一种柔性钾离子微型电池及其制备方法

本发明属于储能，具体涉及微型电池技术，尤其涉及一种柔性钾离子微型电池及其制备方法。

背景技术：

1、随着信息技术的飞速发展，特别是便携式电子设备和可穿戴技术的普及，对储能提出了新的要求。传统锂离子电池虽然在能量密度和循环稳定性方面表现出色，但由于使用了刚性的封装材料，如金属外壳或塑料包装，导致它们通常不具备柔性和可变形的特点。这限制了锂离子电池在一些新兴领域的应用，如智能手表、健康监测器等需要高度集成且具有弯曲或折叠特性的设备中。

2、与此同时，研究者们开始探索替代锂离子电池的技术方案，以克服上述局限。钾离子电池作为一个有潜力的候选者，逐渐引起了人们的兴趣。钾（k）元素在全球范围内的分布更为广泛，而且开采成本相对较低，这使得钾离子电池在大规模商业化生产中具有明显的经济优势。此外，钾金属具有非常低的氧化还原电位（-2.93 v vs. she），表明其在电池应用中具有高电压的潜力。

3、然而，当前要实现高性能的钾离子微型电池，还需要解决一系列技术难题。例如，如何提高电池的能量密度、延长循环寿命以及改善充放电速率等。同时，为了适应柔性化的需求，电池的组件必须能够承受反复的机械应力而不影响其性能。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种循环寿命高、能量密度和功率密度高、电压高、柔性优良、安全性高、规格多变、价格低廉的柔性钾离子微型电池及其制备方法，具体的，本发明采用如下技术方案：

2、其一，本发明所提供的一种柔性钾离子微型电池，主要由kfemnhcf（铁取代富锰普鲁士蓝）正极、ptcdi/mxene负极和kcf3so3-pam（三氟甲烷磺酸钾-聚丙烯酰胺）水凝胶电解质构成。所述kfemnhcf正极、ptcdi/mxene负极优选为叉指电极，所述kcf3so3-pam水凝胶电解质介于正负电极之间。

3、对于本发明所述的柔性钾离子微型电池，其中，优选的，所述kfemnhcf正极的制备方法是：采用k4fe（cn）6·3h2o、feso4 ·7h2o和mnso4 ·h2o作为原料混合反应得到沉淀物，然后再用去离子水彻底洗涤干燥后剥离得到kfemnhcf材料，再经处理得到kfemnhcf正极。

4、进一步的，作为一种更为优选的方案，所述kfemnhcf正极的制备方法是：将k4fe（cn）6·3h2o、feso4 ·7h2o和mnso4 ·h2o分别溶解在饱和kcl溶液中，然后在磁力搅拌下将feso4 ·7h2o和mnso4 ·h2o溶液缓慢滴入k4fe（cn）6·3h2o溶液中，将形成的沉淀物离心并用去离子水彻底洗涤干燥后剥离制得kfemnhcf滤饼，将kfemnhcf滤饼激光雕刻为叉指电极，制得kfemnhcf正极。

5、所述kfemnhcf正极的制备方法中，优选的，所述k4fe（cn）6·3h2o、feso4·7h2o和mnso4·h2o的摩尔比为2:（1-2）:（6-7），更优选为2:（1.1-1.8）:（6.2-7），再优选为2:（1.3-1.6）:（6.5-6.7），最优选为2:1.5:6.5。

6、所述kfemnhcf正极的制备方法中，优选的，所述k4fe（cn）6·3h2o、feso4 ·7h2o和mnso4 ·h2o分别溶解在饱和kcl溶液中，k4fe（cn）6·3h2o、feso4·7h2o和mnso4 ·h2o的饱和kcl溶液的体积比分别为5:5:4为佳；所述磁力搅拌温度为60-70℃，磁力搅拌时间为8-12h；所述干燥温度为60-80℃，干燥时间为8-12h。

