一种用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料及其制备方法，属于钾离子电池技术领域。本发明专利技术的多孔铋碳纤维负极材料的制备方法包括如下步骤：将四乙氧基硅烷滴加入一定浓度的乙醇溶液制备二氧化硅，将氯化铋、聚丙烯腈和二氧化硅溶于N,N

【技术实现步骤摘要】
一种用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料及其制备方法，属于钾离子电池


技术介绍

[0002]清洁能源可以减少对化石能源储量的依赖，但是这些清洁能源在实际应用中往往都受到自然条件的限制，而储能器件能够提高各种能源利用的效率，弥补清洁能源受自然条件限制的缺陷，电池就是一种常用的储能器件。
[0003]锂离子电池广泛应用于电子产品和电动汽车领域。然而，由于锂离子电池成本高、锂资源有限，使人们对锂离子电池的应用产生了担忧。由于钾的成本低、资源丰富，和锂具有相似的物理和化学性质，从而引起广泛研究。在钾离子电池中，负极材料对电池的容量和循环寿命起着重要作用，由于金属铋的理论容量较高，环保且成本较低，被认为是很有前途的负极材料。但是，在电池循环过程中，由于钾离子半径和摩尔质量较大，使得钾离子电池的嵌入/脱出过程更加缓慢，导致体积急剧增加。目前，已有研究表明铋的纳米化是有效缓解电池在循环过程中体积膨胀的策略之一，纳米化的铋可以缩短钾离子的传输距离，提高电池的循环能力。
[0004]纳米管的孔状结构材料能够为钾的嵌入和脱出提供更加便捷快速的通道，同时具有良好的稳定性，因此，设计合成铋碳作为一种比容量高、循环寿命长的二维纳米材料对钾离子电池具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料的制备方法，以提高钾离子电池的电化学性能。
[0006]本专利技术还提供一种上述制备方法制得的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料以及使用该复合负极材料的钾离子电池。
[0007]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案如下：一种用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1）在50 mL的乙醇中加入一定量的超纯水稀释，缓慢滴加四乙氧基硅烷，超声使得成分充分混合，在室温下静置过夜。对溶液进行离心，沉淀产物分别用超纯水和乙醇各洗涤三遍，并于真空条件下干燥过夜，得到SiO2产物。
[0008]2）将聚丙烯腈（PAN）溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺（DMF）中，在油浴条件下搅拌均匀，形成淡黄色的悬浊液，再依次加入氯化铋（BiCl3）和二氧化硅（SiO2），搅拌过夜，形成乳白色的悬浊液。将配置好的电纺溶液置于注射器中，进行静电纺丝，制备得到含铋的电纺纤维。
[0009]3）将步骤2）中收集的电纺纤维材料在空气中250
‑
280
°
C保温1
‑
3 h，稳定材料的结构，再置于H2/Ar中煅烧碳化，600
‑
800
°
C保温4
‑
8 h。
[0010]4）将步骤3）得到的样品置于0.1
‑
0.2 mol/L的NaOH溶液中搅拌过夜，除去电纺纤维表面的二氧化硅，离心干燥后，即得多孔铋碳纤维材料。
[0011]优选的，步骤1）中50 mL乙醇加入超纯水的量为10
‑
20 mL，四乙氧基硅烷的用量为4.5
‑
5.0 mL，超声时间控制在20
‑
60 min，真空干燥温度为60
‑
80
°
C。
[0012]优选的，步骤2）中的N,N
‑
二甲基甲酰胺（DMF）的用量为8
‑
12 mL。
[0013]优选的，步骤2）中静电纺丝溶液的搅拌温度为50
‑
70
°
C，搅拌时间约为10
‑
14 h。
[0014]优选的，步骤2）中静电纺丝的电压为20
‑
25 kV，流速为0.5
‑
0.7 mL/h，湿度要求小于20 % 。
[0015]优选的，步骤2）中使用的针头内径为0.8 nm，接收器为铝箔材料；静电纺丝的喷丝宽度为10
‑
12 cm，喷丝板与集电极的距离保持在15
‑
20 cm。
[0016]优选的，步骤3）中H2/Ar管式炉的升温速率为2
‑5°
C/min。
[0017]优选的，步骤4）中对固液分离后得到的固体进行洗涤、真空干燥，所述洗涤是先用去离子水洗涤3次以上，再用无水乙醇洗涤；真空干燥的温度为50
‑
80
°
C，真空干燥的时间为12
‑
48 h。
[0018]一种如上所述的制备方法制得的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料。
