[發(fā)明專利]一種空心球狀碳包覆硫化鐵復合鉀離子電池負極材料的制備方法

有效

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• 申請日: 2019-12-11
• 公開（公告）號: CN110993941B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發(fā)明（設計）人: 張永光;王加義
• 申請（專利權）人: 肇慶市華師大光電產(chǎn)業(yè)研究院
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 天津市尚文知識產(chǎn)權代理有限公司 12222
• 代理人: 郭平平

本發(fā)明涉及一種空心球狀碳包覆硫化鐵復合鉀離子電池負極材料的制備方法，所述方法先制備四氧化三鐵空心球，再利用氣相沉積法制備碳包覆四氧化三鐵空心球，最后進行硫化制備碳包覆硫化鐵空心球復合材料用作鉀離子電池負極材料的制備方法。采用本發(fā)明所述方法制得的材料既能通過脫嵌機制進行儲鉀，又能通過界面儲鉀機制進行儲鉀；既有導電性三維碳網(wǎng)絡作為電子、離子快速傳輸通道，又有大的比表面提供大量的活性儲鉀位點，由此提供高能量密度和高功率密度。

技術領域

本發(fā)明涉及一種用于鉀離子電池負極材料的制備方法，具體涉及一種先制備四氧化三鐵空心球，再利用氣相沉積法制備碳包覆四氧化三鐵空心球，最后進行硫化制備碳包覆硫化鐵空心球復合材料用作鉀離子電池負極材料的制備方法，屬于材料化學領域。

背景技術

能源和環(huán)境是人類社會可持續(xù)發(fā)展所涉及的兩大永恒主題。面對能源及環(huán)境問題，新型清潔能源技術特別是儲能技術被認為是有效途徑之一。與傳統(tǒng)的鎳氫電池、鉛酸電池相比，堿金屬離子(Li+/Na+/K+)電池具有更高的能量密度和環(huán)境友好性，在清潔能源儲存領域具有廣闊的應用前景。其中鋰離子電池因其環(huán)境友好性、安全性及高能量密度和長使用壽命等優(yōu)點，被廣泛應用于通訊設備、電子設備及電動汽車等領域。但是由于鋰資源的分布不均及儲量較少，價格較高，其在大規(guī)模儲能領域的應用受到限制。相比而言，鈉和鉀資源非常豐富，廣泛存在于地殼和海洋之中，價格也更加低廉。并且，鈉/鉀和鋰屬于同一主族元素，化學性質相近，工作原理相似。因此，鈉離子和鉀離子電池被認為是鋰離子電池之外最有發(fā)展前景的可替代儲能技術，特別是在對成本和資源要求較高的大規(guī)模儲能領域。

近年來鈉離子電池受到大量的關注和發(fā)展，正負極和相關電池材料都取得了較大的進展。而作為同樣適合于大規(guī)模儲能領域的鉀離子電池，受到的研究相對較少。最近幾年國內外關于鉀離子正極材料的研究取得了較好的進展。而負極材料方面，近年來受到越來越多的關注。其中研究較為廣泛的有碳基負極材料。碳基負極材料主要為石墨，軟碳和硬碳材料，但是由于鉀離子半徑較大，在石墨層間的嵌入/脫出活性不高，倍率性能較差。硬碳材料多為非晶結構，儲鉀倍率性能更高。但是其循環(huán)壽命和倍率性能仍不夠理想，仍有待進一步的改進和提高。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的為針對現(xiàn)有技術的缺陷和存在的實際比容量較低、倍率性能較差、循環(huán)壽命較短的問題，提供一種鉀離子電池負極材料及其制備方法，本發(fā)明解決該技術問題所采用的技術方案是：

一種空心球狀碳包覆硫化鐵復合鉀離子電池負極材料的制備方法，包括以下步驟：

第一步制備四氧化三鐵空心球：

取適量的硝酸鐵、甘油，溶于一定量的異丙醇中，攪拌均勻，隨后加入適量去離子水，攪拌均勻，轉移至反應釜中，200-220℃保溫反應12-24小時，隨后隨爐冷卻，離心獲得前驅體產(chǎn)物，并用去離子水與乙醇各洗滌三次，置于60℃烘箱中烘干。隨后將其轉移至管式爐中高溫煅燒h，隨爐冷卻獲得四氧化三鐵空心球。

進一步地，所述第一步中硝酸鐵與異丙醇摩爾體積比為1：50-150mol/mL,甘油與異丙醇中體積比為1:2.5-10，加入異丙醇與去離子水體積比為1:10-100。

進一步地，所述第一步中管式爐內高溫煅燒升溫速率為1-5℃/min，煅燒溫度為400-500℃，保溫時間為4-6h。

第二步制備碳包覆四氧化三鐵空心球：

將第一步中制得的四氧化三鐵空心球置于管式爐中，升溫至500-700℃，待溫度恒定后同時通入乙炔與氫氣混合氣體，持續(xù)通入一定時間后關閉氫氣和乙炔，在氬氣氣氛下自然冷卻，得到碳包覆四氧化三鐵空心球。

進一步地，所述第二步中管式爐內高溫煅燒升溫速率為0.5-1℃/min；

進一步地，所述第二步中，所述四氧化三鐵空心球的質量為0.1～1g，氫氣流速為100-300mL/min,乙炔流速為10-50mL/min，持續(xù)通入時間為1-3min。