本發(fā)明屬于儲能，具體涉及微型電池技術(shù)，尤其涉及一種柔性鉀離子微型電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是便攜式電子設(shè)備和可穿戴技術(shù)的普及，對儲能提出了新的要求。傳統(tǒng)鋰離子電池雖然在能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，但由于使用了剛性的封裝材料，如金屬外殼或塑料包裝，導(dǎo)致它們通常不具備柔性和可變形的特點。這限制了鋰離子電池在一些新興領(lǐng)域的應(yīng)用，如智能手表、健康監(jiān)測器等需要高度集成且具有彎曲或折疊特性的設(shè)備中。

2、與此同時，研究者們開始探索替代鋰離子電池的技術(shù)方案，以克服上述局限。鉀離子電池作為一個有潛力的候選者，逐漸引起了人們的興趣。鉀（k）元素在全球范圍內(nèi)的分布更為廣泛，而且開采成本相對較低，這使得鉀離子電池在大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)中具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。此外，鉀金屬具有非常低的氧化還原電位（-2.93?v?vs.?she），表明其在電池應(yīng)用中具有高電壓的潛力。

3、然而，當(dāng)前要實現(xiàn)高性能的鉀離子微型電池，還需要解決一系列技術(shù)難題。例如，如何提高電池的能量密度、延長循環(huán)壽命以及改善充放電速率等。同時，為了適應(yīng)柔性化的需求，電池的組件必須能夠承受反復(fù)的機械應(yīng)力而不影響其性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種循環(huán)壽命高、能量密度和功率密度高、電壓高、柔性優(yōu)良、安全性高、規(guī)格多變、價格低廉的柔性鉀離子微型電池及其制備方法，具體的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

2、其一，本發(fā)明所提供的一種柔性鉀離子微型電池，主要由kfemnhcf（鐵取代富錳普魯士藍）正極、ptcdi/mxene負極和kcf3so3-pam（三氟甲烷磺酸鉀-聚丙烯酰胺）水凝膠電解質(zhì)構(gòu)成。所述kfemnhcf正極、ptcdi/mxene負極優(yōu)選為叉指電極，所述kcf3so3-pam水凝膠電解質(zhì)介于正負電極之間。

3、對于本發(fā)明所述的柔性鉀離子微型電池，其中，優(yōu)選的，所述kfemnhcf正極的制備方法是：采用k4fe（cn）6·3h2o、feso4?·7h2o和mnso4?·h2o作為原料混合反應(yīng)得到沉淀物，然后再用去離子水徹底洗滌干燥后剝離得到kfemnhcf材料，再經(jīng)處理得到kfemnhcf正極。

4、進一步的，作為一種更為優(yōu)選的方案，所述kfemnhcf正極的制備方法是：將k4fe（cn）6·3h2o、feso4?·7h2o和mnso4?·h2o分別溶解在飽和kcl溶液中，然后在磁力攪拌下將feso4?·7h2o和mnso4?·h2o溶液緩慢滴入k4fe（cn）6·3h2o溶液中，將形成的沉淀物離心并用去離子水徹底洗滌干燥后剝離制得kfemnhcf濾餅，將kfemnhcf濾餅激光雕刻為叉指電極，制得kfemnhcf正極。

5、所述kfemnhcf正極的制備方法中，優(yōu)選的，所述k4fe（cn）6·3h2o、feso4·7h2o和mnso4·h2o的摩爾比為2:（1-2）:（6-7），更優(yōu)選為2:（1.1-1.8）:（6.2-7），再優(yōu)選為2:（1.3-1.6）:（6.5-6.7），最優(yōu)選為2:1.5:6.5。

6、所述kfemnhcf正極的制備方法中，優(yōu)選的，所述k4fe（cn）6·3h2o、feso4?·7h2o和mnso4?·h2o分別溶解在飽和kcl溶液中，k4fe（cn）6·3h2o、feso4·7h2o和mnso4?·h2o的飽和kcl溶液的體積比分別為5:5:4為佳；所述磁力攪拌溫度為60-70℃，磁力攪拌時間為8-12h；所述干燥溫度為60-80℃，干燥時間為8-12h。

