[发明专利]一种钾离子电池高能量密度碳基负极材料及其制备方法

说明书

本发明一种钾离子电池高能量密度碳基负极材料及其制备方法属于电池领域。该方法包括以下步骤：将氟化钾在乙醇中进行球磨处理成为纳米粉体；先后三次将特定量的聚偏二氟乙烯和纳米氟化钾粉体轮流加入到天然鳞片石墨的N‑甲基吡咯烷酮分散液中进行球磨处理，后加入乙炔炭黑继续球磨处理，得到混合浆料；将所得混合浆料涂敷在铜箔上并进行烘干处理，制得钾离子电池负极材料。这种碳基负极材料可以在低浓度醚类电解液体系下实现对钾离子的高容量二元可逆存储，利于构建高能量密度、高功率密度的钾离子电池。本发明提供的碳基负极材料制备方法具有制备工艺简单，成本低廉，利于规模化生产等优点。

技术领域

本发明一种钾离子电池高能量密度碳基负极材料及其制备方法属于电池领域。

背景技术

锂离子电池(LIBs)因高能量密度、高能量效率和较长使用寿命已经在电子产品、电动汽车等领域得到大规模商业化应用。然而，由于全球锂资源稀缺以及锂矿价格持续上涨，锂离子电池制造成本不断增加，在未来难以继续满足人类社会对于储能的需求。除可移动能源存储外，人类社会对于大规模固定式能源存储的需求也在不断增长，故人们迫切需求可以替代锂离子电池的新型储能器件的出现。近年来，钾离子电池(PIBs)因钾资源丰富、制造成本低、能量密度高等优势得到了研究人员的青睐，有望在将来以大规模固定式储能器件的形式得到应用。

作为最有希望实际用于钾离子电池的负极材料，石墨具有自然储量丰富、成本低廉、已实现大规模商业化生产、可以实现对钾离子的高效可逆存储等优点。但在钾离子电池的两种常用电解液体系(碳酸酯类、醚类)中，石墨负极表现出的电化学性能有明显差异。在碳酸酯类电解液中，石墨可以实现只有钾离子单独进入二维碳原子结构层间，最终储钾产物为仅含有钾原子与碳原子两相的所谓“二元插层化合物”。由于石墨/碳酸酯界面的不稳定且石墨结构易严重破坏，此时石墨储钾容量衰减快、可逆储钾长循环稳定性差。相比于碳酸酯类，同等浓度的醚类电解液粘度更低且与石墨间的界面更加稳定，利于提高石墨可逆储钾长循环的稳定性及功率密度。但在电解质浓度很低时，钾离子易与醚类溶剂分子一同嵌入到石墨层间形成含有钾离子、醚类分子、碳原子三相的所谓“三元插层化合物”，会显著降低石墨储钾容量和电池能量密度，这可以主要归因于低浓度醚类电解液下石墨表面无法形成可以有效引发钾离子去溶剂化过程发生的固态电解质界面膜(SEI)。

在此前的研究中，我们通过电化学原位生长法在石墨表面构筑富含无机氟化物的固态电解质界面膜后，在低浓度醚类电解液体系下实现了钾离子在石墨中存储时的去溶剂化，保证了石墨电极储钾的高功率密度同时显著提升了储钾能量密度和长循环稳定性。但电化学原位构筑稳定固态电解质界面膜的方法难以对固态电解质界面膜的成分及电极材料电化学性能进行精准调控，且成本过高，难以实现工业化应用。

发明内容

本发明的目的：克服现有技术的不足，提供一种成本低廉、精准可控、可大规模工业生产、适用于钾离子电池的高能量密度碳基负极材料及其制备方法。

本发明的技术方案：一种钾离子电池高能量密度碳基负极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

1)将氟化钾与乙醇以质量比1：5～10混合后向其内加入氧化锆珠，置于行星式球磨机中进行研磨处理，得到纳米氟化钾粉体；

2)将天然鳞片石墨、聚偏二氟乙烯、N-甲基吡咯烷酮以质量比100：3.5～5：100～500混合后进行球磨处理，得到混合浆料一；后将经步骤1)得到的纳米氟化钾粉体加入到混合浆料一中继续球磨处理，得到混合浆料二，所述纳米氟化钾粉体与天然鳞片石墨的质量比为15～25：100；

3)向混合浆料二中再次加入聚偏二氟乙烯进行球磨处理，所述聚偏二氟乙烯与天然鳞片石墨的质量比为3.5～5：100；球磨处理得到混合浆料三；后将经步骤1)得到的纳米氟化钾粉体加入到混合浆料三中进行球磨处理，得到混合浆料四，所述纳米氟化钾粉体与天然鳞片石墨的质量比为15～25：100；

4)在混合浆料四的基础上重复步骤3)一次，得到混合浆料五；