7、对于本发明所述的柔性钾离子微型电池，其中，优选的，所述ptcdi/mxene负极的制备方法是：将ptcdi（3,4,9,10－苝四甲酰二亚胺）、mxene加入dmf溶液中形成均匀的混合溶液，然后真空抽滤干燥得到ptcdi/mxene材料，将ptcdi/mxene材料激光雕刻为叉指电极，制得ptcdi/mxene负极。

8、所述ptcdi/mxene负极的制备方法中，优选的，所述ptcdi与mxene质量比为7-9:1-3，更优选9:1；所述真空抽滤所使用的滤膜为0.22μm的尼龙膜；所述真空干燥温度为40-45℃，干燥时间为1-2h。

9、对于本发明所述的柔性钾离子微型电池，其中，优选的，所述kcf3so3-pam水凝胶电解质的制备方法是：将丙烯酰胺、k2s2o8和n，n′-亚甲基双丙烯酰胺依次加入到去离子水中，然后将混合物搅拌均匀并注入玻璃模型中真空干燥，最后将所制备的水凝胶膜浸入kcf3so3水溶液中，达到平衡状态。

10、进一步的，所述kcf3so3-pam水凝胶电解质的制备方法中，优选的，所述丙烯酰胺、k2s2o8和n，n′-亚甲基双丙烯酰质量比为3-4:0.03-0.04:0.004-0.005；所述搅拌时间为1-2h；所述干燥采用真空干燥，温度为70-80℃，时间为1-2h；所述kcf3so3水溶液浓度22-25mol· l-1。

11、其二，本发明还提供了上述所述柔性钾离子微型电池的制备方法，其是将kfemnhcf正极和ptcdi/mxene负极转移到柔性基底上，涂上kcf3so3-pam水凝胶电解质，制得柔性钾离子微型电池；所述基底可以为聚对苯二甲酸乙二酯(pet)薄膜、聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜、聚酰亚胺(pi)薄膜、聚醚酰亚胺(pei)薄膜等。

12、本发明所构思的柔性钾离子微型电池具有以下有益效果：

13、（1）本发明的柔性钾离子微型电池具有优异的电化学性能，在 5.0 ma cm-2下经过2500 次 gcd 循环后 89.17%的超高循环寿命。

14、（2）本发明的柔性钾离子微型电池有着较高的能量密度（202.81 μwh cm-2）和功率密度（7.99 mw cm-2）。

15、（3）本发明的柔性钾离子微型电池有着较高的电压，高达 2.6 v。

16、（4）本发明的柔性钾离子微型电池比起传统的锂离子微型电池有着更优良的柔性，弯曲180°时，仍可以保持初始容量的95.13%。

17、（5）本发明的柔性钾离子微型电池，比起传统的锂离子微型电池，具有更高的安全性，传统的微型电池通常使用有机溶剂作为电解质，有机溶剂具有易燃和易爆的危险，而本发明为水系电解质不会产生任何严重危险。

18、（6）本发明的柔性钾离子微型电池，比起传统的锂离子微型电池有着更微小的体积且规格多变。

19、（7）本发明的柔性钾离子微型电池，比起传统的锂离子微型电池制备工艺更加简单，成本低。本发明的微型电池因其高安全、小型化、低成本的特点，使得其更便于应用在可穿戴设备和集成电子产品中，作为储能设备应用前景广阔。

技术特征：

1.一种柔性钾离子微型电池，包括kfemnhcf正极、ptcdi/mxene负极和kcf3so3-pam水凝胶电解质。

2.如权利要求1所述的柔性钾离子微型电池，其特征在于，所述kfemnhcf正极的制备方法是：采用k4fe（cn）6·3h2o、feso4 ·7h2o和mnso4 ·h2o作为原料混合反应得到沉淀物，然后再用去离子水彻底洗涤干燥后剥离得到kfemnhcf材料，再经处理得到kfemnhcf正极。

