全固态钾离子电池电解质及其制备方法，属于固态电解质制备领域。所述电解质包括：50%‑85%的具有导钾离子能力的聚合物、15%‑50%钾盐、0%‑50%纳米填充物；所述纳米填充物包括：SiO2、Al2O3中的一种或两种；所述具有导钾离子能力的聚合物为：聚碳酸亚丙酯。本发明制备的固态电解质电池与有机正极材料有较好的界面兼容性，有效避免了电解质与电极之间的界面副反应；同时，本发明的电解与正极材料的界面阻抗低，有效提高了电池的电化学性能。

Description

一种全固态钾离子电池电解质及其制备方法
技术领域
本发明属于固态电解质制备领域，尤其涉及一种全固态钾离子电池电解质及其制备方法。
背景技术
近年来，钠离子、钾离子、镁离子等新型二次电池由于与锂离子电池具有相似的电化学原理而受到研究者的关注。其中钾离子电池具有资源丰富、低成本的优势，通式K/K+具有最接近Li/Li+的标准氧化还原电势而使得钾离子电池能呈现高的能量密度。
现阶段，液态钾离子电池所用的碳酸酯溶剂主要包括碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯等以及他们的混合溶剂等，属于液态电解质。然而，液态电解液易挥发，在钾电池工作过程中易分解产生气体，容易引发钾电池燃烧、爆炸等一系列安全问题，同时，液态电解质在使用过程中与电极接触后容易产生不良界面反应，对钾电池的电化学性能产生严重的影响；另外，液态电解质电池对外壳具有较高的要求。因此，解决钾电池的电解液问题，不仅可以解决钾电池的安全性问题，还可以使钾离子电池取代锂电池而得到广泛应用，这对进一步推进钾离子电池的产业化应用具有十分重要的现实意义。
综上，现有的钾离子电池的电解质仍然存在安全、电化学性能等方面的问题，因此，有必要开发一种新的钾离子电池电解质。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种全固态钾离子电池电解质及其制备方法；本发明制备的固态电解质与电池有机正极材料有较好的界面兼容性，有效避免了电解质与电极之间的界面副反应；同时，本发明的电解与正极材料的界面阻抗低，有效提高了电池的电化学性能。
本发明的目的之一是提供一种全固态钾离子电池电解质。
本发明的目的之二是提供一种全固态钾离子电池电解质的制备方法。
本发明的目的之三是提供一种全固态钾离子电池。
本发明的目的之四是提供全固态钾离子电池电解质法及其制备方法以及全固态钾离子电池的应用。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种全固态钾离子电池电解质，所述电解质包括：具有导钾离子能力的聚合物、钾盐、纳米填充物；其中，所述纳米填充物包括：SiO2、Al2O3中的一种或两种；所述具有导钾离子能力的聚合物为：聚碳酸亚丙酯(PPC)，结构通式如下：
所述盐为KBF4、KPF6、KFSI、KTFSI中的至少一种。
所述具有导钾离子能力的聚合物的质量分数为50％-85％。
所述钾盐的质量分数为15％-50％。
所述纳米填充物的质量分数为0％-50％。
优选的，所述聚碳酸亚丙酯的分子量为5万-60万。
其次，本发明公开了一种全固态钾离子电池电解质的制备方法：将钾盐、聚合物溶于溶剂中后加入纳米填充物，混合均匀得到粘液，两步干燥，即得固态电解质薄膜。
所述两步干燥为：在鼓风干燥箱中，70℃下干燥12-24h，然后转移至真空干燥箱中，60℃下干燥8-16h。
所述溶剂为乙腈和四氢呋喃中的至少一种。
再次，本发明公开了一种全固态钾离子电池，包括由正极、负极、本发明制备的全固态钾离子电池电解质；所述正极包括正极活性材料、集流体，导电剂以及粘结剂；所述负极包括负极活性材料、集流体，导电剂以及粘结剂。
优选的，所述正极活性材料为3，4，9，10-苝四甲酸二酐(PTCDA)。
