[发明专利]一种钾离子电池负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钾离子电池负极材料及其制备方法和应用，涉及到钾离子电池领域。本发明的钾离子电池负极材料为N/Sb共掺杂BiOCl@C复合材料，其结构为二维片状，由Sb掺杂的BiOCl层和包覆在BiOCl层表面的N掺杂碳层组成，BiOCl层内夹杂有Bi单质颗粒，且Sb掺杂BiOCl层与N掺杂碳层之间存在C‑O‑Sb键和C‑O‑Bi键。基于二维片状结构、Bi单质颗粒、掺杂的Sb、N掺杂C层几个因素的协同作用，本发明所制备出的复合材料在被用作钾离子电池负极材料时具有高比容量，优异的倍率性能和长循环寿命，在钾离子电池领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及钾离子电池领域，更具体地，涉及一种钾离子电池负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，锂离子电池凭借高能量密度和出色的循环寿命在储能领域占据主导地位。但由于锂资源在地壳中分布不均匀和储量极为有限，且锂资源价格高，这严重限制锂离子电池的进一步发展。钾离子电池因其资源丰富、成本低廉且与锂离子电池具有相似的工作原理，这使得钾离子电池引起众多科研学者的广泛关注。然而，由于钾离子半径(0.138nm)比锂离子半径(0.076nm)大，电极材料在充放电过程中极易发生较大体积膨胀，使得活性物质粉碎甚至从集流体脱落，从而导致电池性能快速衰减。因此，开发低成本和高比能的钾离子负极电极材料显得尤为重要。

铋(Bi)及其化合物(铋单质，氧化铋，硫化铋，硒化铋和氯氧铋等)在储钾过程中发生多电子转移的氧化还原反应，具有较高的理论比容量，被认为是一类非常具有应用潜力的钾离子电池负极材料。在Bi基材料中BiOCl具有众多优势，然而，由于BiOCl表面吸收或几何叠加而形成的界面电子化学耦合较弱，会产生较大的电子转移能垒，并且存在体积膨胀等问题，导致其电池循环性能和稳定性较差。

目前现有技术公开了一种氮掺杂碳包覆纳米锑铋合金材料，能够作为钠离子电池的负极材料，材料中的铋能够和锑互相缓冲、减小在锑与钠离子合金化过程中出现的体积膨胀。然而，现有技术所针对的技术问题是锑基而非铋基材料在作为电池负极材料时所出现的问题，且现有技术中氮掺杂碳包覆纳米锑铋合金材料的应用仅限于钠离子电池负极材料，不能解决钾离子电池电极材料体积膨胀、性能迅速衰减等问题。

发明内容

为了解决氯氧铋BiOCl在储钾过程中由于其中电子转移的能垒较高且体积膨胀，从而导致其作为钾离子电池负极材料时电池循环的性能和稳定性较差的问题，本发明提供一种N/Sb共掺杂BiOCl@C材料作为钾离子电池负极材料，由于二维片状结构、Bi单质颗粒、掺杂的Sb、N掺杂碳层等因素的协同作用，本发明的负极材料具有高比容量，优异的倍率性能和长循环寿命。

本发明的另一目的是提供一种负极材料的制备方法。

本发明的又一目的是提供一种负极材料在钾离子电池制备中的应用。

本发明的又一目的是提供一种负极材料。

本发明的再一目的是提供一种钾离子电池。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种N/Sb共掺杂BiOCl@C材料，其结构为二维片状，包括Sb掺杂的BiOCl层和包覆在BiOCl层表面的N掺杂碳层，Sb掺杂的BiOCl层中夹杂有Bi颗粒，Sb掺杂BiOCl层与N掺杂碳层之间存在C-O-Sb键和C-O-Bi键，且BiOCl层中Sb的掺杂量为30-40wt％。

本发明提供的钾离子电池负极材料，核心材料为Sb掺杂的BiOCl。在核心材料中，Bi单质颗粒是由于煅烧时BiOCl中的Bi被还原而产生的。Bi颗粒的存在提高了BiOCl层内部的导电性。