[发明专利]一种钾离子电池负极材料、其制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种钾离子电池负极材料、其制备方法及其应用，属于钾离子电池技术领域。本发明通过在沥青基软碳中先引入、后高温脱除氮元素，制得的具有拓扑缺陷结构的软碳即为钾离子电池负极材料，该负极材料电化学性能佳。本发明提供的钾离子电池负极材料制备方法，具有操作简单、成本低廉、有利于规模化生产等优点；提供的负极材料具有首次充放电效率高、容量高、倍率性能佳和循环稳定性强等良好的电化学性能。本发明可用于制备钾离子电池软碳基负极材料，软碳基负极材料进一步应用于制备钾离子半电池、钾离子电池。

技术领域

本发明属于钾离子电池技术领域，涉及一种软碳基负极材料、其制备方法及其应用，具体地说是一种钾离子电池负极材料、其制备方法及其应用。

背景技术

目前，锂离子电池(LIBs)作为理想的储能系统，在便携式设备和电动汽车中得到了广泛应用。但是，锂资源的地理分布不均匀和资源贫乏(地壳中仅有0.0017wt％)，限制了LIBs在大规模储能系统中的应用，寻找一种替代金属的电池至关重要。钾离子电池因为其较低的还原电位(K⁺/K为-2.93V，Li⁺/Li为-3.04V，与标准氢电极相比)和充足的地壳含量(1.5wt％)，使得钾离子电池有较高的能量密度，是富有潜力的离子电池之一。

软碳基负极由于其优良的导电性、较高的首次库伦效率和较低的放电电压，是非常有前景的一类钾离子负极材料。鉴于钾离子体积较大，目前主要有两方面因素阻碍了软碳在钾离子电池负极材料中的应用：一方面，在嵌入脱出过程中易带来较大的体积变化，进而易破坏软碳基负极内部结构而严重影响了软碳基负极的循环稳定性；另一方面，钾离子在大电流下难以迅速实现嵌入/脱出过程，从而严重降低了大电流下的容量。

沥青作为来源广泛的化石能源之一，是优异的软碳前驱体。目前对用于钾离子电池负极的沥青基软碳的改性主要包括两个方面：(1)结构调控，通过模板法、溶剂法等调控沥青炭化后的形貌(如碳花、碳片等)；(2)异原子掺杂，通过加入N、P、S、F、O等元素，来提高软碳基负极的电负性，从而提高对钾离子的吸附性。这些方法虽然能够显著提高软碳负极作为钾离子电池的容量，但是大都会降低沥青基软碳材料的首效和导电性等电化学性能。因此，在保证软碳负极优点的前提下，亟需通过结构调控和改性等方法改善软碳材料的循环稳定性和大电流下的倍率性能。

发明内容

本发明主要是为了克服现有技术中软碳基负极材料循环稳定性差、倍率性能和首次充放电效率低的不足，提供一种适用于钾离子电池的高能量密度软碳基负极材料及其制备方法，该制备方法中选用的原材料沥青来源广泛易得、无毒，制备工序简单，获得首次充放电效率高、容量高、倍率性能佳和循环稳定性强的软碳基负极材料。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种钾离子电池负极材料，它为具有拓扑缺陷的沥青基软碳。

普通缺陷通常是引入杂原子并保留后，在碳层内部或者边缘产生含杂原子的五元环或者六元环，杂原子的存在虽然会提高对钾离子的吸附，但是会相应降低材料的导电性和离子嵌入脱出负极材料的可逆性；而拓扑缺陷是在杂原子脱去以后，由于高温下多元碳环愈合，产生碳五、六、七元环等，改变了其平面结构，一方面增大碳层间的层间距，另一方面缩短了钾离子嵌入脱出的距离。相比于普通缺陷，拓扑缺陷可以较大程度保持材料的电化学特性。

作为对发明钾离子电池负极材料的一种限定，钾离子电池负极材料的比表面积为22～543m²g^-1。

本发明提供了上述钾离子电池负极材料的制备方法，该制备方法包括依次进行的以下步骤：

S1.将含氮化合物分散于四氢呋喃中，得到悬浊液A；同时，

将沥青溶于四氢呋喃中，取上清液得到溶液B；

S2.将溶液B加至溶液A中，搅拌，挥发干燥，得到物质C；