[0019]一种钾离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液，所述负极包括负极集流体铜箔以及涂覆在负极集流体表面的负极材料层，所述负极材料层包括负极活性物质、导电剂、粘结剂，其特征在于：所述负极活性物质为上述的多孔铋碳纤维负极材料。
[0020]本专利技术的有益效果：本专利技术利用的静电纺丝技术，操作简单，产量丰富，易于控制产物的形貌。
[0021]本专利技术的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料因加入制备的球状二氧化硅(SiO2)，通过NaOH刻蚀去除后，拥有较大的比表面积，具有独特的孔状结构。这种结构不仅可以有效缓解金属在合金化反应中造成的体积膨胀，还能够为钾离子的迁移提供更多通道，促进电子/离子的快速转移，进而提高了负极材料的比容量和循环性能。
[0022]本专利技术的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料组装的钾离子半电池在4 A g
‑1的大电流密度下，在循环800圈后依然可以保持188 mAh g
‑1较高的相对比容量。对本专利技术的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料进行GITT计算，得到了钾离子在材料中的扩散速率，进一步揭示了这种独特的孔状结构可以有效减小离子的扩散能垒，有利于离子的穿梭。本专利技术为钾离子电池在实际生活中的应用奠定了基础，提供了一种绿色环保的负极材料。
附图说明
[0023]图1为实施例1中制得的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料的XRD图像；图2为实施例1中制得的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料的SEM图像；图3为实施例1
‑
3中制得的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料和实施例4中制得的用于钾离子电池的铋碳纤维负极材料组装的钾离子电池在4 A g
‑1电流密度下的放电曲线；图4为实施例1中制得的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料组装的钾离子电池的CV曲线；
图5为实施例1中制得的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料组装的钾离子电池的GITT计算图：时间—电压曲线对比图；图6为实施例1中制得的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料组装的钾离子电池的GITT计算图：脱嵌钾过程扩散系数。
具体实施方式
[0024]为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更容易理解，下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1）在乙醇中加入一定量的超纯水稀释，缓慢滴加四乙氧基硅烷，超声充分混合，在室温下静置过夜；对溶液进行离心，沉淀分别用超纯水和乙醇洗涤，并于真空条件下干燥过夜，得到SiO2产物；2）将聚丙烯腈溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺中，在油浴条件下搅拌均匀，形成淡黄色的悬浊液，再依次加入氯化铋和二氧化硅，搅拌过夜，形成悬浊液；将悬浊液进行静电纺丝，制备得到含铋的电纺纤维；3）将步骤2）中收集的电纺纤维在空气中250
‑
280
°
C保温1
‑
3 h，稳定材料的结构，再置于H2和Ar的混合气氛中600
‑
800
°
C保温4
‑
8 h，得到煅烧材料；4）将步骤3）得到的煅烧材料置于0.1
‑
0.2 mol/L的NaOH溶液中搅拌过夜，离心、干燥，即得。2.根据权利要求1所述的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中每50 mL乙醇加入超纯水10
‑
20 mL，每50 mL乙醇对应四乙氧基硅烷的用量为4.5
‑
5.0 mL。3.根据权利要求2所述的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中超声时间为20
‑
60 min，真空干燥温度为60
‑
80
°
C。4.根据权利要求1所述的用于钾离子电池的多孔铋碳纤维负极材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中电纺溶液的搅拌温度为50...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭生杰，章文，李林林，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：