最后，本发明公开了全固态钾离子电池电解质法及其制备方法以及全固态钾离子电池在汽车、电动车中的应用。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明制备固态电解质所用的聚合物原料(PPC)生物降解性好、绿色环保、低毒性，且本发明的制备工艺简单，成本低。
(2)本发明的固态电解质与电池有机正极材料有较好的界面兼容性，尤其是与本正极材料(3，4，9，10-苝四甲酸二酐)之间能够形成良好的界面接触，且界面阻抗低。
(3)本发明的固态电解质具有室温可用、循环性好等优点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例制备的全固态钾离子电池在室温20℃的循环测试图。该固态钾离子电池在室温条件下具有优异的循环性能，循环70周后还具有39.8mAh g-1的容量，容量保持率为92.77％。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所述，现有的钾离子电池的电解质仍然存在安全、电化学性能等方面的问题，因此，本发明提出了一种全固态钾离子电池电解质及其制备方法，现结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步说明。
实施例1
1、一种本发明公开了全固态钾离子电池电解质，所述电解质由0.72g KTFSI，2gPPC(Mn＝50000)组成。
2、一种全固态钾离子电池电解质的制备方法：将0.72g KTFSI、2g PPC(Mn＝50000)溶于10ml乙腈中，混合均匀得到粘液，将粘液置于聚四氟乙烯模具中后，先在鼓风干燥箱中70℃下干燥12h，然后转移至真空干燥箱中，60℃下干燥16h，即得。
3、一种全固态钾离子电池，包括由正极、负极、本实施例制备的电解质；所述正极包括：3，4，9，10-苝四甲酸二酐(PTCDA)、乙炔黑、PVDF以及铝箔，其中3，4，9，10-苝四甲酸二酐(PTCDA)、乙炔黑、PVDF的质量比为7：1：2；负极为金属钾箔。
实施例2
1、一种本发明公开了全固态钾离子电池电解质，所述电解质由1g KFSI、1.7g PPC(Mn＝500000)、0.2g纳米SiO2组成。
2、一种全固态钾离子电池电解质的制备方法：将1g KFSI、1.7g PPC(Mn＝500000)溶于10ml四氢呋喃中，然后加入0.2g纳米SiO2，混合均匀得到粘液，将粘液置于聚四氟乙烯模具中后，先在鼓风干燥箱中70℃下干燥20h，然后转移至真空干燥箱中，60℃下干燥12h，即得。
3、一种全固态钾离子电池，同实施例1，区别在于：所述电解质由本实施例制备。
实施例3
1、一种本发明公开了全固态钾离子电池电解质，所述电解质由1.2g KPF6、2.4gPPC(Mn＝300000)、0.4g纳米Al2O3组成。
2、一种全固态钾离子电池电解质的制备方法：将1.2g KPF6、2.4g PPC(Mn＝300000)溶于10ml乙腈中，然后加入0.4g纳米Al2O3，混合均匀得到粘液，将粘液置于聚四氟乙烯模具中后，先在鼓风干燥箱中70℃下干燥18h，然后转移至真空干燥箱中，60℃下干燥14h，即得。
3、一种全固态钾离子电池，同实施例1，区别在于：所述电解质由本实施例制备。
实施例4
1、一种本发明公开了全固态钾离子电池电解质，所述电解质由1.2g KBF4、2.4gPPC(Mn＝200000)、0.3g纳米Al2O3组成。
2、一种全固态钾离子电池电解质的制备方法：将1.2g KBF4、2.4g PPC(Mn＝200000)溶于10ml乙腈中，然后加入0.3g纳米Al2O3，混合均匀得到粘液，将粘液置于聚四氟乙烯模具中后，先在鼓风干燥箱中70℃下干燥18h，然后转移至真空干燥箱中，60℃下干燥14h，即得。
3、一种全固态钾离子电池，同实施例1，区别在于：所述电解质由本实施例制备。
实施例5
1、一种本发明公开了全固态钾离子电池电解质，所述电解质由0.6g KBF4、2.0gPPC(Mn＝600000)、1.4g纳米Al2O3组成。
