[發明專利]一種非水系鉀離子電池負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202011389691.0
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN112421016A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 何冬林;岳波;劉晶晶;王瓊;胡德豪
• 申請（專利權）人: 四川新鋰想能源科技有限責任公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/04;H01M10/054;B82Y30/00;B82Y40/00;C01B32/184;C01B32/205
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 唐邦英

本發明公開了一種非水系鉀離子電池負極材料及其制備方法，該負極材料為銻納米顆粒修飾三維石墨烯泡沫負極材料，由三維石墨烯泡沫和生長在三維石墨烯泡沫上的銻納米顆粒構成。本發明所述負極材料中三維石墨烯泡沫基體為蜂窩狀結構，具有穩定的框架結構、大的比表面積以及優異的電子及離子傳導性能，能夠很好地緩沖鉀離子脫出/嵌入過程中的體積膨脹效應，儲鉀機制包括轉換反應和贗電容行為，因此表現出優異的儲鉀性能；本發明通過原位置換反應制備得到銻納米顆粒修飾三維石墨烯泡沫負極，因此保證了銻納米顆粒在石墨烯泡沫基體上分散均勻，從而改善了電化學循環穩定性。

技術領域

本發明涉及功能納米材料領域，具體涉及一種非水系鉀離子電池負極材料及其制備方法。

背景技術

可再生能源大規模利用的迫切需求以及鋰離子儲能電池日益上漲的成本，迫切需要開發低成本的新型儲能技術。非水系鉀離子電池因以下優勢而表現出巨大的發展前景：(1)鉀資源儲量豐富，成本低；(2)與其他堿金屬離子相比，較弱的路易斯酸性質使得K⁺在電解液以及電解液和電極界面都具有較大的轉移數和遷移率；(3)K⁺/K的標準電極電勢比Na⁺/Na更低，與Li⁺/Li更接近(-2.93V，-2.71V，-3.04V，Vs.SHE)，這意味著鉀離子電池將具有較高的工作電壓和能量密度，在未來的儲能領域具有非常大的前景。

雖然如此，K⁺尺寸較大脫嵌過程中會引起較大的體積膨脹，導致其循環性能很差；此外，碳基材料比容量較低，無法滿足使用需求。

因此，開發一種高比容量、長循環壽命的負極材料對于鉀離子電池的發展十分重要。

發明內容

本發明的目的在于提供一種非水系鉀離子電池負極材料及其制備方法，該非水系鉀離子電池負極材料具有優異的儲鉀性能，同時具有高比容量及優異的循環穩定性。

本發明通過下述技術方案實現：

一種非水系鉀離子電池負極材料，該負極材料為銻納米顆粒修飾三維石墨烯泡沫負極材料，由三維石墨烯泡沫和生長在三維石墨烯泡沫上的銻納米顆粒構成。

本發明所述負極材料中三維石墨烯泡沫基體為蜂窩狀結構，具有穩定的框架結構、大的比表面積以及優異的電子及離子傳導性能，能夠很好地緩沖鉀離子脫出/嵌入過程中的體積膨脹效應，儲鉀機制包括轉換反應和贗電容行為，因此具有優異的循環壽命和高的比容量。

進一步地，三維石墨烯泡沫為由石墨烯氣泡和三維石墨骨架原位組裝而成，且石墨烯的層數為2～5層，屬于少數層石墨烯范疇。

進一步地，銻納米顆粒的粒徑為20～50nm。

一種非水系鉀離子電池負極材料的制備方法，包括以下步驟：

S1、將一定質量比例的六水合硝酸鈷、硫酸銨和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去離子水中配成混合溶液，干燥后的產物研磨成粉，粉末裝入剛玉坩堝；

S2、將剛玉坩堝置于管式爐中在氬氫混合氣氛中反應一段時間，待爐子降至室溫，產物即為鈷納米顆粒修飾三維石墨烯泡沫；

S3、將鈷納米顆粒修飾三維石墨烯泡沫溶解于丙三醇和甲醇的混合溶液中，再加入三氯化銻并攪拌混合均勻，所得溶液轉入反應釜后密封反應一段時間，待反應釜降至室溫后，所得沉淀物用甲醇清洗，隨后置于管式爐中在氬氣氛圍下反應一段時間，待管式爐降至室溫，獲得銻納米顆粒修飾三維石墨烯泡沫負極材料。

本發明所述方法采用銻鈷原位置換反應制備得到銻納米顆粒修飾三維石墨烯泡沫，保證了銻納米顆粒在石墨烯泡沫基體上分散均勻，從而改善了電化學循環穩定性。