[发明专利]一种作为钾离子电池负极的交联薄层石墨的制备方法

说明书

本发明公开了一种作为钾离子电池负极的交联薄层石墨的制备方法，所述方法包括以下步骤：碳源、六水合三氯化铁与去离子水混合，形成均匀的混合溶液；对混合溶液进行预干燥处理，并在高温下进行石墨化反应；稀盐酸蚀刻去除金属铁，并进行真空干燥处理。本发明提供的交联薄层石墨作为钾离子电池的负极表现出优异的电化学性能：a)高容量；b)高倍率性能c)循环性能好。

技术领域

本发明涉及一种钾离子电池，尤其涉及一种作为钾离子电池负极的交联薄层石墨的制备方法。

背景技术

碳材料稳定的能量存储是储能装置商业应用的基础，以锂离子电池(LIB)为例，尽管已经报道了许多的负极材料，但是目前广泛商业使用的LIB负极仍然是石墨。但锂资源分布不均，价格不断上涨，以及必须使用铜箔作为负极集流体等尚未解决的问题，使得其无法满足大规模，低成本的储能需求。由于钾资源充足且电位低(-2.93V，K/K⁺)，因此钾离子电池(PIB)被认为是LIB的潜在替代品。此外，PIB可以用铝箔代替铜箔作为负极集流体，因为钾和铝之间的合金化反应不会在低电位下发生，这将进一步降低PIB及其负极集流体的成本。

与LIB一样，碳材料(尤其是石墨化碳材料)的高性能储钾是PIB进展的关键。众所周知，钾具有较大的原子半径(0.138nm)，而石墨的层间距约为0.335nm。因此，传统观点都认为石墨不能成为稳定的钾离子电池负极。但是，在2019年，通过研究我们发现使用浓电解液(KFSI：EMC，1：2.5(摩尔比)时石墨可以超稳定地存储钾，并且运行17个月，经过2,000个循环后几乎没有容量衰减。但其存在KFSI非常昂贵、会在高压下腐蚀铝箔等问题，无法满足钾离子电池低成本、大规模量产需求。因此，使用低成本的传统电解液(KPF6)是PIB进一步发展的另一个关键。此外，已报道的由Ketjen炭黑在2800℃的高温下制备的作为PIB负极的石墨化碳纳米笼。虽然，该笼状三维网络结构的石墨化碳纳米笼在35C的高电流密度下可提供175mA h g^-1的可逆容量。然而，由于Ketjen炭黑的价格高昂和2800℃高温碳化的高能耗，无法实现大规模制备。因此，低成本，大规模制备可以稳定储存钾的石墨化负极材料仍然是一个挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种作为钾离子电池负极的交联薄层石墨的制备方法，获得低成本、可大规模制备、能够稳定储存钾的钾离子电池负极材料。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：本发明提供了一种作为钾离子电池负极的交联薄层石墨的制备方法，包括：碳源、六水合三氯化铁(FeCl₃·6H₂O)与去离子水混合，形成均匀的混合溶液；

对混合溶液进行预干燥处理，并在高温下进行石墨化反应；

稀盐酸蚀刻去除金属铁，并进行真空干燥处理。

进一步的，所述碳源、六水合三氯化铁与去离子水混合，形成均匀的混合溶液包含步骤：将一定质量的碳源和六水合三氯化铁加到一定量的去离子水中，并搅拌直至完全溶解，形成均匀的混合溶液。

进一步的，所述碳源和六水合三氯化铁的质量比为1：1-4。

进一步的，所述碳源为抗坏血酸。

进一步的，所述对混合溶液进行预干燥处理，并在高温下进行石墨化反应包含步骤：将混合溶液放入烘烤箱中，以180℃-220℃的温度烘烤，得到均匀的胶体；然后，将胶体在氩气气氛中，以1-3℃min^-1的速率升温到100-150℃，并恒温保持2-5h；最后，再以3-6℃min^-1的速率继续升温至1000℃，并在1000℃高温下退火碳化处理4-8h。