[發(fā)明專利]一種鉀離子電池高能量密度碳基負極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111259335.1
• 申請日: 2021-10-27
• 公開（公告）號: CN114094064B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 雷宇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航發(fā)北京航空材料研究院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/587;H01M4/60;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 穆環(huán)宇

本發(fā)明一種鉀離子電池高能量密度碳基負極材料及其制備方法屬于電池領(lǐng)域。該方法包括以下步驟：將氟化鉀在乙醇中進行球磨處理成為納米粉體；先后三次將特定量的聚偏二氟乙烯和納米氟化鉀粉體輪流加入到天然鱗片石墨的N?甲基吡咯烷酮分散液中進行球磨處理，后加入乙炔炭黑繼續(xù)球磨處理，得到混合漿料；將所得混合漿料涂敷在銅箔上并進行烘干處理，制得鉀離子電池負極材料。這種碳基負極材料可以在低濃度醚類電解液體系下實現(xiàn)對鉀離子的高容量二元可逆存儲，利于構(gòu)建高能量密度、高功率密度的鉀離子電池。本發(fā)明提供的碳基負極材料制備方法具有制備工藝簡單，成本低廉，利于規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一種鉀離子電池高能量密度碳基負極材料及其制備方法屬于電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子電池(LIBs)因高能量密度、高能量效率和較長使用壽命已經(jīng)在電子產(chǎn)品、電動汽車等領(lǐng)域得到大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。然而，由于全球鋰資源稀缺以及鋰礦價格持續(xù)上漲，鋰離子電池制造成本不斷增加，在未來難以繼續(xù)滿足人類社會對于儲能的需求。除可移動能源存儲外，人類社會對于大規(guī)模固定式能源存儲的需求也在不斷增長，故人們迫切需求可以替代鋰離子電池的新型儲能器件的出現(xiàn)。近年來，鉀離子電池(PIBs)因鉀資源豐富、制造成本低、能量密度高等優(yōu)勢得到了研究人員的青睞，有望在將來以大規(guī)模固定式儲能器件的形式得到應(yīng)用。

作為最有希望實際用于鉀離子電池的負極材料，石墨具有自然儲量豐富、成本低廉、已實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)、可以實現(xiàn)對鉀離子的高效可逆存儲等優(yōu)點。但在鉀離子電池的兩種常用電解液體系(碳酸酯類、醚類)中，石墨負極表現(xiàn)出的電化學(xué)性能有明顯差異。在碳酸酯類電解液中，石墨可以實現(xiàn)只有鉀離子單獨進入二維碳原子結(jié)構(gòu)層間，最終儲鉀產(chǎn)物為僅含有鉀原子與碳原子兩相的所謂“二元插層化合物”。由于石墨/碳酸酯界面的不穩(wěn)定且石墨結(jié)構(gòu)易嚴重破壞，此時石墨儲鉀容量衰減快、可逆儲鉀長循環(huán)穩(wěn)定性差。相比于碳酸酯類，同等濃度的醚類電解液粘度更低且與石墨間的界面更加穩(wěn)定，利于提高石墨可逆儲鉀長循環(huán)的穩(wěn)定性及功率密度。但在電解質(zhì)濃度很低時，鉀離子易與醚類溶劑分子一同嵌入到石墨層間形成含有鉀離子、醚類分子、碳原子三相的所謂“三元插層化合物”，會顯著降低石墨儲鉀容量和電池能量密度，這可以主要歸因于低濃度醚類電解液下石墨表面無法形成可以有效引發(fā)鉀離子去溶劑化過程發(fā)生的固態(tài)電解質(zhì)界面膜(SEI)。

在此前的研究中，我們通過電化學(xué)原位生長法在石墨表面構(gòu)筑富含無機氟化物的固態(tài)電解質(zhì)界面膜后，在低濃度醚類電解液體系下實現(xiàn)了鉀離子在石墨中存儲時的去溶劑化，保證了石墨電極儲鉀的高功率密度同時顯著提升了儲鉀能量密度和長循環(huán)穩(wěn)定性。但電化學(xué)原位構(gòu)筑穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)界面膜的方法難以對固態(tài)電解質(zhì)界面膜的成分及電極材料電化學(xué)性能進行精準調(diào)控，且成本過高，難以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種成本低廉、精準可控、可大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)、適用于鉀離子電池的高能量密度碳基負極材料及其制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種鉀離子電池高能量密度碳基負極材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

1)將氟化鉀與乙醇以質(zhì)量比1：5～10混合后向其內(nèi)加入氧化鋯珠，置于行星式球磨機中進行研磨處理，得到納米氟化鉀粉體；

2)將天然鱗片石墨、聚偏二氟乙烯、N-甲基吡咯烷酮以質(zhì)量比100：3.5～5：100～500混合后進行球磨處理，得到混合漿料一；后將經(jīng)步驟1)得到的納米氟化鉀粉體加入到混合漿料一中繼續(xù)球磨處理，得到混合漿料二，所述納米氟化鉀粉體與天然鱗片石墨的質(zhì)量比為15～25：100；

3)向混合漿料二中再次加入聚偏二氟乙烯進行球磨處理，所述聚偏二氟乙烯與天然鱗片石墨的質(zhì)量比為3.5～5：100；球磨處理得到混合漿料三；后將經(jīng)步驟1)得到的納米氟化鉀粉體加入到混合漿料三中進行球磨處理，得到混合漿料四，所述納米氟化鉀粉體與天然鱗片石墨的質(zhì)量比為15～25：100；

4)在混合漿料四的基礎(chǔ)上重復(fù)步驟3)一次，得到混合漿料五；