[发明专利]一种液态钠钾合金@柔性中空碳纸电极的制备及其应用

说明书

本发明公开了一种液态钠钾合金@柔性中空碳纸电极的制备及其在钾离子电池和钠离子电池中的应用，属于能源存储制造领域。所述液态钠钾合金@柔性中空碳纸电极的制备方法包括：(1)制备空心碳球；(2)制备柔性中空碳纸；(3)室温条件下利用柔性中空碳纸吸附液态钠钾合金。本发明方法制备的柔性中空碳纸可以在常温条件下对液态钠钾合金进行吸附，与其他碳基底材料相比，省去高温加热的吸附过程，从而提高制备工艺安全性和可行性。本发明制备的液态钠钾合金@柔性中空碳纸可以作为电极用于钠离子或钾离子电池中，与硫化正极材料匹配时，表现出较高的可逆容量以及长循环稳定性，在未来可穿戴器件中有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及能源存储制造领域，具体涉及一种液态钠钾合金@柔性中空碳纸电极的制备及其在钾离子电池和钠离子电池中的应用。

背景技术

在过去的几十年里，碱金属(Li、Na和K)由于高的理论容量，低的电位，直接作为二次充电电池(Li-S，Na-S和K-O₂)的负极已被广泛研究。然而，由于碱金属负极极其活泼的特性，使其实际应用受到一些阻碍。一方面，碱金属表面与有机电解质发生反应，形成固态电解质界面膜，这会消耗活性碱金属，降低库仑效率和整体能量密度。另一方面，碱金属表面容易产生枝晶，枝晶容易刺穿隔膜，发生短路造成安全隐患。为了解决这些问题，首先想到的是在电池体系中引入固态电解质，但由于固态电解质与碱金属之间存在比较大的界面电阻，使其电化学性能受到较大的影响。另一种策略是使用无枝晶的液态碱金属负极，主要是由于液态碱金属与液态有机电解质界面没有枝晶的生长。因此，开发稳定的室温液态碱金属负极具有重要意义。

钠金属和钠金属在室温下可以发生共熔形成钠钾合金。此外，钠和钾的储量是锂的1000多倍，而且在海洋中随处可得，因此它们在大容量电池应用中具有更大的市场潜力。然而，由于液态钠钾合金具有较强的表面张力，在陶瓷固体电解质、玻璃纤维和聚丙烯隔膜等常规衬底上的润湿性较差，不利于电池的组装以及应用。因此，寻找合适的基底材料，有效吸附液态钠钾合金作为电极应用到电池中是非常重要的。

在以往的研究中，用来固定合金的多孔基体是在420℃时被合金湿化的碳纸，该合金在室温下仍留在纸上。德克萨斯大学John B.Goodenough的研究发现，在室温和真空条件下，液体Na-K合金可以渗透到多孔Cu或Al膜中(Room-Temperature Liquid Na-K AnodeMembranes.Angew,2018,DOI:10.1002/anie.201809622)。

浙江大学涂江平课题组等基于当前钠钾合金在研究与应用中存在的问题与当前取得的进展，提出了一种具有超低表面张力的非牛顿流体态的钠钾合金电极材料，具体的，将KNA与Super P混合并随后搅拌几分钟，使得Super P颗粒上涂覆均匀的液态合金，可以制备成非牛顿流体态粘稠液体KNA@C，KNA@C复合材料是粘性的并且易于粘附在Cu箔上(Non-Newtonian fluidstate K-Na alloy for a stretchable energy storage device.Smallmethods,2019,1900383.)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高导电的碳基底材料，能够在室温条件下对液态钠钾合金有效吸附，并应用到钾离子电池或钠离子电池体系中。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种液态钠钾合金@柔性中空碳纸电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将间苯二酚、甲醛加入到乙醇和水的混合溶液，搅拌反应，然后离心收集沉淀，经洗涤干燥得到黄色固体粉末，再在惰性气体保护下碳化得到球状的硬碳材料，经过HF刻蚀得到空心碳球；

(2)将空心碳球和高分子粘结剂加入到有机溶剂中混合均匀，再将混合溶液平铺，待溶剂挥发后制得柔性中空碳纸；