CN110085864A - 钾或锂离子电池正极片的制备方法及应用 - Google Patents

钾或锂离子电池正极片的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了钾或锂离子电池正极片的制备方法，包括以下步骤：将有机材料溶解于硫酸溶液中，然后将溶解有有机材料的硫酸溶液加入导电碳材料中，混合均匀后，将获得的混合物导入水中沉淀处理；将沉淀物进行干燥处理；向干燥后的有机材料与导电碳材料的混合物中加入粘接剂，经研磨后获得浆料；将浆料涂覆在基底上，进行烘干后获得钾或锂离子电池正极片；有机材料为苝酰二亚胺或其衍生物。本发明将有机小分子材料苝酰二亚胺或其衍生物用于钾离子电池的正极材料，提供了一种全新的钾离子电池正极材料，进一步降低了钾离子电池的生产成本；还进一步提高了钾离子电池的比容量、倍率性能和稳定性，利于促进钾离子电池的发展。

Description

钾或锂离子电池正极片的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种钾或锂离子电池正极片的制备方法及应用。
背景技术
随着锂离子电池的快速发展，负极材料和电解质的研究都取得了较大的进展，相对而言，正极材料的发展较为缓慢，商品化锂离子电池中正极材料的比容量远远小于负极材料，成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的重要因素。目前商业化锂离子电池由于锂资源存量有限，正极含锂材料成本高昂、污染环境，难以大规模开展储能应用。当务之急是开发成本低廉、性能出色的其他二次电池体系。
二次电池体系中，钾离子电池由于钾元素储量极其丰富，电化学性能与锂离子电池相近，是具有潜力的新型二次电池体系。然而，钾离子半径大和质量大，给钾离子电池电极材料与电解质材料开发提出新的挑战。
由于有机材料成本极其低廉，在钾离子电池中使用具有电化学活性的有机电极材料能进一步降低钾离子电池生产成本。但是当前，适用于钾离子电池的无机正负极材料都极其稀少，适用于钾离子电池的有机正极材料也极其稀少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：适用于钾离子电池的有机正极材料极其稀少，本发明提供了解决上述问题的钾或锂离子电池正极片的制备方法及应用，提供一种有机小分子正极材料苝酰二亚胺(PTCDI)在钾离子电池的应用。
本发明通过下述技术方案实现：
钾或锂离子电池正极片的制备方法，包括以下步骤：
步骤A，将有机材料溶解于硫酸溶液中，然后将溶解有有机材料的硫酸溶液加入导电碳材料中，混合均匀后，将获得的混合物导入水中沉淀处理；
步骤B，将步骤A获得的沉淀物进行干燥处理；
步骤C，向干燥后的有机材料与导电碳材料的混合物中加入粘接剂，经研磨后获得浆料；
步骤D，将步骤C所得浆料涂覆在基底上，进行烘干后获得钾或锂离子电池正极片；
所述有机材料为苝酰二亚胺或其衍生物。
进一步地，所述有机材料、导电碳材料和粘接剂的质量配比为：有机材料60wt％～80wt％，导电碳材料10～30wt％，粘接剂10wt％。
进一步地，所述导电碳材料包括乙炔黑或super P。
进一步地，所述硫酸溶液的浓度为2M～10M。
进一步地，所述硫酸溶液的浓度为3M～5M。
进一步地，所述步骤A中，将溶解有有机材料的硫酸溶液加入导电碳材料中，依次经搅拌和超声处理进行混合均匀。
进一步地，所述步骤B中，干燥温度为90～110℃
进一步地，所述步骤D中，将步骤C所得浆料涂覆在铝箔上，在50～70℃温度条件下进行烘干。
钾或锂离子电池，包括上述的正极片。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明将有机小分子材料苝酰二亚胺(PTCDI)或其衍生物用于钾或锂离子电池的正极材料，提供了一种全新的钾或锂离子电池正极材料，进一步降低了钾或锂离子电池的生产成本，利于促进钾或锂离子电池的发展；