2、一种全固态钾离子电池电解质的制备方法：将0.6g KBF4、2.0g PPC(Mn＝600000)溶于10ml乙腈中，然后加入1.4g纳米Al2O3，混合均匀得到粘液，将粘液置于聚四氟乙烯模具中后，先在鼓风干燥箱中70℃下干燥24h，然后转移至真空干燥箱中，60℃下干燥8h，即得。
3、一种全固态钾离子电池，同实施例1，区别在于：所述电解质由本实施例制备。
实施例6
1、一种本发明公开了全固态钾离子电池电解质，所述电解质由0.6g KBF4、3.4gPPC(Mn＝60000)组成。
2、一种全固态钾离子电池电解质的制备方法：将0.6g KBF4、3.4g PPC(Mn＝60000)溶于10ml乙腈中，混合均匀得到粘液，将粘液置于聚四氟乙烯模具中后，先在鼓风干燥箱中70℃下干燥24h，然后转移至真空干燥箱中，60℃下干燥8h，即得。
3、一种全固态钾离子电池，同实施例1，区别在于：所述电解质由本实施例制备。
实施例7
1、一种本发明公开了全固态钾离子电池电解质，所述电解质由2.0g KBF4、1.0gPPC(Mn＝100000)、1.0g纳米Al2O3组成。
2、一种全固态钾离子电池电解质的制备方法：将2.0g KBF4、1.0g PPC(Mn＝100000)溶于10ml乙腈中，然后加入1.0g纳米Al2O3，混合均匀得到粘液，将粘液置于聚四氟乙烯模具中后，先在鼓风干燥箱中70℃下干燥20h，然后转移至真空干燥箱中，60℃下干燥13h，即得。
3、一种全固态钾离子电池，同实施例1，区别在于：所述电解质由本实施例制备。
实施例8
1、一种本发明公开了全固态钾离子电池电解质，所述电解质由1.0g KBF4、1.0gPPC(Mn＝80000)、2.0g纳米Al2O3组成。
2、一种全固态钾离子电池电解质的制备方法：将1.0g KBF4、1.0g PPC(Mn＝80000)溶于10ml乙腈中，然后加入2.0g纳米Al2O3，混合均匀得到粘液，将粘液置于聚四氟乙烯模具中后，先在鼓风干燥箱中70℃下干燥22h，然后转移至真空干燥箱中，60℃下干燥10h，即得。
3、一种全固态钾离子电池，同实施例1，区别在于：所述电解质由本实施例制备。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全固态钾离子电池电解质，其特征在于：所述电解质包括：具有导钾离子能力的聚合物、钾盐、纳米填充物；
所述钾盐为KBF4、KPF6、KFSI、KTFSI中的至少一种；
所述纳米填充物包括：SiO2、Al2O3中的一种或两种；
所述具有导钾离子能力的聚合物为：聚碳酸亚丙酯，结构通式如下：
Figure FDA0002207238920000011
所述具有导钾离子能力的聚合物的质量分数为50％-85％；
所述钾盐的质量分数为15％-50％；
所述纳米填充物的质量分数为0％-50％；
所述聚碳酸亚丙酯的分子量为5万-60万。
2.如权利要求1所述的全固态钾离子电池电解质的制备方法，其特征在于：所述方法包括：将钾盐、聚合物溶于溶剂中后加入纳米填充物，混合均匀得到粘液，两步干燥，即得。
3.如权利要求2所述的全固态钾离子电池电解质的制备方法，其特征在于：所述两步干燥为：在鼓风干燥箱中，70℃下干燥12-24h，然后转移至真空干燥箱中，60℃下干燥8-16h；所述溶剂为乙腈和四氢呋喃中的至少一种。
4.一种全固态钾离子电池，其特征在于：包括如权利要求1所述的电解质。
5.如权利要求4所述的全固态钾离子电池，其特征在于：所述电池还包括正极与负极，所述正极包括正极活性材料、集流体，导电剂以及粘结剂；所述负极包括负极活性材料、集流体，导电剂以及粘结剂。
6.如权利要求5所述的全固态钾离子电池，其特征在于：所述正极活性材料为3，4，9，10-苝四甲酸二酐。
7.如权利要求4-6任一项所述的全固态钾离子电池在汽车、电动车中的应用。
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