[发明专利]一种用于高性能钾离子电池的3D多孔Sb/Ti3

说明书

本发明提供了一种用于高性能钾离子电池的3D多孔Sb/Ti₃C₂ MXene复合材料的制备方法，该方法利用预插层诱导剂对单分散的Ti₃C₂ MXene纳米片进行诱导，使其发生褶皱、卷曲，形成3D多孔Ti₃C₂ MXene骨架，随后通过静电吸附和碳热还原过程，得到3D多孔Sb/Ti₃C₂ MXene材料。本发明的材料可以有效抑制Sb纳米粒子的体积膨胀并防止其在循环过程中聚集和粉碎，增强结构稳定性，而且大大改善了电荷转移动力学，对整个电极提供畅通的K⁺扩散通道以加快离子/电子传输速率；超小的Sb纳米粒子可以有效缩短K⁺的传输距离，并显着暴露更多活性位点，从而提高钾离子电池的循环稳定性和比容量。

技术领域

本发明涉及一种用于高性能钾离子电池的3D多孔Sb/Ti₃C₂ MXene复合材料的制备方法，属于钾离子电池技术领域。

背景技术

近年来，钾离子电池(PIBs)由于其相对较低的成本，丰富的K资源和类似的“摇椅”机制，被认为是锂离子电池(LIBs)的有前途的替代品。特别是，由于K(-2.93V vs标准氢电极(SHE))的标准氧化还原电位低于Na的(-2.71V vs(SHE))，而更接近于Li(-3.04V vs(SHE)) 的标准氧化还原电位，PIBs可以保证较高的工作电压和能量密度。此外，较大的K⁺半径相对于Li⁺和Na⁺可能带来较低的K⁺溶剂化(去溶剂化)能和较小的斯托克斯半径与Li⁺和Na⁺相比，因此在电解质和电极/电解质界面中显示出更高的K⁺迁移率。但是，较大的K⁺半径可能会在循环过程中引起较大的体积变化，这使得在重复的K⁺嵌入/脱出过程中很难找到合适的电极材料来适应较大的体积变化，从而难以进一步实现优异的电化学性能。

目前已开发出用于钾离子电池的负极材料，包括碳基材料、合金基材料和硫族化物。其中，合金基材料(锡(Sn)，磷(P)，锑(Sb)，铋(Bi))由于其合适的电势和较高的理论容量而引起了广泛的关注。其中，Sb的合金电位低，理论容量高(660mAh g^-1)，物理密度高(6.7g cm^-3)。此外，Sb的电导率远高于P和Sn，使其成为PIBs极具吸引力的负极材料。然而，纯 Sb负极在钾化/去钾化过程中会发生剧烈的体积变化(～300％)，这可能会导致断裂和粉碎，从而导致容量衰减和较差的循环性能。为了进一步提高Sb基材料的电化学性能，已经引入了几种策略来克服这些不足，例如将Sb粒子缩小到纳米尺度，或者与其他活性或非活性金属合金化，或者制备Sb/碳纳米复合材料。其中，制备Sb/碳纳米复合材料是克服这一缺点的有效方法，因为它不仅可以缓冲Sb纳米粒子的体积变化，防止其聚集和粉碎，而且可以显著提高电极的电导率。