CN110534726B - 一种碘钾双离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种碘钾双离子电池及其制备方法，属于电池领域。正极活性材料为炭黑，负极材料为锌箔，电解液的溶质为碘化钾，电解液溶剂为乙二醇。首先将炭黑和粘结剂按照比例混合，然后缓慢滴入N‑甲基吡咯烷酮，研磨成浆；之后将浆料涂抹在不锈钢集流体上，真空干燥，制得正极片；最后将碘化钾溶于乙二醇，配制电解液，用锌箔作为负极，组装成软包电池。锌箔金属材料作为负极与碘离子配位时展现了稳定的开路电压和良好的循环稳定性，同时锌和电解液中的钾离子形成共享电子结构，形成碘和钾双离子电池。采用乙二醇体系的电解液，相对于水系的电解液，避免了析氢析氧反应对电极的腐蚀，极大地提高了碘离子电池的循环寿命。

Description

一种碘钾双离子电池及其制备方法
技术领域
本发明属于电池领域，提供一种新型碘钾双离子电池及其制备方法。
背景技术
近年来，由于对大规模储能的需求以及考虑商用锂电池的安全性和成本，金属离子电池得到了广泛的关注并取得了较大的进展，但是非金属离子电池却鲜有报道。氟离子电池的突破为非金属离子电池指明了方向，但由于其应用条件苛刻，以及正负极材料昂贵，因此短时间内很难被推广应用。作为和氟同一主族的元素碘，因其在海洋中储量丰富和较高的理论比容量(211mAh g-1)近年来在电池中的的应用非常广泛，但都是基于碘离子的氧化还原反应原理来提高电池的性能，基于单一碘离子插层原理的碘离子电池却并未有人报道。碘离子在碳材料的插层已经被证实可行，现在很多工作都是围绕碳材料的掺杂和改性形成多孔结构来提高碳材料的碘含量展开的。但真正涉及到碘钾双离子电池一个完整的体系的报道却没有人讨论过，因为碘钾双离子电池影响因素有很多，包括正负极材料、电解液的选取等。同时碘钾双离子电池也具备绿色、环保、成本低廉等优点，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明为了解决上述问题，我们找到了廉价的炭黑作为碘钾双离子电池的正极活性材料。在负极材料的选取方面，通过大量实验我们找到了锌箔这种金属材料作为碘钾双离子电池的负极，并且展现了较好的稳定性，这是首次提出金属负极用作碘钾双离子电池。在以往他人的工作中并未有涉及到碘钾双离子电池负极的讨论。在电解液的选取方面，我们用乙二醇作为溶剂，碘化钾作为溶质，配制不同浓度的电解液，发现浓度为1.5m时，碘离子电池性能最佳。在锌片作为碘钾双离子电池负极充电过程中，钾离子在锌负极聚集，对锌的外层电子具有吸引作用，形成锌和钾共享电子对结构，放电时钾离子远离锌负极，这样一来就形成了碘和钾双离子电池(见附图1)，主要得益于锌金属负极与钾离子的配位，能够让钾离子和碘离子同时发挥作用，这是从未有人报道的。同时乙二醇体系的电解液较水系的电解液没有析氢析氧反应，从而具有更稳定的循环寿命。该电池成本低廉也使其具有广阔的应用前景。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种碘钾双离子电池，所述碘钾双离子电池的正极活性材料为炭黑，负极材料为锌箔，电解液的溶质为碘化钾，电解液溶剂为乙二醇。
所述电解液中碘化钾的浓度为0.5～2mol/L。进一步的，所述电解液中碘化钾的浓度为1.5mol/L。
一种碘钾双离子电池的制备方法，首先将炭黑和粘结剂按照比例混合，然后缓慢滴入N-甲基吡咯烷酮NMP，研磨成浆；之后将浆料涂抹在不锈钢集流体上，真空干燥，制得正极片；最后将碘化钾溶于乙二醇，配制电解液，用锌箔作为负极，组装成软包电池。
所述的炭黑和粘结剂的质量混合比例为90:10～70:30。优选的为80:20。
所述的粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF或聚四氟乙烯PTFE，优选的为聚偏氟乙烯PVDF。
所述的N-甲基吡咯烷酮NMP与粘结剂的添加比例为粘结剂所占的质量分数为4％-8％，优选的为5％。
所述的真空干燥的条件为60℃～70℃下干燥12～15h，优选温度为60℃下干燥12h。
本发明的有益效果是：本发明提出了锌箔金属材料作为碘钾双离子电池的负极，与碘离子配位时展现了稳定的开路电压和良好的循环稳定性，同时锌还可以和电解液中的钾离子形成共享电子结构，形成碘和钾双离子电池。并且利用碘化钾在乙二醇中的高溶解度，采用了乙二醇体系的电解液，相对于水系的电解液，避免了析氢析氧反应对电极的腐蚀，从而极大地提高了碘离子电池的循环寿命。由于碘钾双离子电池所采用的电极材料以及电解液成本低廉，同时也具备绿色、环保等优点，因此具有很大的应用价值和市场前景。
附图说明
图1中(a)、(b)分别为碘钾双离子电池的原理图和充放电过程中钾离子和锌配位示意图。
图2为充电完全下，碘离子插层正极炭黑材料的X射线光电子能谱分析(XPS)图。其中(a)为主图，(b)、(c)、(d)分别为碘、炭、氧三种元素分峰图。
图3为锌箔作为碘钾双离子电池负极时的循环性能图。
具体实施方式
以下对本发明做进一步说明。
实施例1
正极由炭黑和粘结剂(聚偏氟乙烯PVDF)制成，其质量比为炭黑/PVDF＝24mg:6mg，然后缓慢滴入120mg的N-甲基吡咯烷酮(NMP)，研磨制浆。最后将浆料涂抹在50微米厚的不锈钢集流体上，放在真空干燥箱中60℃干燥12h，制得正极片。将0.83g碘化钾溶于10ml乙二醇中，配制成0.5mol/L的电解液，选取面积为3cm*3cm、厚度为50微米的锌箔作为碘钾双离子电池的负极，组装成软包电池。
实施例2
正极由炭黑和粘结剂(聚偏氟乙烯PVDF)制成，其质量比为炭黑/PVDF＝24mg:6mg，然后缓慢滴入120mg的N-甲基吡咯烷酮(NMP)，研磨制浆。最后将浆料涂抹在50微米厚的不锈钢集流体上，放在真空干燥箱中60℃干燥12h，制得正极片。将1.66g碘化钾溶于10ml乙二醇中，配制成1mol/L的电解液，选取面积为3cm*3cm、厚度为50微米的锌箔作为碘钾双离子电池的负极，组装成软包电池。
实施例3
正极由炭黑和粘结剂(聚偏氟乙烯PVDF)制成，其质量比为炭黑/PVDF＝24mg:6mg，然后缓慢滴入120mg的N-甲基吡咯烷酮(NMP)，研磨制浆。最后将浆料涂抹在50微米厚的不锈钢集流体上，放在真空干燥箱中60℃干燥12h，制得正极片。将2.49g碘化钾溶于10ml乙二醇中，配制成1.5mol/L的电解液，选取面积为3cm*3cm、厚度为50微米的锌箔作为碘钾双离子电池的负极，组装成软包电池。
实施例4
正极由炭黑和粘结剂(聚偏氟乙烯PVDF)制成，其质量比为炭黑/PVDF＝24mg:6mg，然后缓慢滴入120mg的N-甲基吡咯烷酮(NMP)，研磨制浆。最后将浆料涂抹在50微米厚的不锈钢集流体上，放在真空干燥箱中60℃干燥12h，制得正极片。将3.32g碘化钾溶于10ml乙二醇中，配制成2mol/L的电解液，选取面积为3cm*3cm、厚度为50微米的锌箔作为碘钾双离子电池的负极，组装成软包电池。

