[发明专利]一种三维氮氟共掺杂碳纳米管钾电负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及电极材料制备领域，具体涉及一种模板生长法可控构建三维氮氟共掺杂碳纳米管钾电负极材料的制备方法；所述三维氮氟共掺杂碳纳米管是由聚吡咯纤维和聚偏二氟乙烯微球混合物前驱体煅烧制的；所述微球混合物前驱体由吡咯、硫酸铵、聚偏二氟乙烯、十六烷基溴化铵和盐酸经过溶液聚合反应得到；本发明中构筑聚吡咯纤维和聚偏二氟乙烯微球前驱体溶液聚合方法简单，通过调整聚偏二氟乙烯微球的投入量可以可控调整氟掺杂的量，首次合成氮氟共掺杂碳纳米管并将其应用作钾离子电池负极材料，氮氟共掺杂碳纳米管作为碳基钾电负极材料的动力学扩散系数更高；氮氟共掺杂碳纳米管在拥有合适的掺杂量的条件下具有的表面赝电容效应更高。

技术领域

本发明涉及电极材料制备领域，具体涉及一种模板生长法可控构建三维氮氟共掺杂碳纳米管钾电负极材料的制备方法。

背景技术

电化学电池系统在可再生能源网中起着关键作用，可用于便携式储能和补充可再生能源的间歇输出功率。迄今为止，大量碱金属和碱土金属(Li、Na、K、Mg和Al)被用于开发存储和导电材料。其中，可充电锂离子电池(LIBs)在过去几十年取得了巨大的成功。然而，锂资源的有限性成为充电系统领域亟待解决的问题。而可充放电的钾离子电池由于钾储量丰富且与传统碳负极具有较强的相互作用而被认为是一种理想的可替代锂离子电池新储能系统得以快速发展。值得一提的是，钾离子电池与标准氢电极相比的电势为-2.93v与锂离子电池的-3.04v最为接近，并且具有比钠离子电池更高的工作电压。这使其更加具有广阔的应用前景。然而，由于在充放电过程中钾的嵌入/脱出会引起巨大的体积和结构变化，因而钾离子电池的倍率性能较差，且循环寿命很短。另外，由于钾离子较大的离子半径在循环过程中会导致固态电解质膜(SEI)和活性材料的严重粉化从而加重副反应，因此研究者在寻找结构稳定且具有优秀电化学性能的可替代电极材料方面付出了很大的努力。对于负极材料而言，二维金属化合物因其具有较大的层间距使得K⁺可以自由迁移而不会不必要的结构变化因而获得广泛关注。基于这一理论，万和他的同事报告了一种独特的将SnS₂物质封装到石墨烯中的复合负极材料，这种薄片堆积的多孔结构为K⁺存储提供了足够的反应场所，从而显著提高可逆容量和倍率性能。但是，过渡金属硫化物电位平台过高会导致其能量密度低，且液体多硫化物产生的梭效应同样缩短了电池寿命。