[发明专利]一种基于混合电极的钾双离子电容电池

说明书

本发明公开了一种基于混合电极的钾双离子电容电池，所述钾双离子电容电池以软碳作为负极，混合电极作为正极，KFSI作为电解液，所述混合电极由硬碳材料和石墨材料混合而成，所述硬碳材料通过将玉米芯在绝氧环境下高温煅烧碳化获得，所述石墨材料为传统的石墨电极材料，所述混合电极中的硬碳材料占总质量的5‑35％，所述混合电极中的石墨材料占总质量的65‑95％。本发明采用混合电极同时具有电容性能和电池行为，具有高的比容量，硬碳材料通过对廉价的玉米芯进行高温碳化获得，制备工艺简单，生产成本低，制备的钾离子电容电池可以大电流的充放电，能量密度高，循环寿命长，提升电池容量。

技术领域

本发明涉及碳材料正电极及双离子电池技术领域，尤其涉及一种基于混合电极的钾双离子电容电池。

背景技术

清洁能源带动了具有成本低，环保和丰富的优点的大规模储能设备的快速发展。由于成本高和锂资源将耗尽严重阻碍了锂离子电池进一步发展；因此，各种金属离子电池如钠离子电池(SIB)，钾离子电池(PIB)，铝离子电池(AIB)，镁离子电池(MIB)，和超级电容器(SCs)作为锂离子电池(LIB)的替代品得到全面探索，根据标准电极电位Li(-3.04V对E0)，Na(-2.71V对E0)，K(-2.93V对E0)，Al(-1.66V对E0)和Mg(-2.37V vs.E0)，与SIB，AIB和MIB相比，PIB可提供更接近LIB的能量密度，这是由于K更接近于Li的标准电极电位。此外，与Na⁺相比，K⁺可以毫不费力地嵌插入石墨和其他含碳材料中。因此，考虑到低标准电极电位以及低成本和丰富的钾资源，作为大规模储能器件最有希望的候选者之一的PIB已经被广泛地研究。

我们目前已经开发的双石墨电极钾双离子电池，因为地球上钾和碳资源丰富、价格低廉，因此该钾双离子电池具有价格便宜，安全，循环稳定性好等优势。但为了进一步提升电池容量及可以实现大电流充放电，还有待开发新型的电极材料。

发明内容

为进一步提升钾双离子电池的容量，以及实现大电流充放电，以全面满足储能和动力汽车的能源需求，本发明提供了一种基于混合电极的钾双离子电容电池。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于混合电极的钾双离子电容电池，所述钾双离子电容电池以软碳作为负极，混合电极作为正极，KFSI作为电解液，所述混合电极由硬碳材料和石墨材料混合而成，所述硬碳材料通过将玉米芯在绝氧环境下高温煅烧碳化获得，所述石墨材料为传统的石墨电极材料，所述混合电极中的硬碳材料占总质量的5-35％，所述混合电极中的石墨材料占总质量的65-95％。

进一步的，所述硬碳材料的制备过程碳化温度为1000-1200℃。

进一步的，所述KFSI电解液的浓度为2-4M。

进一步的，所述电解液的溶剂为碳酸二甲酯(DME)。

由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供的混合电极同时具有电容性能(硬碳)和电池行为(石墨)，具有高的比容量：混合电极在500mA g^-1的电流密度下充放电，比容量达到了97mAh g^-1。此外，硬碳材料通过对廉价的玉米芯进行高温碳化获得，制备工艺简单，生产成本低。另外，以硬碳(电容行为)和石墨(电池行为)混合电极作为正极，软碳作为负极，KFSI作为电解液的钾离子电容电池具有如下优势：

(1)可以大电流的充放电；

(2)能量密度高，达到146Wh kg^-1；

(3)循环寿命长，超过2000次循环；

(4)采用软碳作负极，因为软碳的层间距为0.345nm，明显比石墨的层间距(0.334nm)来得大，更有利于钾离子的嵌入，从而进一步提升电池容量。