CN117430832B - 一种多层钾离子凝胶电解质及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钾离子电池材料技术领域，具体为一种多层钾离子凝胶电解质及其制备方法，将2‑羟基‑2‑甲基丙烯酮和乙氧基化三甲基丙烯酮三丙烯酸酯均匀混合，随后加入一定钾离子电解液并均匀混合，得到凝胶聚合物电解质前驱体，利用紫外线固化得到光固化凝胶电解质，最后将光固化凝胶电解质浸入聚偏氟乙烯‑六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液得到多层钾离子凝胶电解质。本发明生产周期短，成本低，操作简单。制备的多层钾离子凝胶电解质具有较高的离子电导率、较好的界面稳定性和离子传输性能，可以在钾离子电池领域得到广泛的应用。
Description
技术领域
本发明属于钾离子电池材料技术领域，具体为一种多层钾离子凝胶电解质及其制备方法。
背景技术
能源的大规模储存是实现电力稳定供应的关键技术措施，同时也可有效降低温室气体排放和环境污染。目前，锂离子电池体系由于具有重量轻、能量密度高和寿命长等优势，一直以来都是作为主流储能***广泛应用于生产生活的各个领域。但多年来对于锂金属矿的过度开采利用，导致锂金属原料供不应求，降低了储能***的经济效益。因此，亟待开发出一种可以和锂离子电池体系互补，并具有安全、稳定和高比能的新型离子电池储能体系。而钾金属与锂金属所属同一主族（化学性质相似），且在地壳中丰度第八，是一种具有极高应用价值的金属离子电池储能体系。目前，关于钾离子电池的报道多是基于液态电解液的，存在安全性低、价格昂贵及钾枝晶导致的循环性能较差等问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种多层钾离子凝胶电解质及其制备方法。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种多层钾离子凝胶电解质的制备方法，包括如下步骤：
S1、将2-羟基-2-甲基丙烯酮和乙氧基化三甲基丙烯酮三丙烯酸酯均匀混合，制备紫外光固化前驱体；然后在紫外光固化前驱体中加入钾离子电解液并均匀混合，得到凝胶聚合物电解质前驱体；最后，将凝胶聚合物电解质前驱体滴在聚四氟乙烯模板上，并利用紫外线固化灯照射得到光固化凝胶电解质；
S2、将一定质量的丙酮溶液与聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物颗粒混合，剧烈搅拌，保证聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物颗粒完全溶解于丙酮溶液中，并形成均匀的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液；
S3、将光固化凝胶电解质浸入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液，取出后在通风橱静置，得到多层钾离子凝胶电解质。
作为本发明所述的一种多层钾离子凝胶电解质的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，钾离子电解液包括钾盐和有机溶剂，所述钾盐为KPF6，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯。
作为本发明所述的一种多层钾离子凝胶电解质的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，2-羟基-2-甲基丙烯酮的加入量为乙氧基化三甲基丙烯酮三丙烯酸酯质量的1%。
作为本发明所述的一种多层钾离子凝胶电解质的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，乙氧基化三甲基丙烯酮三丙烯酸酯与钾离子电解液的质量比为1:4。
作为本发明所述的一种多层钾离子凝胶电解质的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，紫外线照射时间为60s。
作为本发明所述的一种多层钾离子凝胶电解质的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，搅拌温度为60℃。
作为本发明所述的一种多层钾离子凝胶电解质的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，混合透明溶液中聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的质量分数为10%。
作为本发明所述的一种多层钾离子凝胶电解质的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，少量聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液附着于光固化凝胶表面，丙酮在室温下快速蒸发形成具有内部紧密多层结构的钾离子凝胶电解质。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种多层钾离子凝胶电解质，采用上述的多层钾离子凝胶电解质的制备方法制备得到。
