[发明专利]基于铋基电极的宽温区高性能电化学储能器件

说明书

本发明提供了一种基于铋基电极的宽温区高性能电化学储能器件，将制备的铋电极作为钾离子电池负极材料在低温条件下依旧展现了出色的循环稳定性，高的可逆容量和长的循环寿命。进一步地，通过将所制备的铋电极与碳进行匹配，能够在常/低温下得到能量和功率密度均高的铋基钾离子混合超级电容器。本文所述的基于铋基电极的宽温区高性能电化学储能器件具有优异的电化学性能，能够同时解决常/低温下电池可逆容量低，寿命短，及同时实现高的能量密度和功率密度的诸多问题，且适合大规模生产，是一种具有广阔应用前景的新型绿色化学电源。

技术领域

本发明涉及电化学储能技术领域，具体涉及一种基于铋基电极的宽温区高性能电化学储能器件。

背景技术

随着当今社会的迅猛发展，传统化石燃料的匮乏及其对生态环境的负面影响等问题日益突出，因此，发展可持续和可再生的新型绿色储能器件成为当前研究的热点。新规定中提出，要准确把握全球能源结构的发展趋势，并着眼低碳环保型技术的创新和实际应用，大幅度提升新能源在汽车行业的应用比例，最终构建可持续绿色发展的新模式。其中，重点提到了实现新能源汽车的规模应用，预计到2020年，全面提升电动汽车的整体品质和性能。因而，发展新能源产业必须发展高安全、长寿命、高能量密度、以及高功率的电化学储能技术和器件。

近来，由于钾资源的丰富和低成本，特别是，K/K⁺的氧化还原电势非常接近Li/Li⁺的氧化还原电势，表明钾离子混合超级电容器具有很高的工作电压和良好的能量密度。钾离子混合超级电容器由法拉第电池型负极和双电层电容正极组成，能够实现高的能量和功率密度，被认为是最有前途的下一代电化学储能设备。由于大的K⁺离子半径（1.38Å）导致动力学缓慢和体积膨胀，目前对于钾离子混合超级电容器的研究处于初级阶段。由于低温下导致差的反应动力学和慢的离子传输，导致严重的容量衰减，但目前对于宽温型钾离子电池的研究少之甚少。尤其地，开发出宽温区下具有快速反应动力学的钾离子电池负极材料及钾离子混合超级电容器未曾报道。

电极材料作为电池的重要组成部件，对于提高电池的总体性能有着至关重要的作用。因而，合理地设计出在宽温区下具有快速反应动力学的负极材料以匹配双电层型正极材料，得到高性能的钾离子混合超级电容器已成为当前研究的重点。遗憾的是，目前对于该方面的研究处于空白。

目前，Sb、Bi、P、Sn等合金基电极材料作为钾离子电池负极材料，因其具有高容量已引起广泛的关注。其中，铋(Bi)可以通过BiKBi₂K₃Bi₂K₃Bi的可逆反应提供高的理论容量(386 mAh g^-1)和高的体积容量(3800 mAh L^-1)，因此在钾离子电池中得到了广泛的研究。然而，由于Bi到K₃Bi的合金化过程将导致巨大的体积变化，达到411%，循环过程中将导致Bi粒子严重聚集，导致快速的容量衰减。因而，设计出结构稳定且反应动力学快的铋基材料已成为提高铋基钾离子电池及铋基混合超级电容器的关键。