7、對于本發(fā)明所述的柔性鉀離子微型電池，其中，優(yōu)選的，所述ptcdi/mxene負極的制備方法是：將ptcdi（3,4,9,10－苝四甲酰二亞胺）、mxene加入dmf溶液中形成均勻的混合溶液，然后真空抽濾干燥得到ptcdi/mxene材料，將ptcdi/mxene材料激光雕刻為叉指電極，制得ptcdi/mxene負極。

8、所述ptcdi/mxene負極的制備方法中，優(yōu)選的，所述ptcdi與mxene質(zhì)量比為7-9:1-3，更優(yōu)選9:1；所述真空抽濾所使用的濾膜為0.22μm的尼龍膜；所述真空干燥溫度為40-45℃，干燥時間為1-2h。

9、對于本發(fā)明所述的柔性鉀離子微型電池，其中，優(yōu)選的，所述kcf3so3-pam水凝膠電解質(zhì)的制備方法是：將丙烯酰胺、k2s2o8和n，n′-亞甲基雙丙烯酰胺依次加入到去離子水中，然后將混合物攪拌均勻并注入玻璃模型中真空干燥，最后將所制備的水凝膠膜浸入kcf3so3水溶液中，達到平衡狀態(tài)。

10、進一步的，所述kcf3so3-pam水凝膠電解質(zhì)的制備方法中，優(yōu)選的，所述丙烯酰胺、k2s2o8和n，n′-亞甲基雙丙烯酰質(zhì)量比為3-4:0.03-0.04:0.004-0.005；所述攪拌時間為1-2h；所述干燥采用真空干燥，溫度為70-80℃，時間為1-2h；所述kcf3so3水溶液濃度22-25mol·?l-1。

11、其二，本發(fā)明還提供了上述所述柔性鉀離子微型電池的制備方法，其是將kfemnhcf正極和ptcdi/mxene負極轉(zhuǎn)移到柔性基底上，涂上kcf3so3-pam水凝膠電解質(zhì)，制得柔性鉀離子微型電池；所述基底可以為聚對苯二甲酸乙二酯(pet)薄膜、聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜、聚酰亞胺(pi)薄膜、聚醚酰亞胺(pei)薄膜等。

12、本發(fā)明所構(gòu)思的柔性鉀離子微型電池具有以下有益效果：

13、（1）本發(fā)明的柔性鉀離子微型電池具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在?5.0?ma?cm-2下經(jīng)過2500?次?gcd?循環(huán)后?89.17%的超高循環(huán)壽命。

14、（2）本發(fā)明的柔性鉀離子微型電池有著較高的能量密度（202.81?μwh?cm-2）和功率密度（7.99?mw?cm-2）。

15、（3）本發(fā)明的柔性鉀離子微型電池有著較高的電壓，高達?2.6?v。

16、（4）本發(fā)明的柔性鉀離子微型電池比起傳統(tǒng)的鋰離子微型電池有著更優(yōu)良的柔性，彎曲180°時，仍可以保持初始容量的95.13%。

17、（5）本發(fā)明的柔性鉀離子微型電池，比起傳統(tǒng)的鋰離子微型電池，具有更高的安全性，傳統(tǒng)的微型電池通常使用有機溶劑作為電解質(zhì)，有機溶劑具有易燃和易爆的危險，而本發(fā)明為水系電解質(zhì)不會產(chǎn)生任何嚴重危險。

18、（6）本發(fā)明的柔性鉀離子微型電池，比起傳統(tǒng)的鋰離子微型電池有著更微小的體積且規(guī)格多變。

19、（7）本發(fā)明的柔性鉀離子微型電池，比起傳統(tǒng)的鋰離子微型電池制備工藝更加簡單，成本低。本發(fā)明的微型電池因其高安全、小型化、低成本的特點，使得其更便于應(yīng)用在可穿戴設(shè)備和集成電子產(chǎn)品中，作為儲能設(shè)備應(yīng)用前景廣闊。

技術(shù)特征：

1.一種柔性鉀離子微型電池，包括kfemnhcf正極、ptcdi/mxene負極和kcf3so3-pam水凝膠電解質(zhì)。

2.如權(quán)利要求1所述的柔性鉀離子微型電池，其特征在于，所述kfemnhcf正極的制備方法是：采用k4fe（cn）6·3h2o、feso4?·7h2o和mnso4?·h2o作為原料混合反應(yīng)得到沉淀物，然后再用去離子水徹底洗滌干燥后剝離得到kfemnhcf材料，再經(jīng)處理得到kfemnhcf正極。