一种钾离子电池，将上述的多层钾离子凝胶电解质置于正极片和负极片之间组装而成。
作为本发明所述的一种钾离子电池的优选方案，其中：所述正极片的活性物质为普鲁士蓝类似物；所述负极片为钾金属片。
作为本发明所述的一种钾离子电池的优选方案，其中：所述钾离子电池为扣式电池。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种多层钾离子凝胶电解质及其制备方法，将2-羟基-2-甲基丙烯酮和乙氧基化三甲基丙烯酮三丙烯酸酯均匀混合，随后加入一定钾离子电解液并均匀混合，得到凝胶聚合物电解质前驱体，利用紫外线固化得到光固化凝胶电解质，最后将光固化凝胶电解质浸入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液得到多层钾离子凝胶电解质。本发明生产周期短，成本低，操作简单。制备的多层钾离子凝胶电解质具有较高的离子电导率（离子电导率≥4mS/cm）、较好的界面稳定性和离子传输性能，可以在钾离子电池领域得到广泛的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的多层钾离子凝胶电解质SEM表面照片。
图2为本发明实施例1制备的多层钾离子凝胶电解质SEM截面照片。
图3为本发明实施例2制备的多层钾离子凝胶电解质用于钾离子电池时的充放电曲线。
图4为本发明实施例2制备的多层钾离子凝胶电解质用于钾离子电池时的循环曲线。
图5为对比例1液态电解液用于钾离子电池时的充放电曲线。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种多层钾离子凝胶电解质及其制备方法，凝胶电解质具有的原材料价格低廉、制备简易性和良好的机械及力学性能使其在成本可控的范围内可有效解决现有技术中的问题，可以更大程度的提高钾离子电池的循环稳定性和使用寿命。本发明具有如下优势：
1)本发明所述的制备方法简单、生产周期短，成本低，操作简单，易于大批量生产。
2）本发明在全世界范围内首次合成出多层钾离子凝胶电解质。
3）通过本发明制备的多层钾离子凝胶电解质有效防止了钾离子电池充放电过程钾枝晶的产生，提高了电极/电解质界面的稳定性，钾离子电池的运行更加的安全高效，循环稳定性更高。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
实施例1
一种多层钾离子凝胶电解质的制备方法，包括如下步骤：
S1、将0.02g的2-羟基-2-甲基丙烯酮和2g的乙氧基化三甲基丙烯酮三丙烯酸酯均匀混合，制备紫外光固化前驱体；然后在紫外光固化前驱体中加入8.08g的钾离子电解液（钾离子电解液包括钾盐和有机溶剂，所述钾盐为KPF6，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯）并均匀混合，得到凝胶聚合物电解质前驱体；最后，将50μL凝胶聚合物电解质前驱体滴在聚四氟乙烯模板上，并利用紫外线固化灯照射60s得到光固化凝胶电解质；
S2、将9g的丙酮溶液与1g的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物颗粒混合，在60℃下剧烈搅拌20min，保证聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物颗粒完全溶解于丙酮溶液中，并形成均匀的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液，混合透明溶液中聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的质量分数为10%；
S3、将光固化凝胶电解质浸入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液，取出后在通风橱静置10min，得到多层钾离子凝胶电解质。
本实施例制备的多层钾离子凝胶电解质SEM表面照片如图1所示，本实施例制备的多层钾离子凝胶电解质SEM截面照片如图2所示。
实施例2
一种多层钾离子凝胶电解质的制备方法，包括如下步骤：
S1、将0.04g的2-羟基-2-甲基丙烯酮和4g的乙氧基化三甲基丙烯酮三丙烯酸酯均匀混合，制备紫外光固化前驱体；然后在紫外光固化前驱体中加入16.16g的钾离子电解液（钾离子电解液包括钾盐和有机溶剂，所述钾盐为KPF6，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯）并均匀混合，得到凝胶聚合物电解质前驱体；最后，将50μL凝胶聚合物电解质前驱体滴在聚四氟乙烯模板上，并利用紫外线固化灯照射60s得到光固化凝胶电解质；
S2、将4.5g的丙酮溶液与0.5g的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物颗粒混合，在60℃下剧烈搅拌20min，保证聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物颗粒完全溶解于丙酮溶液中，并形成均匀的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液，混合透明溶液中聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的质量分数为10%；
