[发明专利]一种钾碳复合负极、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种钾碳复合负极、制备方法及其在钾电池中的应用，该复合负极由钾和碳两种元素构成，该钾碳复合负极经熔融混和冷却得到。本发明将碳材料引入到钾金属中形成负极，并通过优化钾和碳的比例，一方面有助于解决钾金属负极无法在高温稳定循环的问题；另一方面可以改善对电极/电解液界面兼容性，抑制界面副反应，从而降低界面电阻，有利于获得高性能的钾电池。

技术领域

本发明属于钾电池负极技术领域，具体涉及一种钾碳复合负极材料、制备方法及其在钾电池中的应用。

背景技术

虽然锂离子电池在二次电池中仍然占有主导地位，但随着新能源汽车对锂离子电池能量密度要求越来越高，而传统的基于嵌入反应的锂离子电池的能量密度已达极限，即以石墨为负极的锂离子电池的能量密度已接近瓶颈值，开发以金属锂为负极的锂电池(包括锂硫电池、锂空电池)势在必行。另一方面，随着新能源汽车的发展，锂资源的消耗很快，但锂在地球上的储量非常有限，相比之下，钾的储量较丰富，可以满足大规模的使用。此外，纯金属钾的理论容量高(687mAh g^-1)，工作电位低(E₀K⁺/K＝-2.94V)，是能量密度最高的钾电池负极材料。因此，开发新型的钾电池已成为当前研发的热点。

但直接使用钾金属为负极的电池的一个致命问题是钾金属在充放电循环中会形成枝晶，引发电池的安全问题；另外，由于钾金属熔点低(63.65℃)，在63.65℃以上纯的钾金属转变为液态，基于纯钾负极的高温电池需要严格的电池封装技术，显著地增大了电池的成本；此外，液态金属钾负极无法与电解液匹配，难以研制高性能的液态电池。针对钾枝晶的问题，研究人员开展了大量的研究工作，但是对于金属钾负极的热稳定性及高温条件下的电化学性能极少被关注，发展耐高温钾金属负极对于研究极端高温条件下应用的钾电池具有重要意义。

钾和碳材料都是储量丰富的元素，发展基于钾碳复合负极的钾电池有望获得高性能的钾电池同时有效降低成本。关于钾碳复合负极：专利CN 109037627 B，将氟化碳和钾混和制备钾氟化碳复合负极，这种方法的缺点在于引入氟元素，氟工艺存在安全风险(氟有毒)，且成本高；论文1 Processable potassium metal anode for stable batteries,10.1002/eem2.12244,将还原氧化石墨烯与钾混合制备了耐高温的钾碳复合负极材料，论文2 An intercaltion compound for high-safe K metal batteries,10.1016/j.ensm.2021.06.038,将石墨与钾混合制备了钾碳负极材料。但上述钾碳混合物中碳含量均高于50％，显著降低了电池的容量。此外论文1中钾碳复合负极因是通过将钾金属熔渗至石墨烯薄膜中制备，工艺复杂，且成本较高。论文2中钾碳复合负极通过模压成型制备，无法获得厚度低且具有韧性的电极。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提高钾负极的安全性、拓宽其温度适用区间及提高钾电池性能，本发明通过在熔融钾中混和碳材料冷却制备钾碳复合负极以提高钾电池在高温中的循环稳定性，并通过调节钾碳比例提高钾电池性能。

具体技术方案如下：

一种钾碳复合负极，由钾和碳两种元素构成，其中碳占总质量的比例低于30％，且碳含量随碳材料类型变化而变化，所述碳材料为天然石墨、人造石墨、石墨烯、碳纳米管、硬碳、软碳、导电碳黑、中间相碳微球、富勒烯的一种或多种。

特别地，一种钾碳复合负极，其特征在于，所述碳材料为石墨烯，且其中石墨烯占总质量的比例为5％-20％。

特别地，一种钾碳复合负极，其特征在于，所述碳材料为石墨，且其中石墨占总质量的比例为5％-30％。

特别地，一种钾碳复合负极，其特征在于，所述碳材料为碳纳米管，且其中碳纳米管占总质量的比例为5％-30％。