[發明專利]一種碳納米管穿插的KFeSO4

有效

• 申請號: 202210141854.6
• 申請日: 2022-02-16
• 公開（公告）號: CN114628623B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 周小四;廖家英
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/36;H01M4/58;H01M4/587;H01M10/054;H01M4/62
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種碳納米管穿插的KFeSOsubgt;4/subgt;F材料的制備方法及應用，該方法為：將碳納米管酸化后分散于多元醇溶劑中，得到碳納米管分散液；將鐵源和氟化鉀攪拌溶解于碳納米管分散液中，得到混合液；使混合液經溶劑熱反應生成沉淀；將沉淀在還原性氣氛中煅燒后制得。本發明方法工藝簡單，使用的原料綠色環保，制得的KFSF@CNTs材料具有優異的電化學性能，是一種有前景的鉀離子電池正極材料。

技術領域

本發明涉及一種鉀離子電池正極材料的制備方法及應用，尤其涉及一種碳納米管穿插的KFeSO₄F材料的制法及應用。

背景技術

鋰離子電池由于具有高能量密度、長周期壽命和高工作電壓等優勢，已成為電動汽車、便攜式電子設備，乃至固定儲能系統等領域的主要電源。然而，鋰資源的稀缺和高昂的價格不利于其在大規模儲能體系中的應用。近年來，鉀離子電池作為一種很有前途的替代品而引起了廣泛的興趣。鉀與鈉相較鋰在自然界的含量更高，價格低廉，并且它們與鋰離子電池的電化學機制相似。另外，鉀的氧化還原電位(K/K⁺：–2.93V)比鈉的(Na/Na⁺：–2.71V)更低，溶劑化的鉀離子半徑也更小，因此鉀離子電池可能具有更高的能量密度，更高的倍率性能，在實際應用中也具有更大的潛力。

KFeSO₄F因其原料廉價易得，同時具有三維的離子通道、高理論比容量、高工作電壓和高結構穩定性而成為鉀離子電池的理想正極材料。然而，KFeSO₄F屬于聚陰離子型化合物，其電子導電性較差。但由于硫酸鹽的熱穩定較差(超過450℃即分解)，KFeSO₄F在合成過程中難以進行高溫煅燒，也無法通過此類方法來進行碳包覆。因此KFeSO₄F材料的發展和應用受到實際比容量偏低、循環穩定性和倍率能力較差的限制。

傳統的KFeSO₄F材料合成是通過將FeSO₄和KF球磨混合，然后在380℃左右的中低溫煅燒4天獲得。該反應耗費時間長，并且產物中往往存在一些雜相。近年來，研究人員開始嘗試采用溶劑熱方法合成KFeSO₄F，通過FeSO₄·7H₂O和KF在乙二醇溶劑中溶劑熱反應獲得，該反應時間僅需6小時。隨后通過固相球磨將KFeSO₄F與高導電性的石墨烯機械混合，獲得的復合材料相較于初始材料展現出更高的比容量，但循環和倍率性能的提升很有限。

因此，傳統的固相方法中，FeSO₄和KF的反應耗時長，反應產物還存在一些電化學非活性的雜相。其次，機械混合包碳方法會破壞KFeSO₄F原有的微觀形貌結構，并且材料與碳材料接觸的緊密程度仍有待改善。

發明內容

發明目的：本發明的第一個目的是提供一種循環性能及倍率性能優異的碳納米管穿插的KFeSO₄F材料的制備方法；

本發明的第二個目的是提供一種上述碳納米管穿插的KFeSO₄F材料的制備方法制備的碳納米管穿插的KFeSO₄F材料的應用。

技術方案：本發明所述的碳納米管穿插的KFeSO₄F材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將碳納米管酸化后分散于多元醇溶劑中，得到碳納米管分散液；

(2)將鐵源和氟化鉀攪拌溶解于碳納米管分散液中，得到混合液；

(3)使步驟(2)中的混合液經溶劑熱反應生成沉淀；

(4)將步驟(3)中的沉淀在還原性氣氛中煅燒，得到碳納米管穿插的KFeSO₄F材料。