S3、将光固化凝胶电解质浸入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液，取出后在通风橱静置10min，得到多层钾离子凝胶电解质。
在手套箱内，以普鲁士蓝为正极，钾金属片为负极，将实施例2制备的多层钾离子凝胶电解质置于正负极之间组装成扣式电池。将组装好的固态钾离子电池在Neware电池测试仪上进行恒流充放电测试，电流密度设置为100 mA g-1，测试电压范围为2.0~4.0V。充放电曲线如图3所示，循环曲线如图4所示，放电比容量为67 mAh g-1。当电流密度设置为500mA g-1，首圈放电比容量达到50 mAh g-1，循环100圈后容量几乎没有衰减，表现出优异的电化学性能。
对比例1
为了直观表现凝胶电解质与液态电解液（1M KPF6在碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯中的混合物为电解液）对钾离子电池性能的影响，将组装好的液态钾离子电池在Neware电池测试仪上进行恒流充放电测试，电流密度设置为100 mAg-1，测试电压范围为2.0~4.0V。充放电曲线如图5所示。放电比容量仅为43mAh g-1，且表现出更大的极化。
本发明将2-羟基-2-甲基丙烯酮和乙氧基化三甲基丙烯酮三丙烯酸酯均匀混合，随后加入一定钾离子电解液并均匀混合，得到凝胶聚合物电解质前驱体，利用紫外线固化得到光固化凝胶电解质，最后将光固化凝胶电解质浸入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液得到多层钾离子凝胶电解质。本发明生产周期短，成本低，操作简单。制备的多层钾离子凝胶电解质具有较高的离子电导率、较好的界面稳定性和离子传输性能，可以在钾离子电池领域得到广泛的应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种多层钾离子凝胶电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将2-羟基-2-甲基丙烯酮和乙氧基化三甲基丙烯酮三丙烯酸酯均匀混合，制备紫外光固化前驱体；然后在紫外光固化前驱体中加入钾离子电解液并均匀混合，得到凝胶聚合物电解质前驱体；最后，将凝胶聚合物电解质前驱体滴在聚四氟乙烯模板上，并利用紫外线固化灯照射得到光固化凝胶电解质；
S2、将一定质量的丙酮溶液与聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物颗粒混合，剧烈搅拌，保证聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物颗粒完全溶解于丙酮溶液中，并形成均匀的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液；
S3、将光固化凝胶电解质浸入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物丙酮混合透明溶液，取出后在通风橱静置，得到多层钾离子凝胶电解质。
2.根据权利要求1所述的多层钾离子凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，钾离子电解液包括钾盐和有机溶剂，所述钾盐为KPF6，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯。
3.根据权利要求1所述的多层钾离子凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，2-羟基-2-甲基丙烯酮的加入量为乙氧基化三甲基丙烯酮三丙烯酸酯质量的1%。
4.根据权利要求1所述的多层钾离子凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，乙氧基化三甲基丙烯酮三丙烯酸酯与钾离子电解液的质量比为1:4。
5.根据权利要求1所述的多层钾离子凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，紫外线照射时间为60s。
6.根据权利要求1所述的多层钾离子凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，搅拌温度为60℃。
7.根据权利要求1所述的多层钾离子凝胶电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，混合透明溶液中聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的质量分数为10%。
8.一种多层钾离子凝胶电解质，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的多层钾离子凝胶电解质的制备方法制备得到。
9.一种钾离子电池，其特征在于，将权利要求8所述的多层钾离子凝胶电解质置于正极片和负极片之间组装而成。
10.根据权利要求9所述的钾离子电池，其特征在于，所述钾离子电池为扣式电池。
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