[发明专利]预嵌钾负极、制备方法和应用、钾基双离子电池及其制备方法和用电设备

说明书

本发明属于储能器件技术领域，涉及预嵌钾负极、制备方法和应用、钾基双离子电池及其制备方法和用电设备。本发明的预嵌钾负极，包括：金属箔和形成于金属箔表面上的SEI膜层；或，金属箔和形成于金属箔表面上的钾－金属合金层；或，金属箔，形成于金属箔表面上的钾－金属合金层和SEI膜层。本发明通过预嵌钾的方式在金属负极表面生成均匀的SEI膜层和/或钾－金属合金层用以保护金属负极，能够实现均匀的钾离子扩散，有效避免电池循环过程中由于钾离子与金属负极的不均匀合金化引起的部分体积膨胀严重和电极结构破坏。此外，钾离子的提前预嵌也有效减少了负极SEI膜形成过程中的钾离子不可逆消耗，保证了电池的循环稳定性以及高比容量。

技术领域

本发明属于储能器件技术领域，具体而言，涉及预嵌钾负极、制备方法和应用、钾基双离子电池及其制备方法和用电设备。

背景技术

锂离子可充电二次电池因其高能量密度、长循环寿命、可多次使用等优势得以广泛应用，但是随着锂资源不断的开发损耗以及人们对于便携式电池的需求的日益增长，供需关系的失衡让人们逐渐意识到研发新的可充电池系统以避免对锂离子电池的过分依赖势在必行，如钠离子电池(SIBs)、钾离子电池(PIBs)、镁离子电池(MIBs)、铝离子电池(AIBs)以及双离子电池(DIBs)等。

其中，钾基双离子电池结合了钾离子电池与双离子电池各自的优点，既充分利用了成本低廉的钾离子作为储能介质，又利用了阴阳离子分别在正负极材料上嵌入和脱嵌的灵活工作模式。现有技术中，钾基双离子电池有些采用石墨电极作为正极和负极，例如公开号为 CN108630939A的中国专利，采用石墨电极作为正极和负极，避免过渡金属化合物的使用以降低成本，但是由于钾离子的尺寸较大，导致了碳材料储钾容量的局限，其可逆充放电容量过低，远远不能满足常规器件需求。

随后，金属负极材料的研发提升了全电池的容量；同时金属负极作为集流体，可在进一步提高器件能量密度的同时有效提高锂离子电池的安全性，高效电池体系电池的比能量密度高、成本低。例如先进材料中文献(Advanced Materials，2017，29(19)：1700519)最先报道了以金属箔材作为钾基双离子电池负极。首先，金属箔材可以将负极和集流体一体化，其次钾与金属负极发生的合金化反应对应着更高的理论比容量，这有效提高了电池体系的能量密度，降低了生产成本。但是金属箔材作为负极极片存在如下问题使其循环稳定性大打折扣： (1)钾离子与金属合金化过程中，负极材料反复脱嵌钾，其结构遭到破坏粉化并引起电池容量衰减；(2)粉化的金属箔材与电解液在新的界面不断反应形成的新的SEI膜，电解液以及其中的钾盐被不断消耗，同时不断增厚的SEI膜造成界面阻抗增加，库伦效率降低，电池容量衰减。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种预嵌钾负极，该负极的结构完整性或稳定性好，有助于提高库伦效率，从而提高电池的稳定性及高倍率电流下充放电性能，能够克服上述问题或者部分的解决上述问题。

本发明的第二目的在于提供一种预嵌钾负极的制备方法，该方法能够在金属箔材表面形成SEI膜层和/或钾－金属合金层，提高负极的结构完整性或稳定性，有助于提高库伦效率，从而提高电池的稳定性及高倍率电流下充放电性能，能够克服上述问题或者部分的解决上述问题。

本发明的第三目的在于提供一种预嵌钾负极或所述的预嵌钾负极的制备方法得到的预嵌钾负极在钾基双离子电池中的应用。本发明的第四目的在于提供一种钾基双离子电池。本发明的第五目的在于提供一种钾基双离子电池的制备方法。将本发明的预嵌钾负极应用在钾基双离子电池中，能够赋予钾基双离子电池循环稳定性好，库伦效率高，高倍率电流条件下充放电性能优异等特点。

本发明的第六目的在于提供一种用电设备，包括上述的钾基双离子电池。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

根据本发明的一个方面，本发明提供一种预嵌钾负极，所述负极包括：