[發明專利]用于鉀離子二次電池的碳納米管負極材料

在審

• 申請號: 201811037269.1
• 申請日: 2018-09-06
• 公開（公告）號: CN109256562A
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 孫傳福;張如定
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587;H01M10/054;H01M10/058;B82Y30/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種用于鉀離子二次電池的負極材料，所述負極材料活性物質為碳納米管。所述的碳納米管負極完全由活性物質碳納米管構成無需導電劑和粘結劑，且電極制備過程簡單易行。可將此碳納米管負極材料直接用于鉀離子二次電池的負極。用本發明的碳納米管負極材料和電解液體系所組裝的扣式電池具有安全性高，循環壽命長，倍率性能好，充放電庫倫效率高等優異的電化學性能。以上結果表明，碳納米管負極材料組裝的鉀離子電池有望在需要電化學能源驅動的設備及低成本的智能電網的大規模儲電領域實現廣泛的應用。

技術領域

本發明屬于可充電電池材料技術領域，具體涉及一種適用于鉀離子二次電池的碳納米管負極材料及其用途。

背景技術

因鉀在自然界中儲量豐富(鉀元素在地殼中豐度為～2.47％，海水中含量～0.38g/kg)、成本低廉及氧化還原電位較負(K/K⁺，-2.936V相對于標準氫電極電位)等方面的優勢，鉀離子二次電池技術被認為是未來極具前景的大規模電化學儲能技術。因此，發展價格低廉且循環性能優異的鉀離子電池具有巨大的商業價值。

和鋰/鈉離子電池一樣，常規鉀離子電池的負極制備流程一般也是經過如下步驟：首先將導電劑、粘結劑和活性材料按照一定的重量比例通過制漿工藝均勻分散混合，再經過涂膜工藝均勻涂覆在集流體上。其中電極材料中的粘結劑(保持活性物質之間以及活性物質和集流體間的粘接作用)和導電劑(提高電極的電子電導率)一般不具備電化學活性。也就是說經由這種方式制備的電極，電極材料是由活性物質和非活性物質均勻混合所構成的。那么從另一個方面也不難理解，這兩種非活性物質重量占比多少也決定著整個電極中活性物質的占比比重，而這最終影響著的整個電極的性能發揮。此外經由涂膜方法制備的電極材料，導電集流體多為銅箔或者鋁箔等剛性結構材料，如果對電極材料進行彎曲或折疊處理或加工，會造成活性物質從集流體表面脫落同時也會損耗集流體的力學性能，因此這也極大地也限制了其在柔性器件領域的應用。

基于上述分析，在電極制備過程中，大家一致追求的目標應該是如下這樣的：在能充分發揮活性物質的電化學性能時，能最大程度地減少導電劑和粘結劑等非活性物質的重量占比，從而盡可能最大化的提高活性物質的重量占比，提升整個電極材料的容量。最理想的情況是電極材料100％由活性物質構成。而這種電極材料應該具有以下功能特性：1.其本身具有鉀離子電化學活性可以作為活性物質；2.該材料本身具有優異的電子導電性，能充當導電劑的角色；3.該材料可通過材料本身之間的某種相互作用構筑成穩定的三維網絡的自支撐結構，并且方便于進行加工裁剪制備電極，從而能夠代替粘結劑的功能。那么當這種材料作為電極材料時會有如下的優點：1.電極材料可完全由活性物質構成，一方面既可以大大簡化負極的制備工藝，另一方面又可以大大降低負極材料的價格和加工等成本；2.這種電極材料還可以最大程度地提高負極活性材料的重量占比，最有效地減少非活性物質的占比，從而可以有效地提高電池的比容量和能量密度。

碳納米管是一種非常具有實用前景的碳材料，首先碳納米管本征的一維管狀結構賦予其優異的電子導電性，其次碳納米管可通過管與管之間的交聯作用，形成自支撐的三維膜結構，且能很好的保持碳納米管的優良性質；也就是說，如果我們直接將碳納米管或者基于碳納米管的復合材料作為鉀離子電池負極時完全可以不需要外加粘結劑和導電劑，負極材料可100％全部由碳納米管或者基于碳納米管的復合結構組成，這完全符合我們上述對理想電極材料的假設。此外，碳納米管兼具高的結構柔韌性和機械強度(理論強度為鋼的100倍)，這為碳納米管直接用于柔性器件領域提供了可能性，而這也是目前常規工藝制備的電極材料無法實現的功能。

出于以上探討，本發明提供了一種新型鉀離子電池負極材料，負極材料100％完全由碳納米管構成，該碳納米管負極顯示出了優異的循環和倍率性能以及接近100％的平均充放電庫倫效率。而且碳納米管是一種非常理想的柔性結構材料，可以實現較高程度的自由彎曲且保持本身結構不變形，當以碳納米管做電極材料時，在柔性電子器件領域具有潛在的應用價值。

發明內容