[发明专利]一种原位表面阳离子改性的锰基水性钾离子电池

说明书

本发明提供了一种原位表面阳离子改性的锰基水性钾离子电池，其通过表面Fe原位取代Mn，具体通过原位电化学转化方法，在KCF₃SO₃改性电解液中对为基于锰的普鲁蓝类似物(KMnF)进行表面改性，将KMnF转化为KFe_xMn_1‑xF，且原位取代过程一直持续到N键上的Fe/Mn比达到一定比例。具体包含：基于锰的普鲁蓝类似物(KMnF)作为正极；3,4,9,10‑四甲酰二亚胺(PTCDI)作为负极；正负电极制备；KCF₃SO₃改性电解液包含21mol/L的KCF₃SO₃和0.2mol/L的Fe(CF₃SO₃)₂水溶液作为电解液；锰基水性钾离子电池组装；通过前几次充放电循环完成表面Fe原位取代Mn。本发明有效缓解了水性钾离子电池在充放电过程的Jahn–Teller畸变和Mn溶解，增强了电极的结构稳定性，从而获得了超稳定和高能量密度的水性钾离子电池(APIBs)。

技术领域

本发明涉及正极材料、电解液、水性钾离子电池等领域，尤其涉及一种原位表面阳离子改性的锰基水性钾离子电池。

背景技术

随着便携式电子产品数量的迅速增加以及全球电力运输和智能电网的推动，对大型，可持续，环保，安全的高能量/功率密度电化学储能设备(EESD)的需求日益增长。这方面，水性碱金属电池是有前途的存储设备，因为它们环保，成本较低且支持长循环寿命。且水性锂电池已被广泛研究并被认为是很有前景的。然而，地球上锂的储量较低可能无法满足全球对大规模锂基EESD的需求。在替代的EESD中，由于地球上钾的丰富储量，低成本，低标准电极电势(相对于普通氢电极为-2.93V)，水性钾离子电池(APIB)具有很高的吸引力。此外，在溶剂中，如碳酸亚丙酯中，与Li⁺离子相比，K⁺离子的斯托克斯半径更小，这表明K⁺离子可以实现快速动力学(高离子迁移率和离子电导率)。尽管如此，但由于其较低的能量密度和较差的循环寿命，APIBs的发展受到了很大的阻碍，这主要是因为较大的K⁺离子半径，在循环过程中会导致较大的晶格畸变和主体电极材料的粉化。因此，现有APIBs技术有待改进。

发明内容

为了降低了水性钾离子电池在充放电循环过程中的Jahn–Teller畸变和Mn溶解，增强电极的结构稳定性，从而提升水性钾离子电池的整体稳定性，本发明提供了一种原位表面阳离子改性的锰基水性钾离子电池，所述锰基水性钾离子电池，其特征在于，所述锰基水性钾离子电池的正极通过表面Fe原位取代Mn，具体通过原位电化学转化方法，即通过在KCF₃SO₃改性电解液中对为基于锰的普鲁蓝类似物(KMnF)进行表面改性，将KMnF转化为KFe_xMn_1-xF，且原位取代过程一直持续到N键上的Fe/Mn比达到一定比例。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种锰基水性钾离子电池，包含：

基于锰的普鲁蓝类似物(KMnF)作为正极；

3,4,9,10-四甲酰二亚胺(PTCDI)作为负极；

正负电极制备；

KCF3SO₃改性电解液包含21mol/L的KCF₃SO₃和0.2mol/L的Fe(CF₃SO₃)₂水溶液作为电解液；

锰基水性钾离子电池组装；

通过前几次充放电循环完成表面Fe原位取代Mn，将正极KMnF转化为KFe_xMn_1-xF；