[发明专利]一种钾离子电池电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种钾离子电池电极材料及其制备方法和应用，所述的电极材料，具有如下结构通式：Y‑S NiSsubgt;2/subgt;@C，其中，C表示碳壳层，NiSsubgt;2/subgt;表示NiSsubgt;2/subgt;化合物，Y‑S表示具有摇铃状的核壳结构。该制备方法，包括以下步骤：用2‑甲基咪唑锌盐ZIF‑8包覆NiSsubgt;2/subgt;纳米颗粒得到ZIF‑8包裹的NiSsubgt;2/subgt;复合物NiSsubgt;2/subgt;@ZIF‑8；用单宁酸刻蚀NiSsubgt;2/subgt;@ZIF‑8得到内部具有空隙的摇铃状复合物Y‑S NiSsubgt;2/subgt;@ZIF‑8；在硫蒸气气氛下，将Y‑S NiSsubgt;2/subgt;@ZIF‑8退火碳化酸洗去除硫化锌后得到Y‑S NiSsubgt;2/subgt;@C复合材料，即为钾离子电池的电极材料该电极材料用作钾离子电池中，表现出优异的倍率性能。

技术领域

本发明属于钾离子电池领域，特别涉及一种钾离子电池电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

在钾离子电池中，镍基硫化物NiS₂由于其适中的成本和较高的理论容量而被广泛应用于负极材料。然而其导电性差和体积变化大的缺点导致其较差的储电性能。构造纳米结构的NiS₂并与高导电性的碳材料（碳纳米管、石墨烯、硬碳等）复合是解决上述问题的有效方法。

 Xu等人报道了一种用于钾离子储存的3D花朵状NiS₂，在0.2 A g-1下进行100次循环后，其可维持433 mA h g-1的高容量，高于管状和球形NiS₂的性能（Energy StorageMaterials 34 (2021) 536–544）。然而，在长期的钾离子嵌入脱出过程中，纳米结构的负极材料由于体积的巨大变化会产生结构崩溃，从而导致循环稳定性和倍率性能差。

针对现有技术存在的问题，本发明设计了一种摇铃状的碳基NiS₂复合材料，并采用一种新型的制备方法得到摇铃状的结构，将NiS₂纳米球包裹在ZIF-8之中，再用单宁酸将ZIF-8内部腐蚀，保留外部壳层，碳化后直接得到含有内部空隙的摇铃状结构的复合材料。这种方法不仅材料简单，操作方便，且内部空隙大小随包覆ZIF-8的量改变而改变，是一种非常简单且有用的方法。而摇铃状结构的材料作为二次电池负极材料，能够缓冲在离子嵌入脱出时引起的体积变化，从而有效地提升材料的电池循环性能和倍率性能。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的问题，提供一种钾离子电池电极材料及其制备方法和应用。

本发明的技术方案是：

一种钾离子电池电极材料，所述的电极材料，具有如下结构通式：Y-S NiS₂@C，其中，C表示碳壳层，NiS₂表示NiS₂化合物，Y-S表示具有摇铃状的核壳结构。

所述的电极材料具有一级微观结构单元和二级微观结构特征。

所述的一级微观结构单位包括以下特征：

具有摇铃状的核壳结构，外壳层为空心球碳壳，空心碳壳内部包覆有NiS₂；所述的空心球碳壳和NiS₂之间保留有中空空隙。

所述的NiS₂为纳米颗粒，其颗粒尺寸为100-150nm；

所述的空心球碳壳层的体积大小为NiS₂纳米颗粒体积的1.5倍以上，进一步优选为1.5~3倍；

所述的空心球碳壳层的形貌为类空心球体，所述的类空心球体包括空心椭球体、空心球体、空心卵球体和空心橄榄球体中一种或多种；

所述的空心球碳壳内外层具有多孔结构；