碳包覆铁锰酸钾内连接纳米线材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提出了一种碳包覆K

Carbon coated iron potassium manganate inner connecting nano wire material and preparation method and application thereof

The invention provides a carbon coating K

【技术实现步骤摘要】
碳包覆铁锰酸钾内连接纳米线材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料与电化学
，具体涉及碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料及其制备方法，该材料可作为钾离子电池正极活性材料。
技术介绍
近年来，随着新型能源的发展及智能电网系统的推广，能源储存体系对于新型能源基础设施建设的要求越来越高。在当前的各种能源储存技术中，可充电电池由于其使用寿命长、经济效益好等优点而受到人们的青睐，例如，传统的铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池等。然而，每一种传统电池都存在缺点和局限性，很难满足日益增长的能源储存需求。由此，新型储能电池的开发与应用迫在眉睫。目前，已经开发的新型储能电池有钠离子电池、镁离子电池、锌离子电池、钙离子电池及混合离子电池等。由于钾元素在地球中的储量丰富，一种基于钾离子嵌入/脱出式的钾离子电池也开始受到广泛关注。在钾离子电池充放电过程中，由于钾离子的半径比较大，电池正极材料的结构很容易遭到破坏，致使钾离子电池的循环寿命较差及容量衰减较快。在已报道的钾离子正极材料中，普鲁士蓝类材料具有较大的离子扩散路径而被广泛研究，但其较差的电导率和较低的热稳定性，限制其在钾离子电池中的应用。因此，寻找一种结构稳定的钾离子正极材料，确保电池充放电过程中电极材料结构不会遭到破坏，显得尤为重要。为解决这一问题，我们设计构筑了一种新型以碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2纳米线内连接为基础的一维钾离子插层铁锰基层状氧化物，提高了钾离子电池的结构稳定性和倍率性能，改善了其电化学性能。目前，碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料还未见报道。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料及其制备方法，其制备过程简单，能耗较低，产率较高，所得到的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料作为钾离子电池正极材料具有良好的电化学性能。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料，由石墨化碳层包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2纳米晶粒形成直径为50-150nm的纳米线，纳米线之间相互交错连接，形成一维网状结构，其中表面碳层的含量为4.0-8.0wt.％.。碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料的制备方法，包括如下步骤：1)将钾源、铁源、锰源加入到去离子水中，在一定温度下搅拌混合均匀；2)将步骤1)所得溶液中加入一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌均匀静置，得到前驱体溶液；3)将步骤2)所得溶液转移入注射器中，在恒温下，采用高压静电纺丝技术制备纳米纤维；4)将步骤3)所得的纳米纤维在空气中进行预烧；5)将步骤4)所得产物在氩气氛围中煅烧，得到碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料。按上述方案：步骤1)所述的钾源为CH3COOK、KCl、K2CO3、K2SO4和KNO3中的任意一种或它们的混合；所述的铁源为Fe(NO3)3·9H2O和Fe2(SO4)3·7H2O中的任意一种或它们的混合；所述的锰源为Mn(CH3COO)2、MnC2O4和MnCO3中的任意一种或它们的混合。按上述方案：步骤2)所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的K＝30。按上述方案：所述的钾源、铁源、锰源按照K:Fe:Mn元素摩尔比为7:5:5配取；步骤1)所述溶液中K+浓度范围为7/100-7/60mol/L。按上述方案：步骤3)所述的恒温温度为60-90℃。按上述方案：步骤2)所述的搅拌时间4-12h。按上述方案：步骤4)所述的预烧温度为250-350℃，预烧时间为1-4h；步骤5)所述的煅烧温度为600-1000℃，煅烧时间为6-12h。所述的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料作为钾离子电池正极活性材料的应用。本专利技术结合高压静电纺丝技术和气氛锻造的方法，通过烧结碳化聚乙烯吡咯烷酮(K＝30)，最终得到碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料。电化学测试及性能表征显示，通过该方法制备的一维纳米线相互连接形成网状结构，形貌均一，外表被部分石墨化的碳层均匀包覆。内连接的一维纳米线材料，可以让K+/e-具有连续的三维扩散通道，提高传导速率，同时增大了K+脱出和嵌入过程中电极活性物质与电解液的接触面积。而碳包覆可以提高材料的导电性，且可以起到缓冲作用，提供活性材料在钾离子嵌入和脱出过程中体积膨胀收缩所需的空间，增加结构稳定性。通过此方法制备的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料大幅提高了钾离子电池的容量、倍率性能和循环寿命，解决了正极材料在充放电过程中体积变化大，导电性差，离子电子扩散速率慢的缺点，大幅优化了钾离子电池(半电池和全电池)的电化学性能。且本专利技术的制备方法简单高效，成本低，合成过程中无污染，在钾离子电池中具有巨大的发展前景。本专利技术制备的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料避免了水热合成模拟高温高压的苛刻条件，仅采用高压静电纺丝技术和气氛煅烧相结合的方法，制备出的材料产率高、形貌均一、性能优异。本专利技术的有益效果是：本专利技术将钾源、铁源、锰源混合，简单地采用高压静电纺丝技术和气氛保护烧结相结合的方法，制备出形貌均一、结构稳定的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料。将其应用于钾离子电池，表现出可逆比容量高、循环性能好、倍率性能高的电化学性能特征。此外，本制备工艺简单，能耗低，利于产业化推广。附图说明图1是本专利技术实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料SEM图；图2是本专利技术实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料和K0.7Fe0.5Mn0.5O2颗粒材料的XRD图；图3是本专利技术实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料和K0.7Fe0.5Mn0.5O2颗粒材料的拉曼光谱图；图4是本专利技术实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料和K0.7Fe0.5Mn0.5O2颗粒材料的TG对比图；图5是本专利技术实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料和K0.7Fe0.5Mn0.5O2颗粒材料的FT-IR图；图6是本专利技术实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料的TEM图；图7是本专利技术实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料和K0.7Fe0.5Mn0.5O2颗粒材料的元素分布图；图8是本专利技术实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料和K0.7Fe0.5Mn0.5O2颗粒材料的BET图；图9是本专利技术实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料的循环伏安曲线图；图10是实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料和碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2颗粒材料的倍率性能对比图；图11是实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料在20mAg-1电流密度下循环性能图；图12是实施例1的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料和K0.7Fe0.5Mn0.5O2颗粒材料在500m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳包覆K

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料，由石墨化碳层包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2纳米晶粒形成直径为50-150nm的纳米线，纳米线之间相互交错连接，形成一维网状结构，其中表面碳层的含量为4.0-8.0wt.％。2.碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料的制备方法，包括如下步骤：1)将钾源、铁源、锰源加入到去离子水中，在一定温度下搅拌混合均匀；2)将步骤1)所得溶液中加入一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌均匀静置，得到前驱体溶液；3)将步骤2)所得溶液转移入注射器中，在恒温下，采用高压静电纺丝技术制备纳米纤维；4)将步骤3)所得的纳米纤维在空气中进行预烧；5)将步骤4)所得产物在氩气氛围中煅烧，得到碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料。3.根据权利要求1所述的碳包覆K0.7Fe0.5Mn0.5O2内连接纳米线材料的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的钾源为CH3COOK、KCl、K2CO3、K2SO4和KNO3中的任意一种或它们的混合；所述的铁源为Fe(NO3)3·9H2O和Fe2(SO4)3·7H2O中的任意一种或它们的混合；所述的锰源为Mn(CH3COO)2、M...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦立强，汪晨阳，韩康，王选朋，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42