[发明专利]一种耐高压醚类钾离子凝胶电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种耐高压醚类钾离子凝胶电解质及其制备方法和应用，该凝胶电解质由聚合物单体、引发剂和醚类钾离子液态电解质均匀混合后的聚合前驱液在紫外光辐射条件下聚合得到；制备方法包括：将KPF₆、二乙二醇二甲醚、单体ETPTA和光引发剂HMPP按预设比例混合均匀后得到聚合前驱液；将多孔薄膜浸泡在所述的光聚合前驱液中，使之充分吸收前驱液；将所述充分吸收前驱液的薄膜取出后，用紫外光辐射固化，得到醚类钾离子凝胶电解质。本发明还公开了该醚类钾离子凝胶电解质在钾金属或者钾离子电池领域的应用，由于凝胶电解质在保持相对较高离子电导率的同时实现了高电压下更高的氧化稳定性，可以显著减少电池充放电过程中的副反应，从而有效提高钾金属或者钾离子电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及耐高压醚类钾离子凝胶电解质及其制备方法和应用，属于钾电池电解质技术领域。属于电化学、材料学、能源等领域，主要用于有机体系钾金属电池、钾离子电池(或者其他混合电化学储能器件)等。

背景技术

随着“新能源”相关产业的快速增长，对能源存储提出了越来越高的需求，作为储能系统中的佼佼者，锂离子电池在近几十年已经取得了长足的发展并占据了市场相当大的份额。但是，随之而来的问题也越来越明显，锂离子电池的能量密度已经快到达理论极限，更重要的是锂资源短缺会导致锂离子电池成本上升并严重限制其在更大范围内的使用，据统计，碳酸锂的价格在一年内竟上涨近7倍。因此有必要寻找新的有潜力的储能体系来打破锂离子电池的局限性并与锂离子电池共同承担未来更大规模的能源存储重任。作为与锂同一主族的钾元素，在地球上储量丰富且分布均匀，钾金属、碳酸钾以及钾的层状氧化物等都比锂的化合物便宜许多。钾离子电池也有着与锂离子电池相似的“摇椅式”储能机理，可以借鉴锂离子电池的研究经验开发新材料或者对现有材料体系进行改性。钾的氧化还原电位几乎与锂相同，有利于构建高电压器件从而实现更高的能量密度。并且钾离子更弱的路易斯酸度使其溶剂化离子半径更小，在电解质中有着更快的离子扩散速率，更易于实现具有高速充放电性能的器件。尽管如此，钾离子电池体系仍然面临一些严峻的挑战并减缓了它们的实际应用进展。半径更大的钾离子使得钾离子电池在充电/放电过程中有着比其他碱金属离子电池更显著的体积变化，这将导致电极结构的不稳定从而降低电池循环寿命。此外，由于K⁺/K更高的氧化还原电位，钾离子电池对电解质的抗氧化能力提出了更高的需求，常规的液态钾离子电池电解质在高电压下通常会发生显著的分解并带来一些寄生反应，即使是氧化稳定性相对较高的酯类电解质，而氧化稳定性较差的醚类电解质分解则更为严重，甚至无法实现正常充放电。另一方面，电解质持续氧化分解产生的副产物在电极表面沉积会不断增大电极/电解质间的界面阻抗，从而导致容量衰减。

现有技术主要采取电解液添加剂或者单纯提高盐浓度等策略来提高电解质的氧化稳定性，这些策略有所成效但改善程度有限，这主要归因于添加剂可能与电极不兼容从而带来其他的副反应，以及部分钾盐如KPF₆在溶剂中的溶解性有限难以实现更高浓度的电解质，而对于KFSI等溶解性更好的盐则价格高昂，且高压下对集流体腐蚀严重。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供耐高压醚类钾离子凝胶电解质及其制备方法和应用，旨在解决现有的钾离子电池液态电解质氧化稳定性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种耐高压醚类钾离子凝胶电解质的制备方法，包含如下步骤：

(1)将聚合物单体、引发剂和醚类钾离子液态电解质混合均匀后得到聚合前驱液；

(2)将多孔薄膜浸泡在步骤(1)中的聚合前驱液中，使之充分吸收前驱液；

(3)将步骤(2)中充分吸收前驱液的薄膜取出后，用紫外光辐射固化，得到醚类钾离子凝胶电解质。

一种钾离子凝胶电解质一体化的钾离子正极材料的制备方法，包含如下步骤：

(1)将聚合物单体、引发剂和醚类钾离子液态电解质混合均匀后得到聚合前驱液；