一种改性有机电极材料和匹配电解液在钾离子半电池中的应用

本发明属于有机电极材料和电解液，具体涉及一种改性有机电极材料和匹配电解液在钾离子半电池中的应用。

背景技术：

1、从便携式设备到大规模电网系统，对高能量密度和长循环寿命的可持续储能设备的需求急剧增加。锂资源的枯竭限制了可充电锂离子电池的发展，这是当今社会面临的重大挑战。钾离子电池得益于地壳中高存储含量的钾，与锂离子电池相似的储能机制，以及较低的标准氧化还原电位(k+/k为-2.93v)，是低成本、高能量密度储能系统的有力候选技术。不幸的是，大半径的k+导致在反复插入/脱嵌过程中动力学缓慢，并且会造成无机电极材料严重的体积膨胀，进一步降低了钾离子电池的循环稳定性。

2、开发高稳定性和低成本的电极材料以适应k+的可逆循环过程中造成的体积膨胀问题，是提高钾离子电池性能的主要目标。有机负极材料以丰富性、可持续性、结构可设计性和易降解等特点，在二次电池领域受到广泛关注。值得注意的是，由于有机分子中存在较弱的分子间力，大尺寸k+引起的负极材料结构稳定性降低的问题得到显著缓解。有机分子含有作为氧化还原活性位点的官能团，赋予存储k+的潜力，如c＝o，c＝n和n＝n。然而，有机负极在电解液中存在着高溶解度和差离子电导率问题，导致组装相应的电池循环寿命和库仑效率不理想。广泛的实验研究表明，上述缺陷可以从构建稳定的有机分子结构和调节电解液的组成和性质两个方面来解决。尽管已经提出了一些的策略来解决这些挑战：通过修饰活性位点来改善电极材料的性能，或者通过优化固体电解质界面层(sei)来减少有机活性物质的溶解，或者通过聚合、扩展共轭体系、共价接枝和与导电碳材料复合来增强电池的循环稳定性。但是，目前有机负极材料的改性策略不足以满足高性能钾离子电池的发展。此外，这些改进的策略具有复杂的设计和合成过程，大大增加了生产成本，降低了生产效率。利用弱分子间相互作用为解决这些问题提供了显著的优势。

3、本专利提出了一种简单有效的熔融-再凝固策略来设计对氟苯甲酸/cmk3复合材料(4fa/cmk3)(cmk3是一种有序介孔碳)，这是一种通过非共价力修饰的有机活性物质，具有高稳定性，高容量和优异动力学性能。高导电性的cmk3与4fa的协同作用改善了有机小分子本身的低导电性，将显著提高组装电池的电化学性能。调节电解液的组成和性质来改善与4fa/cmk3复合材料的适配性。通过筛选出最优电解液，进一步促进了其表面稳定界面相的衍生，缓解了有机分子在电解液中的溶解问题，提高了循环稳定性。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种改性有机电极材料和匹配电解液在钾离子半电池中的应用。

2、实现本发明目的的技术解决方案是：

3、一种改性有机电极材料和匹配电解液在钾离子半电池中的应用，其特征在于，钾离子半电池包括钾金属、改性有机负极材料、电解液；改性有机负极材料的制备将4fa与cmk3在高温下进行熔融-再凝固，得到4fa/cmk3复合材料；电解液为双氟磺酰亚胺钾盐(kfsi)基电解液。

4、所述改性有机负极材料和匹配电解液在钾离子半电池中的应用，前驱体的制备：4fa与cmk3等质量混合，并且进行充分的研磨；随后，将混合物置于氩气环境中加热熔融。

5、所述改性有机负极材料和匹配电解液在钾离子半电池中的应用，高温熔融温度为182℃，时间为10h。

6、所述改性有机负极材料和匹配电解液在钾离子电池中的应用，使用三种性质不同的溶剂：选用弱溶剂化溶剂乙二醇二甲醚(dme)、四氢呋喃(thf)，以及混合酯基溶剂碳酸乙烯酯+碳酸二甲酯+碳酸二乙酯(ec+dmc+dec)(体积比1∶1∶1)。

