一种钾离子电池负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种钾离子电池负极材料及其制备方法和应用，涉及钾离子电池技术领域。钾离子电池负极材料，包括复合材料以及导电材料和粘结剂；所述复合材料包括中空多孔碳棒和Bi3Se4颗粒；所述Bi3Se4颗粒分布于所述中空多孔碳棒的内部。本发明专利技术同时使用纳米结构设计、硒化以及碳保护的策略，可控构建一种中空多孔碳棒保护的Bi3Se4颗粒钾电复合材料，旨在抑制和缓冲铋基材料在嵌钾时的体积膨胀以及提高铋的比容量，制备具有高容量和长循环稳定性的钾离子电池负极材料。钾离子电池负极材料。钾离子电池负极材料。

A negative electrode material for potassium ion battery and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种钾离子电池负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及钾离子电池
，特别是涉及一种钾离子电池负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在过去的几十年，化石燃料的持续消耗导致成本与环境问题。因此，可再生能源储能装置受到特别关注。锂离子电池由于其高能量密度以及长循环寿命等，已成为便携式储能和大规模电能储存的主导技术。然而锂离子资源的储量有限，导致锂离子电池发展出现瓶颈。近年来，钾离子电池由于其资源储量优势明显，且具有与锂离子电池相同的工作原理和相近的电化学电位，受到广泛关注。
[0003]然而，钾离子电池的发展需要寻找能够提供高可逆容量的稳定电极材料。由于钾离子（1.38
ꢀÅ
）与锂离子（0.76
ꢀÅ
）相比具有较大的半径，在钾化/去钾化的过程中将会发生更大的结构变形，导致容量急剧衰减以及电极的结构失效。因此，开发合适的电池负极材料是解决此问题的重要策略。铋(Bi)具有高容量(3800 mAh cm
−3)，几乎是石墨(756 mAh cm
−3)的5倍。此外，Bi具有沿c轴的独特的大晶格条纹层结构(d（003）=3.95
ꢀÅ
)，有利于离子的插入。尽管如此，铋基材料的体积变化大导致电极断裂和粉碎，从而降低了循环稳定性。为了解决这些问题，对铋进行硒化以及与碳材料进行复合，是获得更优异电化学性能的有效策略。
[0004]目前，已有部分专利报道了硒化策略和复合策略。例如，中国专利CN112281183A公开了团簇状硒化铋及其制备方法，通过溶剂热法合成了团簇状的硒化铋。但是团簇状的硒化铋结构团聚，活性物质利用率较低，影响导电率，进而影响钾离子电池的性能。中国专利CN113161530A公开了一种铋基纳米材料及其制备方法和应用，所述铋基纳米材料包含了铋纳米颗粒和氮参杂多孔碳纤维，是由氮掺杂多孔碳纤维包裹铋纳米颗粒。其将碳源、铋源和含氮造孔剂制备前驱体，再通过静电纺丝后进行煅烧得到铋基纳米材料。上述铋基纳米材料具有较多空隙，储能空间较大，但其制备方法较为复杂，且比容量较小。