3.如权利要求2所述的柔性钾离子微型电池，其特征在于，所述kfemnhcf正极的制备方法是：将k4fe（cn）6·3h2o、feso4 ·7h2o和mnso4 ·h2o分别溶解在饱和kcl溶液中，然后在磁力搅拌下将feso4 ·7h2o溶液和mnso4 ·h2o溶液缓慢滴入k4fe（cn）6·3h2o溶液中，将形成的沉淀物离心并用去离子水彻底洗涤干燥后剥离制得kfemnhcf滤饼，将kfemnhcf滤饼激光雕刻为叉指电极，制得kfemnhcf正极。

4.如权利要求3所述的柔性钾离子微型电池，其特征在于，所述k4fe（cn）6·3h2o、feso4·7h2o和mnso4 ·h2o的摩尔比为2:1-2:6-7。

5.如权利要求3所述的柔性钾离子微型电池，其特征在于，所述k4fe（cn）6·3h2o、feso4·7h2o和mnso4·h2o分别溶解在饱和kcl溶液中；所述磁力搅拌温度为60-70℃，磁力搅拌时间为8-12h；所述干燥温度为60-80℃，干燥时间为8-12h。

6.如权利要求1所述的柔性钾离子微型电池，其特征在于，所述ptcdi/mxene负极的制备方法是：将ptcdi、mxene加入dmf溶液中形成均匀的混合溶液，然后真空抽滤干燥得到ptcdi/mxene材料，将ptcdi/mxene材料激光雕刻为叉指电极，制得ptcdi/mxene负极。

7.如权利要求6所述的柔性钾离子微型电池，其特征在于，所述ptcdi与mxene

8.如权利要求1所述的柔性钾离子微型电池，其特征在于，所述kcf3so3-pam水凝胶电解质的制备方法是：将丙烯酰胺、k2s2o8和n，n′-亚甲基双丙烯酰胺依次加入到去离子水中，然后将混合物搅拌均匀并注入玻璃模型中真空干燥，最后将所制备的水凝胶膜浸入kcf3so3水溶液中，达到平衡状态。

9.如权利要求8所述的柔性钾离子微型电池，其特征在于，所述丙烯酰胺、k2s2o8和n，n′-亚甲基双丙烯酰质量比为3-4:0.03-0.04:0.004-0.005；所述搅拌时间为1-2h；所述真空干燥温度为70-80℃，时间为1-2h；所述kcf3so3溶液浓度22-25mol· l-1。

10.权利要求1-9任一项所述柔性钾离子微型电池的制备方法，其特征在于，将kfemnhcf正极和ptcdi/mxene负极转移到柔性基底上，涂上kcf3so3-pam水凝胶电解质，制得柔性钾离子微型电池。

技术总结
本发明属于储能技术领域，具体涉及微型电池技术，尤其涉及一种柔性钾离子微型电池及其制备方法。本发明所提供的一种柔性钾离子微型电池，主要由KFeMnHCF（铁取代富锰普鲁士蓝）正极、PTCDI/MXene负极和KCF<subgt;3</subgt;SO<subgt;3</subgt;‑PAM（三氟甲烷磺酸钾‑聚丙烯酰胺）水凝胶电解质构成。本发明的技术方案比传统的锂离子微型电池有着更好的电化学性能，在5.0mA cm<supgt;‑2</supgt;下经过2500次GCD循环后89.17%的超高循环寿命。以及较高的能量密度（202.81μWh cm<supgt;‑2</supgt;）和功率密度（7.99 mW cm<supgt;‑2</supgt;）。本发明的柔性钾离子微型电池因其高安全、小型化、低成本的特点，使得其更便于应用在可穿戴设备和集成电子产品中，在储能设备中的应用前景广阔。

技术研发人员：王思亮,徐玉滢,岳阳,温莉,桂鹏彬,曾玮
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/2