[發明專利]一種鉀金屬電池負極、制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202211207806.9
• 申請日: 2022-09-30
• 公開（公告）號: CN115440923A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 葉明暉;陳嘉俊;熊佳明;李成超
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/13;H01M4/139;H01M10/054
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 余勝茂

本發明涉及一種鉀金屬電池負極、制備方法及其應用，屬于鉀金屬電池負極技術領域，所述鉀金屬電池負極為鉀金屬@氮摻雜石墨烯納米網復合物K@NGM，以此為負極，以KMnHCF/G為正極制備的全電池，可輸出4V的平均放電平臺。本發明的4V鉀金屬電池，其導電、柔性的負極載體NGM具有豐富的納米孔，促使鉀離子快速、均一地傳遞，提高了電池的倍率性能同時避免了鉀枝晶的形成。此外，該NGM中摻雜的氮原子降低了鉀離子的沉積能壘，從而抑制電池的電化學極化。KMnHCF/G║K@NGM全電池輸出4V的放電平臺、長的循環壽命和高的倍率性能。

技術領域

本發明屬于鉀金屬電池負極技術領域，涉及一種鉀金屬電池負極、制備方法及其應用。

背景技術

自1991年商業化以來，鋰離子電池作為一種高電壓、高比容量的儲能器件廣泛應用于便攜式電子產品、電動汽車中。然而，從長遠的發展來看，由于鋰資源有限(在地殼中的含量約為0.0017wt.％)且分布不均勻，鋰離子電池正面臨鋰稀缺的困境。與鋰離子電池(鋰金屬的價格為100,000美元/噸)相比，由于鉀的自然資源豐富(1.5wt.％)和低廉的價格(13,000美元/噸)，可充放電的鉀離子電池(KIBs)具有較低的生產成本。KIBs主要由鉀正極、鉀負極、隔膜、電解液和外包裝組成。碳基材料是一種常用的鉀負極，如硬碳、軟碳、碳納米管、石墨、石墨烯和Sn₃P₄/石墨烯復合物等，但它們低的比容量(200～330mAh g^-1)無法滿足高能量密度KIBs的需求。

和碳基材料負極相比，鉀金屬負極(KMA)具有低的電極電勢(-2.931V vs.標準氫電極)和高的理論比容量(687mAh g^-1)。匹配合適的鉀正極組裝鉀金屬電池(KMBs)，可以輸出高的放電平臺和高的能量密度。然而，KMBs的實際應用受到了KMA的限制，歸納為以下兩個方面。(1)KMA在充放電過程中的體積膨脹與收縮促使固態電解質界面層(SEI)反復破裂與修復，最終導致電解液的快速消耗與短的循環壽命。為了提高鉀金屬SEI的穩定性，科學們分別提出了電子傳導(例如碳紙、碳納米管和石墨)和離子傳導(例如AlF₃、SbF₃、K_xP_y、K₂S和K₂Te)的人工界面層。然而，厚的鉀片不僅具有低的利用率(10％)，而且增加了整個電池的重量，降低了KMB的能量密度和功率密度。因此，避免使用厚的鉀片，采用低面容量的KMA(例如5mAh cm^-2)符合鉀電池的未來發展趨勢。(2)鉀離子的不均一分布導致鉀枝晶的形成與生長，一方面它們加劇了電解液的分解，導致KMB低的庫倫效率(CE)；另一方面，容易刺穿隔膜到達正極，導致微短路，局部過熱甚至起火爆炸，帶來安全隱患。根據電化學反應：K⁺+e^-＝K^o,鉀沉積的行為與鉀離子的分布和電場有關。引入三維導電、“親鉀”的載體可以減低鉀離子沉積時的局部電流密度，延長鉀枝晶生長的時間，例如石墨烯、石墨、碳納米管、鋁粉包覆的鋁箔、含有氧官能團的碳布、SnO₂修飾的碳納米纖維、Cu₃Pt合金功能化的銅網、Ti₃C₂MXene納米帶和MXene/碳納米管薄膜等。盡管這些優點，但上述的鉀載體無法解決鉀離子不均一分布和緩慢傳輸動力學的難題。因此，實現鉀離子快速、均一的傳遞依然充滿了挑戰。

發明內容

為了解決現有技術中的不足和缺點，本發明的目的一在于一種鉀金屬電池負極(K@NGM負極)的制備方法，該方法只需水熱反應和高溫碳化制備NGM，簡化了制備工藝，縮短了反應時間，提高產物均勻性，避免雜相的生成。采用恒流電化學沉積法一步合成K@NGM負極。

本發明的目的二在于提供采用上述制備方法制備的K@NGM負極。

本發明的目的三在于提供所述K@NGM負極在K@NGM負極在鉀金屬電池中的應用。