[发明专利]一种安全高效钾金属电极材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种安全高效钾金属电极材料的制备方法及作为钾金属电池负极材料的应用，通过简单的加温及搅拌过程即可一步获得钾碳化合物粉末，并进一步制备出安全高效的钾金属电池负极材料。该电极与氧气和水反应皆比金属钾具有更好的稳定性与安全性，组装成电池后，无金属钾的存在，在保证正常工作的同时有效的提高了钾金属电池的安全性能，操作简单，可重复性好，有助于其大规模商业化应用。

技术领域

本发明涉及钾金属二次电池负极材料的技术领域，具体涉及一种安全高效钾金属电极材料的制备方法及作为钾金属电池负极材料的应用。

背景技术

随着科技的进步与发展，实现安全、经济、环境友好且可持续的能量存储设备已成为二十一世纪重大的科学挑战。目前，锂离子电池作为能量存储器件已经成功应用于日常生活中的便携式电子设备、电动汽车等。但是，锂离子电池由于其能量密度有限(通常≤250W h kg^-1)，基于石墨负极的商用锂离子电池已不再能满足电动汽车长续驶里程的需求。因此，发展其他可替代的二次电池将成为新的科技挑战。

碱金属负极因其较高的能量密度在多种便携式电子设备和能量存储系统中有着很大的应用前景，众多研究者将目光集中在锂金属负极的研究上，因其具有3860mAh g^-1的高理论容量和较低的负电化学势(相对于标准氢电极为-3.040V)。但是，锂金属负极的实际应用仍然面临一些巨大的阻碍，例如锂资源的限制(地壳中质量百分比为0.065％，且分布不均匀，主要分布在南美地区)，而将其作为负极的主要组分，却需要大量的锂资源；其次，金属锂不断地电镀/剥离过程中会出现质地较硬的不规则树枝状结晶，容易刺穿隔膜，导致电池短路甚至严重的安全问题。

同为碱金属元素的钾与锂具有相似的电化学性能，与其他碱金属离子相比，K⁺/K在非水介质(例如碳酸亚丙酯)中表现出最低的氧化还原电位，这使钾金属电池具有较高的工作电压和能量密度。K⁺还具有弱的路易斯酸度和低脱溶剂能，因此其离子迁移率和离子电导率比钠离子和锂离子高，这有望促进电池的快速扩散动力学。最重要的是钾元素在地球上具有丰富的储量，价格相对低廉且易得，在循环过程中即使有枝晶的形成，质地也较软，不易刺破隔膜而造成短路，因而钾金属电池被认为是最具发展潜力的碱金属电池。然而，金属钾具有极高的反应活性和较差的稳定性，钾金属电池由于外力或故障发生破损等意外情况，内部的金属钾会与周围环境中存在的氧气、水等发生剧烈的化学反应，造成火灾乃至爆炸，在实际应用的过程中存在极大的安全隐患。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种安全高效钾金属电池负极材料的制备方法及应用，该方法能够直接合成具有高能量密度，且比金属钾更安全稳定的钾碳化合物粉末材料，通过压制成片制备出安全高效的钾金属电池负极，该方法操作简便，可大规模生产，从而促进钾金属电池的商业化应用。

一种安全高效钾金属电极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)在惰性气体保护下，将干燥后的碳材料放入坩埚容器中，升温并不断搅拌，使碳材料受热均匀；

2)在惰性气体保护下，将切除氧化膜后的金属钾放入坩埚中与受热均匀后的碳材料混合，在高温下不断搅拌，使反应持续发生，搅拌后，坩埚中的碳材料从黑色完全转化成金黄色，制备得到钾碳化合物粉末；

3)在惰性气体保护下，将钾碳化合物粉末在0.1～8t压力经过0～30min保压时间制得钾碳化合物片，得到安全高效钾金属电极材料。

步骤1)中，所述的惰性气体包括但不限于氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气等一种或几种的比例混合。作为优选，所述的惰性气体为氩气，水和氧含量均低于0.1ppm。

所述的干燥采用在真空烘箱中干燥。

所述的坩埚容器为不与钾反应的容器，包括但不限于镍坩埚、石墨坩埚、石英坩埚、不锈钢坩埚、铂金坩埚、刚玉坩埚、氧化锆坩埚、碳化硅坩埚。作为优选，所述的坩埚为镍坩埚。