7、改性有机负极材料和匹配电解液在钾离子电池中的应用，电解液的制备：在充满氩气的手套箱中，分别向三种溶剂dme、thf、ec+dmc+dec中加入kfsi，搅拌均匀后得到钾离子电池电解液，浓度为1-4mol/l(m)。

8、相比于现有技术，本发明的有益效果为：

9、本发明在改性有机负极材料时使用简单有效的熔融-再凝固策略，通过非共价力交联改性有机活性物质，抑制了有机活性物质的溶解问题。高导电性cmk3与4fa的协同作用改善了有机小分子本身存在的低电导率问题。

10、由于有机小分子易溶于有机电解液的特性以及较多的副分解反应会导致电化学性能的下降，因而需要在对电极材料改性同时兼顾电解液的设计优化；本发明电解液含有钾盐和溶剂，三种溶剂分别为dme，thf，ec+dmc+dec，钾盐为kfsi，钾盐浓度为1、2、3和4m，优化电解液为3m kfsi dme。

11、本发明通过改性有机负极结构和优化电解液策略，有效地强化了4fa负极的循环稳定性、比容量和反应动力学。优化电解液中形成了以离子聚集体(agg)和接触离子对(cip)构型为主的溶剂化结构有促进盐阴离子衍生sei形成，促进电极界面的构筑和降低活性物质的溶解，从而提高电池的长循环寿命。此外，适当的增加电解液体系中k+数量，有利于提高有机负极的钾储存性能。

技术特征：

1.一种改性有机电极材料和匹配电解液在钾离子半电池中的应用，其特征在于，钾离子半电池包括钾金属、改性有机负极材料、电解液；改性有机负极材料的制备将对氟苯甲酸与有序介孔碳(cmk3)在高温下进行熔融-再凝固，得到对氟苯甲酸/cmk3复合材料；电解液为双氟磺酰亚胺钾盐基电解液。

2.根据权利要求1所述改性有机负极材料和匹配电解液在钾离子半电池中的应用，其特征在于，前驱体的制备：对氟苯甲酸与cmk3等质量混合，并且进行充分的研磨；随后，将混合物置于氩气环境中加热熔融。

3.根据权利要求1所述改性有机负极材料和匹配电解液在钾离子半电池中的应用，其特征在于，高温熔融温度为182℃，时间为10h。

4.根据权利要求1所述改性有机负极材料和匹配电解液在钾离子电池中的应用，其特征在于，使用三种性质不同的溶剂：选用弱溶剂化溶剂乙二醇二甲醚、四氢呋喃，以及混合酯基溶剂碳酸乙烯酯+碳酸二甲酯+碳酸二乙酯(体积比1∶1∶1)。

5.根据权利要求1所述改性有机负极材料和匹配电解液在钾离子电池中的应用，其特征在于，电解液的制备：在充满氩气的手套箱中，分别向三种溶剂乙二醇二甲醚、四氢呋喃、碳酸乙烯酯+碳酸二甲酯+碳酸二乙酯中加入双氟磺酰亚胺钾盐，搅拌均匀后得到钾离子电池电解液，浓度为1-4mol/l。

技术总结
本发明属于有机电极材料和电解液技术领域，具体涉及一种改性有机电极材料和匹配电解液在钾离子半电池中的应用。该钾离子电池包括钾金属、改性有机负极材料、电解液；改性有机负极材料的制备将对氟苯甲酸与有序介孔碳(CMK3)在高温下进行熔融‑再凝固，得到对氟苯甲酸/CMK3复合材料；电解液为双氟磺酰亚胺钾盐基电解液。本发明在改善有机电极材料性质的同时改善了电极与电解液的相容性，并增强了储钾性能和长循环稳定性。

技术研发人员：郑晶,王浩
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17