2、本发明采用苝酰二亚胺(PTCDI)或其衍生物为正极材料制备钾或锂离子电池正极片及钾或锂离子电池，获得一种高容量、高能量密度、高倍率性能和高稳定性的钾离子电池，此外，未见具备快速充放电性能(高倍率性能，>30C)的有机钾或锂离子电池正极材料相关报道。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的钾离子半电池中的充放电曲线；
图2为本发明的钾离子半电池在小电流密度条件下的循环测试图；
图3为本发明的钾离子半电池在大电流密度条件下的循环测试图；
图4为本发明的钾离子半电池的倍率性能；
图5为本发明锂离子电池循环性能测试图；
图6为本发明的钾离子全电池在小电流密度条件下的循环测试图；
图7为分别采用有粘接剂法和无粘接剂法制备钾离子电池循环性能侧视图；
图8为对比例2循环测试图；
图9为对比例3循环测试图；
图10为对比例4循环测试图；
图11为对比例5循环测试图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供一种钾或锂离子电池正极片，通过以下步骤制备：
步骤1，先将PTCDI溶解在硫酸水溶液中，硫酸水溶液浓度为3M；然后向溶解有PTCDI的硫酸溶液中加入乙炔黑；进行搅拌1h，再超声30min，混合均匀；最后将混合物导入大量水中沉淀出；过滤获得沉淀物在100℃温度条件下进行干燥；PTCDI和导电碳材料的重量比70:20wt％。
步骤2，称取干燥后的PTCDI和导电碳材料混合物，放入玛瑙研钵中，加入质量分数为10％的粘结剂，研磨30min，得浆料；
步骤3，将所得浆料均匀涂布在铝箔上，在60℃条件下进行烘干，然后用直径为12mm的打孔机打孔，制得PTCDI电极片。
实施例2
本实施例提供一种钾或锂离子电池正极片，通过以下步骤制备：
步骤1，先将PTCDI溶解在硫酸水溶液中，硫酸水溶液浓度为5M；然后向溶解有PTCDI的硫酸溶液中加入乙炔黑；进行搅拌1h，再超声30min，混合均匀；最后将混合物导入大量水中沉淀出；过滤获得沉淀物在95℃温度条件下进行干燥；PTCDI和导电碳材料的重量比60:30wt％。
步骤2，称取干燥后的PTCDI和导电碳材料混合物，放入玛瑙研钵中，加入质量分数为10％的粘结剂，研磨30min，得浆料；
步骤3，将所得浆料均匀涂布在铝箔上，在50℃条件下进行烘干，然后用直径为12mm的打孔机打孔，制得PTCDI电极片。
实施例3
本实施例提供一种钾或锂离子电池正极片，通过以下步骤制备：
步骤1，先将PTCDI溶解在硫酸水溶液中，硫酸水溶液浓度为10M；然后向溶解有PTCDI的硫酸溶液中加入乙炔黑；进行搅拌1h，再超声30min，混合均匀；最后将混合物导入大量水中沉淀出；过滤获得沉淀物在110℃温度条件下进行干燥；PTCDI和导电碳材料的重量比80:10wt％。
步骤2，称取干燥后的PTCDI和导电碳材料混合物，放入玛瑙研钵中，加入质量分数为10％的粘结剂，研磨30min，得浆料；
步骤3，将所得浆料均匀涂布在铝箔上，在65℃条件下进行烘干，然后用直径为12mm的打孔机打孔，制得PTCDI电极片。
实施例4
本实施例提供一种钾离子电池，采用实施例1提供的正极片制备钾离子电池。将PTCDI电极片应用到钾离子全电池或半电池中，全电池包括PTCDI电极片、负极电极片、正负极电池壳、隔膜、电解液、弹片和垫片。纽扣式半电池包括PTCDI电极片、正负极电池壳、隔膜、电解液、纯金属钾薄片、弹片和垫片。在惰性气氛下组装纽扣式钾离子半电池，顺序依次为正极壳、金属钾薄片、PP隔膜、电解液、PTCDI电极片、垫片、弹片和负极壳。在电解液中，溶剂为EC(碳酸乙烯酯)/DMC(碳酸二甲酯)，溶质为1M的potassium bis(fluorosulfonyl)imide(KFSI)。
实施例5
本实施例提供一种锂离子电池，采用实施例1提供的正极片制备锂离子电池。将PTCDI电极片应用到锂离子全电池或半电池中，全电池包括PTCDI电极片、负极电极片(如石墨)、正负极电池壳、隔膜、电解液、弹片和垫片。纽扣式半电池包括PTCDI电极片、正负极电池壳、隔膜、电解液、纯金属钾薄片、弹片和垫片。在惰性气氛下组装纽扣式钾离子半电池，顺序依次为正极壳、金属钾薄片、PP隔膜、电解液、PTCDI电极片、垫片、弹片和负极壳。在电解液中，溶剂为EC(碳酸乙烯酯)/DMC(碳酸二甲酯)，溶质为1M的LiPF6(六氟磷酸锂)。
