[发明专利]一种水溶液钾离子电池电容器和应用

说明书

本发明公开了一种水溶液钾离子电池电容器和应用，所述电池电容器包括：由钾基普鲁士蓝类化合物构成的正极材料、由活性炭或石墨烯构成的负极材料、高盐浓度水系电解液；钾基普鲁士蓝类化合物的通式为：K_xM_yFe(CN)₆·zH₂O，其中M为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn中的一种或几种，0＜x≤2，0＜y≤1，0≤z≤5；电解液为含钾离子的水溶液；水溶液钾离子电池电容器充电时，正极材料中的钾离子发生脱嵌反应，从正极材料中脱出，通过电解液转移，吸附在负极材料中；水溶液钾离子电池电容器放电时，钾离子从负极材料解离出，通过电解液转移，嵌回正极材料中。本发明具有长循环寿命和超高功率性能等特点，适合电动汽车、储能电网等领域。

技术领域

本发明涉及新能源储能器件技术领域，尤其涉及一种水溶液钾离子电池电容器和应用。

背景技术

随着石油资源的不断消耗和环境污染的日益加剧,发展风能、太阳能等可再生能源及电动汽车已经成为全球性的课题。在发展这些新能源过程中，储能成为限制可再生能源大规模应用的关键技术之一。在所有储能体系中，电化学储能以维护简单、转换效率高、灵活性等优点得到各国政府和学者的广泛关注。在电化学储能中锂离子电池以其高电压、高容量、长循环寿命在人们生活中得到广泛应用。已经从小的家用电器的应用到高的能量密度、大功率的应用设备，像电动汽车、国家电网。但是由于锂资源储量有限且分布不均，随着有限锂资源的逐渐消耗，锂的成本逐渐升高，锂离子电池作为大规模储能在未来肯定会受到很大限制。而钾作为和锂同一主族的碱金属元素，具有储量丰富、电极电位和锂的接近等优点。室温钾离子电池的研究因此开始得到研究人员的关注。

钾离子电池和锂离子电池工作原理类似，在非水的钾离子电池中电解液为六氟磷酸钾或者三氟甲磺酸钾溶解在有机溶液剂中，有机溶剂易挥发、熔沸点比较低、易燃、易爆，容易出现一些安全问题。从安全性能以及成本来看，水溶液钾离子电池更值得研究。目前关于水溶液钾离子二次电池的研究非常少。只有极少量报道关于普鲁士蓝化物在三电极中作为水系钾离子电池正极，而关于水系钾离子电池的全电池报道就更是少之又少。主要是因为在水系体系中，可选择的正负极材料太少，并且普通的水系电解液窗口也有很大的限制。一般的水系钾离子全电池电压不能超过1.8V，能量密度低且难以在低倍率下循环。

发明内容

本发明实施例提供了一种水溶液钾离子电池电容器和应用，其中水溶液钾离子电池电容器具有高电压(可高于1.8V)、高能量密度、高功率密度、并且可低倍率循环的性能和特点。

第一方面，本发明实施例提供了一种水溶液钾离子电池电容器，包括：

由钾基普鲁士蓝类化合物构成的正极材料、由活性炭或石墨烯构成的负极材料、高盐浓度水系电解液；所述钾基普鲁士蓝类化合物的通式为：K_xM_yFe(CN)₆·zH₂O，其中M为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn中的一种或几种，0＜x≤2，0＜y≤1，0≤z≤5；所述电解液为含钾离子的水溶液；

所述水溶液钾离子电池电容器充电时，所述正极材料中的钾离子发生脱嵌反应，从所述正极材料中脱出，通过电解液转移，吸附在所述负极材料中；

所述水溶液钾离子电池电容器放电时，所述钾离子从所述负极材料解离出，通过电解液转移，嵌回所述正极材料中

优选的，所述活性炭的比表面积在500m²/g到5000m²/g之间；所述石墨烯的比表面积在400m²/g到2630m²/g之间。