[发明专利]一种高性能钾离子电池负极用硒化钴@碳复合材料、其制备方法及相匹配的电解液

说明书

本发明提供了一种高性能钾离子电池负极用硒化钴@碳复合材料、其制备方法及相匹配的电解液。所述复合材料中硒化钴的质量含量为50～80％，碳的质量含量为20～50％；所述硒化钴@碳复合材料的微观形貌为硒化钴纳米颗粒均匀分布于立方块结构的碳骨架内，立方块结构碳骨架被额外的碳层均匀包覆。本发明还提供了上述复合材料的制备方法以及与之相匹配的电解液。该复合材料独特的立方块碳骨架结构在钾离子的嵌入/脱嵌过程中会增强电荷转移，可以最大程度缓冲放电/充电过程中的体积变化。通过电解液的优化，进一步提高了复合材料应用于钾离子电池中的循环稳定性能。本发明的硒化钴@碳复合材料的制备方法，合成工艺简单，易操作。

技术领域

本发明涉及一种高性能钾离子电池负极用硒化钴@碳复合材料，其制备方法及相匹配的电解液，特别是通过电解液的优化来提高其电化学性能，属于电化学技术领域。

背景技术

近二十年来，随着电化学储能的迅速发展，市场对可再生、高效的储能设备的需求越来越大，可充电锂离子电池目前主导着电化学能源存储市场。但锂离子电池在大规模储能领域的进一步应用一直受到成本高、储量有限(地壳含量0.0017wt.％)、锂资源分布不均匀等问题的制约。因此，探索可替代的电池系统具有重要的现实意义。近年来，钠离子电池和钾离子电池因其在地壳中的丰度高(钠为2.36wt.％，钾为2.09wt.％)、成本低、电化学行为与锂离子电池相似而受到广泛关注。在有机溶剂(PC,EC/DEC)中K⁺/K的标准氧化还原电位低于Na⁺/Na和Li⁺/Li，说明钾离子电池可能比钠离子电池和锂离子电池具备更高的输出电压。与钠离子和锂离子相比，钾离子在有机溶剂中的溶剂化半径更小，去溶剂活化能更低，使得钾离子电池具有快速的动力学特性。因此，在大规模储能领域，钾离子电池被认为是锂离子电池最有前途的替代品之一。然而，钾离子电池在循环过程中由于钾枝晶生长引发的安全隐患，不稳定的SEI膜，脱嵌过程大的体积膨胀等原因导致钾离子电池循环性能及倍率性能较差，还有其比容量也有待提高。而发展高性能的电极材料是提高钾离子电池性能的关键因素。因此，设计和开发一种适用于钾离子电池的负极材料尤为关键。

目前，关于钾离子电池负极材料的报道，主要集中在碳材料上，其次为以合金化/去合金化反应作为储钾机理的合金类负极材料。例如，中国专利文件CN107331866A公开了一种膨胀石墨在钾离子电池负极材料中的应用，所述膨胀石墨的制备方法为，将石墨与浓酸混合搅拌后抽滤石墨，将抽滤后的石墨进行干燥，再将干燥后的石墨置于惰性气体中以1～20℃/min的速率升温至500～1000℃，保温一段时间后即得。中国专利文件CN108550840A提供了一种三维网状碳内嵌锑基合金钾离子电池负极材料，包括三维网状结构的薄碳层和锑基合金颗粒，该锑基合金颗粒均匀内嵌在薄碳层之中。但是，碳材料作为钾离子电池负极材料，依然存在储钾容量较低以及反应动力学慢等问题，很难满足实际需求；而对于合金类负极材料，由于其合金/去合金化反应机理，虽然相比脱嵌式负极具有更高的理论比容量，但是这种快速的合金/去合金过程容易导致电极材料较大的体积膨胀，使电极材料与集流体明显脱离，电池容量快速衰减。