对比例1
本对比案例提供一种钾或锂电池正极片，具体制备方法如下：
步骤1，先将PTCDI溶解在硫酸水溶液中，硫酸水溶液浓度为3M；然后向溶解有PTCDI的硫酸溶液中加入导电碳材料；进行搅拌1h，再超声30min，混合均匀；最后将混合物导入大量水中沉淀出；过滤获得沉淀物在110℃温度条件下进行干燥；PTCDI和导电碳材料的重量比70:20wt％；
步骤2，称取干燥后的PTCDI和导电碳材料混合物，放入玛瑙研钵中，研磨30min，得浆料；
步骤3，将所得浆料均匀涂布在铝箔上，在65℃条件下进行烘干，然后用直径为12mm的打孔机打孔，制得PTCDI电极片。
对比例2
基于实施例1提供的方案，区别在于，步骤1中，采用浓度为3M的盐酸溶液溶解PTCDI。
对比例3
基于实施例1提供的方案，区别在于，步骤1中，采用浓度为5M的硝酸溶液溶解PTCDI。
对比例4
基于实施例1提供的方案，区别在于，步骤1中，采用浓度为1M的硫酸溶液溶解PTCDI。
对比例5
基于实施例1提供的方案，区别在于，步骤1中，采用浓度为18M的硫酸溶液溶解PTCDI。
性能测试：
从图1中可看出，PTCDI在钾离子电池中展现出130～150mAh·g-1的实际比容量；
从图2中可看出，在100mA·g-1的小电流密度条件下，PTCDI展现出非常出色的循环稳定性，表现出～156mAh·g-1的实际比容量；
从图3中可看出，在4A·g-1(>20C)的大电流密度条件下，PTCDI展现出稳定的～120mAh·g-1的实际比容量；
从图4中可看出，在10A·g-1(>70C)的超大电流密度条件下，PTCDI展现出～80mAh·g-1的实际比容量。
通过电池性能证明PTCDI是一种在钾离子电池中具备高容量、高倍率性能、高稳定性的有机小分子正极材料，上述这些性能是目前有机小分子材料在钾离子电池的最优表现。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.钾或锂离子电池正极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，将有机材料溶解于硫酸溶液中，然后将溶解有有机材料的硫酸溶液加入导电碳材料中，混合均匀后，将获得的混合物导入水中沉淀处理；
步骤B，将步骤A获得的沉淀物进行干燥处理；
步骤C，向干燥后的有机材料与导电碳材料的混合物中加入粘接剂，经研磨后获得浆料；
步骤D，将步骤C所得浆料涂覆在基底上，进行烘干后获得钾或锂离子电池正极片；
所述有机材料为苝酰二亚胺或其衍生物。
2.根据权利要求1所述的钾或锂离子电池正极片的制备方法，其特征在于，所述有机材料、导电碳材料和粘接剂的质量配比为：有机材料60wt％～80wt％，导电碳材料10～30wt％，粘接剂10wt％。
3.根据权利要求1所述的钾或锂离子电池正极片的制备方法，其特征在于，所述导电碳材料包括乙炔黑或super P。
4.根据权利要求1所述的钾或锂离子电池正极片的制备方法，其特征在于，所述硫酸溶液的浓度为2M～10M。
5.根据权利要求4所述的钾或锂离子电池正极片的制备方法，其特征在于，所述硫酸溶液的浓度为3M～5M。
6.根据权利要求1所述的钾或锂离子电池正极片的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，将溶解有有机材料的硫酸溶液加入导电碳材料中，依次经搅拌和超声处理进行混合均匀。
7.根据权利要求1所述的钾或锂离子电池正极片的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，干燥温度为90～110℃。
8.根据权利要求1所述的钾或锂离子电池正极片的制备方法，其特征在于，所述步骤D中，将步骤C所得浆料涂覆在铝箔上，在50～70℃温度条件下进行烘干。
9.钾或锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的正极片。
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