[发明专利]一种安全可充电钾聚苯胺电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种安全可充电钾聚苯胺电池及其制备方法，其解决了现有可充电电池，存在原料成本高、操作复杂、且安全性差、由于金属锂稀少而无法经济在储能设备上得以广泛的应用、钾金属负极体积膨胀严重和枝晶生长严重的技术问题，本发明的安全可充电钾聚苯胺电池，其包括电池正极、电池负极、隔膜和电解质，其特征在于，所述电池负极为钾金属负极，所述电池正极为钾聚苯胺正极，所述电解液为有机液体电解质六氟磷酸钾盐溶液，所述电解质为交联聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物凝胶构成的聚合物‑凝胶电解质；同时还提供了其制备方法，可广泛应用于新材料技术以及新能源技术领域。

技术领域

本发明属于新材料技术以及新能源技术领域，具体涉及一种安全可充电钾聚苯胺电池及其制备方法。

背景技术

现代社会对储存在化石燃料中的能量的依赖是不可持续的。被烧毁的化石燃料不可回收,其燃烧的气态废气会造成温室效应。太阳能和风能是可持续的,可以转换成电力,但这种电力只有通过储能设备才能使用。随着锂离子电池技术的进步，具有超薄、超轻和高能量密度的固态聚合物锂离子电池和可快速充放电的磷酸亚铁锂离子电池池已相继开发出来，锂离子电池将在电子信息、新能源、动力汽车以及环境保护等领域得到更为广泛的应用。锂离子电池由于金属锂稀少而无法经济在储能设备上得以广泛的应用。现在人们普遍认为，在大规模能源存储方面，无线革命中的锂离子电池无法在经济上与化石燃料中储存的能量竞争。

锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池的主要由四个部分构成：正级、负级、电解质和隔膜。锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。

但是，成本是固定电池的首要考虑因素,锂离子电池中的锂元素在地球储量有限，仅占地壳的0.002wt.％，且回收利用困难，造成其成本较高。相比而言，钠元素和钾元素含量丰富，分别占2.36wt.％、2.09wt.％。因此开发用于固定存储电力的钠或钾电池是十分有意义的。但是，锂离子尺寸小，锂离子电池中锂离子可以在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，然而Na+和K+离子的大尺寸，限制了其用于可逆Na+或K+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌插入的选择性，所以进一步限制其在金属离子电池领域的应用。

另外,尽管钾离子储量丰富，钾的费米能级高于钠,且具有比钠离子更低的还原电位，在金属离子电池领域，理论上钾具有比钠更优良的性能，目前实际研究的锂离子电池和钠离子电池的研究已经有很多报道，并成熟化，但是关于钾离子电池的成熟的研究依然较少。到目前为止，钾离子电池的负极材料已经得到了一定的研究，其中包括碳基材料，合金材料，有机化合物等，但是这些负极材料可逆比容量低和循环稳定性差的问题严重阻碍了钾离子电池的研究和发展。在实际应用中，由于金属钾电化学活性更高，反复的电化学沉积和脱出过程会导致严重的体积膨胀和不可控的枝晶生长，导致负极表面不稳定的固态电解质膜(sei)，从而导致库伦效率降低，电化学稳定性差，甚至造成内部短路而存在着火的安全隐患，这些问题严重阻碍了金属钾负极的大规模应用。而在实际应用时的大电流工作条件下，上述这些问题会更加严重。今年来，针对设计稳定的金属钾负极，科研人员提出包括电解液成分和浓度调控，构筑人工sei和复合金属钾负极，但是都不能实现抑制枝晶生长，和缓解体积膨胀的目标。

传统的电化学沉积的制备方法，因难以控制金属钾的形貌，无法控制枝晶的生长，而难以得到高稳定和高安全性的复合钾金属负极。因此，探索一种操作简便，性能稳定的，可以有效抑制枝晶的钾金属负极显得尤为重要。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提供了一种制作成本低且安全性好，具有良好的循环稳定性、较高的库仑效率，对枝晶的抑制效果显著、满足大多数钾电池正极材料要求的，其制造设备少，工艺简单，安全可充电钾聚苯胺电池及其制备方法。