[发明专利]一种硫掺杂硬碳材料、其制备方法及其作为负极的钾离子电池

说明书

本发明涉及一种硫掺杂硬碳材料、其制备方法及其作为负极的钾离子电池，所述硬碳材料具有多孔结构，所述硫原子至少部分分布在所述硬碳材料的内部。所述硬碳材料的制备方法包括：(1)将高硫煤酸洗，然后浸渍于碱性溶液中，制得预产品；(2)在保护性气氛下，将预产品进行热处理，制得硬碳材料；(3)将硬碳材料进行酸溶液浸泡、洗涤、过滤和烘干过程。本发明以高硫煤为原料，制得的硬碳材料孔径大小可以满足钾离子嵌入/脱出要求，与此同时，硫元素原位自掺杂于材料的表面和碳基体中，赋予材料新的电化学活性及更理想的孔道结构。本发明制得的碳材料中硫元素分布更均匀、生产成本更低廉。

技术领域

本发明属于硬碳材料技术领域，具体涉及一种硫掺杂硬碳材料、其制备方法及其作为负极的钾离子电池，所述硫掺杂硬碳材料用于钾离子电池领域。

背景技术

目前，新一代二次电池已经引起科学研究者的广泛兴趣，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长和无污染等突出优点，已成为电池市场的主流，并开始应用于驱动电动汽车。但随着锂离子电池的大规模应用，锂的价格和资源的有限性越来越为人们所担忧。近年来，许多新型替代储能电池应运而生并迅速发展，主要包括钠离子、钾离子、镁离子、钙离子等二次电池。

钾离子电池作为新型替代储能电池具有许多优势，钾源在地壳的中的含量丰富、价格低廉；钾离子电池与锂离子电池的标准还原电势最为接近，因而能量密度高；钾离子电池电解液电化学活性高，有利于离子和电子的传输。目前已报道的钾离子电池负极材料的研究较少，研究的重点还是集中在碳材料上，然而，由于钾离子半径过大以及钾更高的化学活性，通常用于锂、钠离子电池的碳负极性能表现不佳，。

CN105810914A公开了一种钠离子电池硫掺杂多孔碳材料及其制备方法，硫掺杂多孔碳材料由硫通过化学掺杂在碳材料中构成，所述碳材料具有疏松多孔的海绵状结构。所述制备方法是将金属无机盐与有机配体通过原位生长法制备金属有机框架材料，金属有机框架材料与硫粉通过研磨混合后，置于惰性气体下，先进行低温热处理，再进行高温碳化，碳化产物经洗涤、干燥，即得。所述方法制得的硫掺杂多孔碳材料作为钠离子电池负极具有优异的长循环稳定性能，良好的倍率性能以及高比容量等，但其制备过程复杂，可控性差，难以工业化生产。

CN107317015A公开了一种氧化锌/碳复合材料为负极制备钾离子电池的方法，采取高温固相烧结合的方法制备钾离子电池负极材料，制备过程中，调控反应过程中技术参数，得到氧化锌/碳复合材料，并将氧化锌/碳复合材料作为钾离子电池的负极材料，制得钾离子电池。所述合成方法简单，操作步骤可控，易于扩大生产，但制备的材料性能无法满足钾离子电池性能要求。

CN108039464A公开了一种自支撑钠/钾离子电池材料及其制备方法与应用，所述自支撑钠/钾离子电池材料具体为多孔硫掺杂石墨烯气凝胶，其硫的含量为2～10wt％，结构为片状石墨烯自组装形成的三维结构。氧化石墨烯水溶液先与氨水反应后冷冻干燥得到石墨烯气凝胶，再与硫蒸汽在高温下反应得到多孔硫掺杂石墨烯气凝胶。将该多孔硫掺杂石墨烯气凝胶压实后可以自支撑方式用于钠/钾离子电池负极。所述多孔硫掺杂石墨烯气凝胶作为负极的钠/钾离子电池具有优异的循环性能和倍率性能，但制备方法复杂，无法工业化生产。

所以本领域需要开发一种用于钾离子电池的碳负极材料，使其具有稳定的结构、合适的电化学脱嵌钾平台，比容量大，适于工业化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种硫掺杂硬碳材料，所述硬碳材料具有多孔结构，所述硫原子至少部分分布在所述硬碳材料的内部。

本发明设计的多孔碳材料能够匹配钾离子电池对负极材料的要求，硫原子的掺杂可以增加碳材料的层间距并获得更理想的孔道结构，满足钾离子嵌入/脱出要求。