技术实现思路

[0005]基于上述内容，本专利技术提供一种电池负极材料及其制备方法和应用，同时使用纳米结构设计、硒化以及碳保护的策略，可控构建一种中空多孔碳棒保护的Bi3Se4颗粒钾电复合材料，旨在抑制和缓冲铋基材料在嵌钾时的体积膨胀以及提高铋的比容量，制备具有高容量和长循环稳定性的钾离子电池负极材料。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术技术方案之一，一种复合材料，所述复合材料包括中空多孔碳棒和Bi3Se4纳米颗粒；所述Bi3Se4纳米颗粒分布于所述中空多孔碳棒的内部。
[0007]本专利技术技术方案之二，上述复合材料的制备方法，包括以下步骤：将铋源和有机配体分散在有机溶剂中，形成均匀溶液；
将所述均匀溶液进行水热反应，得到Bi
‑
MOF前驱体；将所述Bi
‑
MOF前驱体与硒源进行气相沉积反应，使所述硒源挥发沉积到所述Bi
‑
MOF前驱体中与其中的Bi反应，得到所述复合材料。
[0008]进一步地，所述铋源与所述有机配体的质量比为1：（1
‑
10）；所述铋源为五水合硝酸铋、三氯化铋、柠檬酸铋、亚硝酸铋、次磷酸铋、碳酸铋钠或次碳酸铋中的一种；所述有机配体为吡啶二羧酸、杂环二羧酸、均苯三甲酸、2,4,6
‑
三(4
‑
羧基苯基)
‑
1,3,5
‑
三嗪、联苯三羧酸、1,3,5
‑
三(4
‑
羧基苯基)苯或1,3,6,8
‑
四（对苯甲酸）芘中的一种；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、N,N
‑
二甲基甲酰胺（DMF）、丙酮或乙二醇中的一种或两种。
[0009]进一步地，所述水热反应具体为：100
‑
180℃反应1
‑
24h；所述Bi
‑
MOF前驱体与硒源的质量比为1：（1
‑
10）；所述硒源为硒粉；所述气相沉积反应具体为：将Bi
‑
MOF前驱体和硒源分别放置在两个石英舟中，在惰性气氛中以2
‑
20℃/min速率升温至700
‑
1000℃保温1~24h，进行气相沉积反应。
[0010]本专利技术技术方案之三，上述的复合材料在钾离子电池负极材料中的应用。
[0011]本专利技术技术方案之四，一种钾离子电池负极材料，包括上述的复合材料以及导电材料和粘结剂。
[0012]进一步地，所述复合材料与所述导电材料和粘结剂的质量比为7
‑
8:1
‑
2:0.5
‑
1，优选的可为7:2:1、8:1:1或8:1.5:0.5等；所述导电材料为导电炭黑，具体为乙炔黑；所述粘结剂为羧甲基纤维素钠。
[0013]本专利技术技术方案之五，上述的钾离子电池负极材料的制备方法，将所述复合材料、导电材料和粘结剂与水混合成均匀的浆料后涂布，干燥，得到所述钾离子电池负极材料。
[0014]进一步地，所述干燥具体为：真空条件下，50~80℃干燥12~48 h。
[0015]本专利技术技术方案之六，上述的钾离子电池负极材料在钾离子电池中的应用。
[0016]本专利技术技术方案之七，一种钾离子电池，包括上述的复合材料。
[0017]进一步地，所述钾离子电池中的电解液为浓度0.8
‑
1mol/L的六氟磷酸钾（KPF6）溶液，电解液的溶剂为乙二醇二甲醚，或碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）体积比1:1的混合溶剂；所述钾离子电池中的隔膜为玻璃纤维。
[0018]本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供一种中空多孔碳棒保护的Bi3Se4颗粒钾电复合材料，合成方法简单，活性物质利用率高，电极材料结构稳定，缓冲空间大，能够较好地提高钾离子电池的倍率和循环稳定性。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为实施例1制备的Bi
‑
MOF前驱体的透射电子显微镜照片；图2为实施例1制备的Bi3Se4/CR的透射电子显微镜照片；图3为本专利技术所制备的Bi3Se4/CR的结构示意图；
图4为实施例1制备的Bi3Se4/CR的X射线衍射图；图5为实施例1制备的Bi3Se4/CR负极材料的倍率性能图；图6为实施例1制备的Bi3Se4/CR负极材料在1000 mA g
‑1的电流密度下的循环性能图；图7为实施例1制备的Bi3Se4/CR负极材料在5000 mA本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料包括中空多孔碳棒和Bi3Se4纳米颗粒；所述Bi3Se4纳米颗粒分布于所述中空多孔碳棒的内部。2.一种权利要求1所述复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将铋源和有机配体分散在有机溶剂中，形成均匀溶液；将所述均匀溶液进行水热反应，得到Bi
‑
MOF前驱体；将所述Bi
‑
MOF前驱体与硒源进行气相沉积反应，得到所述复合材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述铋源与所述有机配体的质量比为1：（1
‑
10）；所述铋源为五水合硝酸铋、三氯化铋、柠檬酸铋、亚硝酸铋、次磷酸铋、碳酸铋钠或次碳酸铋中的一种；所述有机配体为吡啶二羧酸、杂环二羧酸、均苯三甲酸、2,4,6
‑
三(4
‑
羧基苯基)
‑
1,3,5
‑
三嗪、联苯三羧酸、1,3,5
‑
三(4
‑
羧基苯基)苯或1,3,6,8
‑
四（对苯甲酸）芘中的一种；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、N,N
‑
二甲基甲酰胺、丙酮或乙二醇中的一种或两种。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏岩，陈智松，刘喜，孙影娟，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：