Claims (10)

1.一种碘钾双离子电池，其特征在于，所述碘钾双离子电池的正极活性材料为炭黑，负极材料为锌箔，电解液的溶质为碘化钾，电解液溶剂为乙二醇。
2.根据权利要求1所述的一种碘钾双离子电池，其特征在于，所述电解液中碘化钾的浓度为0.5～2mol/L。
3.根据权利要求1或2所述的一种碘钾双离子电池，其特征在于，所述电解液中碘化钾的浓度为1.5mol/L。
4.一种碘钾双离子电池的制备方法，其特征在于，首先将炭黑和粘结剂按照比例混合，然后缓慢滴入N-甲基吡咯烷酮NMP，研磨成浆；之后将浆料涂抹在不锈钢集流体上，真空干燥，制得正极片；最后将碘化钾溶于乙二醇，配制电解液，用锌箔作为负极，组装成软包电池。
5.根据权利要求4所述的一种碘钾双离子电池的制备方法，其特征在于，所述的炭黑和粘结剂的质量混合比例为90:10～70:30。
6.根据权利要求4或5所述的一种碘钾双离子电池的制备方法，其特征在于，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF或聚四氟乙烯PTFE。
7.根据权利要求4或5所述的一种碘钾双离子电池的制备方法，其特征在于，所述的N-甲基吡咯烷酮NMP与粘结剂的添加比例为粘结剂所占的质量分数为4％-8％。
8.根据权利要求6所述的一种碘钾双离子电池的制备方法，其特征在于，所述的N-甲基吡咯烷酮NMP与粘结剂的添加比例为粘结剂所占的质量分数为4％-8％。
9.根据权利要求4、5或8所述的一种碘钾双离子电池的制备方法，其特征在于，所述的真空干燥的条件为：60℃～70℃下干燥12～15h。
10.根据权利要求9所述的一种碘钾双离子电池的制备方法，其特征在于，所述的炭黑和粘结剂的质量混合比例为80:20；所述的N-甲基吡咯烷酮NMP与粘结剂的添加比例为粘结剂所占的质量分数为5％；所述的真空干燥的条件为：60℃下干燥12h。
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