3.如權(quán)利要求2所述的柔性鉀離子微型電池，其特征在于，所述kfemnhcf正極的制備方法是：將k4fe（cn）6·3h2o、feso4?·7h2o和mnso4?·h2o分別溶解在飽和kcl溶液中，然后在磁力攪拌下將feso4?·7h2o溶液和mnso4?·h2o溶液緩慢滴入k4fe（cn）6·3h2o溶液中，將形成的沉淀物離心并用去離子水徹底洗滌干燥后剝離制得kfemnhcf濾餅，將kfemnhcf濾餅激光雕刻為叉指電極，制得kfemnhcf正極。

4.如權(quán)利要求3所述的柔性鉀離子微型電池，其特征在于，所述k4fe（cn）6·3h2o、feso4·7h2o和mnso4?·h2o的摩爾比為2:1-2:6-7。

5.如權(quán)利要求3所述的柔性鉀離子微型電池，其特征在于，所述k4fe（cn）6·3h2o、feso4·7h2o和mnso4·h2o分別溶解在飽和kcl溶液中；所述磁力攪拌溫度為60-70℃，磁力攪拌時間為8-12h；所述干燥溫度為60-80℃，干燥時間為8-12h。

6.如權(quán)利要求1所述的柔性鉀離子微型電池，其特征在于，所述ptcdi/mxene負極的制備方法是：將ptcdi、mxene加入dmf溶液中形成均勻的混合溶液，然后真空抽濾干燥得到ptcdi/mxene材料，將ptcdi/mxene材料激光雕刻為叉指電極，制得ptcdi/mxene負極。

7.如權(quán)利要求6所述的柔性鉀離子微型電池，其特征在于，所述ptcdi與mxene

8.如權(quán)利要求1所述的柔性鉀離子微型電池，其特征在于，所述kcf3so3-pam水凝膠電解質(zhì)的制備方法是：將丙烯酰胺、k2s2o8和n，n′-亞甲基雙丙烯酰胺依次加入到去離子水中，然后將混合物攪拌均勻并注入玻璃模型中真空干燥，最后將所制備的水凝膠膜浸入kcf3so3水溶液中，達到平衡狀態(tài)。

9.如權(quán)利要求8所述的柔性鉀離子微型電池，其特征在于，所述丙烯酰胺、k2s2o8和n，n′-亞甲基雙丙烯酰質(zhì)量比為3-4:0.03-0.04:0.004-0.005；所述攪拌時間為1-2h；所述真空干燥溫度為70-80℃，時間為1-2h；所述kcf3so3溶液濃度22-25mol·?l-1。

10.權(quán)利要求1-9任一項所述柔性鉀離子微型電池的制備方法，其特征在于，將kfemnhcf正極和ptcdi/mxene負極轉(zhuǎn)移到柔性基底上，涂上kcf3so3-pam水凝膠電解質(zhì)，制得柔性鉀離子微型電池。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于儲能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及微型電池技術(shù)，尤其涉及一種柔性鉀離子微型電池及其制備方法。本發(fā)明所提供的一種柔性鉀離子微型電池，主要由KFeMnHCF（鐵取代富錳普魯士藍）正極、PTCDI/MXene負極和KCF<subgt;3</subgt;SO<subgt;3</subgt;?PAM（三氟甲烷磺酸鉀?聚丙烯酰胺）水凝膠電解質(zhì)構(gòu)成。本發(fā)明的技術(shù)方案比傳統(tǒng)的鋰離子微型電池有著更好的電化學(xué)性能，在5.0mA?cm<supgt;?2</supgt;下經(jīng)過2500次GCD循環(huán)后89.17%的超高循環(huán)壽命。以及較高的能量密度（202.81μWh?cm<supgt;?2</supgt;）和功率密度（7.99?mW?cm<supgt;?2</supgt;）。本發(fā)明的柔性鉀離子微型電池因其高安全、小型化、低成本的特點，使得其更便于應(yīng)用在可穿戴設(shè)備和集成電子產(chǎn)品中，在儲能設(shè)備中的應(yīng)用前景廣闊。

技術(shù)研發(fā)人員：王思亮,徐玉瀅,岳陽,溫莉,桂鵬彬,曾瑋
受保護的技術(shù)使用者：安徽大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2