一种蛋黄壳结构钾离子电池负极材料及其制备方法技术

一种蛋黄壳结构钾离子电池负极材料及其制备方法，属于钾离子电池领域。具体步骤为：将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶解在去离子水中配成混合溶液，然后将混合溶液干燥后研磨成粉末并将粉末置于管式炉中在氢氩混合气氛中加热保温，得到铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯；随后按一定质量比例称取铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯材料和硫源前驱体于水热反应釜中，加入适量去离子水搅拌混合均匀，密封后将水热反应釜在一定温度下保温一定时间，所得沉淀经去离子水和无水乙醇离心清洗数次后即可得到蛋黄壳结构的三维石墨烯/硫化铁负极材料。本发明专利技术生产成本低，可重复性强，材料结构新颖，作为钾离子电池负极时表现出优异性能，应用广阔前景。

A kind of yolk shell structure potassium ion battery anode material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种蛋黄壳结构钾离子电池负极材料及其制备方法
本专利技术属于钾离子电池领域，具体涉及一种蛋黄壳结构钾离子电池负极材料及其制备方法。
技术介绍
随着经济的不断发展与科技的不断进步，能源的需求逐渐增大。但传统化石能源如煤、石油、天然气等的开发利用存在三个突出的问题：资源枯竭、气候变暖与环境污染。发展太阳能、风能与潮汐能等可再生能源，是解决不可再生能源所面临的突出问题与保障人类可持续发展的必然趋势。然而这些可再生能源高度依赖于天气和气候，具有波动性与随机性，因此急需研发大规模储能技术，使得可再生能源配合电网稳定运行。在目前的能源储存器件中，锂离子电池由于成本上涨而无法满足大规模储能的需求。因此，亟需发言新型低成本储能电池技术。近年来钾离子由于具有与锂离子电池相似的电化学原理而受到研究者的关注。钾资源丰富、成本低，同时K/K+具有最接近Li/Li+的标准氧化还原电势而使得钾离子电池能呈现高的能量密度。目前钾离子电池负极材料以碳材料性能较为优异，但其理论比容量较低，无法满足高能量密度的需求。过渡金属硫化物因成本低且比容量高而备受关注，然而其导电性低，循环过程材料体积膨胀严重。为了解决该问题，碳材料被视为理想的基体材料，通过与过渡金属硫化物复合形成特殊结构有望解决该问题。因此，开发蛋黄壳结构的三位石墨烯/硫化铁复合材料对钾离子电池负极材料的发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种简单、低成本、高效制备蛋黄壳结构钾离子电池负极材料及其制备方法，制得的负极材料具有高的导电性且在循环过程中结构稳定，用该负极材料组装成的钾离子电池具有高容量，高倍率和长寿命等优点。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种蛋黄壳结构钾离子电池负极材料，该负极材料的化学式为FexS，其中0.5≤x≤1；该负极材料为蛋黄壳结构，其中硫化铁颗粒为蛋黄，三维石墨烯为外壳，两者构成蛋黄壳结构。该结构能够有效改善硫化铁的导电性，抑制脱嵌钾离子过程中的体积膨胀，从而能够稳定可逆的存储钾离子。如上所述的蛋黄壳结构钾离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：a.将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶解在去离子水中超声搅拌6-10min配成混合溶液，然后完全干燥后研磨成粉；b.将研磨好的粉体转移至坩埚中，然后将坩埚置于管式炉中在氢氩混合气体氛围中以5～8℃/min的升温速率加热至800～900℃，并保温1～2h，待管式炉冷却至室温后，收集黑色泡沫状产物，即为铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料；c.按一定质量比例称取铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯材料和硫源前驱体于水热反应釜中，加入适量去离子水搅拌混合均匀，密封后将水热反应釜置于烘箱中加热至一定温度保温若干小时；d.待水热反应釜冷却至室温后收集沉淀，并用去离子水和无水乙醇离心清洗沉淀物数次，然后沉淀物在真空烘箱中干燥后即可得到蛋黄壳结构的三维石墨烯/硫化铁负极材料。进一步地，所述步骤a中九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮(K30)质量比为(1.8～2.0)：1；干燥温度为80～85℃。进一步地，所述步骤b中的氢氩混合气中，氩气体积含量为70％～80％，氢气体积含量为20％～30％。进一步地，所述步骤c中铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯材料和硫源前驱体的质量比为1：(5～20)。进一步地，所述步骤c中的的硫源前驱体为半胱氨酸和硫脲中的一种。进一步地，所述步骤c中水热反应釜的保温温度为180～220℃，保温时间为18～24h。进一步地，所述步骤d中离心转速为8000～10000rpm/min。进一步地，所述步骤d中沉淀物的干燥温度为60～80℃。相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：1)该负极材料为蛋黄壳结构，其中硫化铁颗粒为蛋黄，三维石墨烯为外壳，两者构成蛋黄壳结构。该结构能够有效改善硫化铁的导电性，抑制脱嵌钾离子过程中的体积膨胀，从而能够稳定可逆的存储钾离子。2)通过对反应物配比和水热反应温度制度的精确控制，可在较短的时间内制备出不同成分的蛋黄壳结构的三维石墨烯/硫化铁负极材料。3)方法简单易操作，成本低。附图说明图1为本专利技术制备的蛋黄壳结构的三维石墨烯/硫化铁负极材料的低倍FESEM照片。图2为本专利技术制备的蛋黄壳结构的三维石墨烯/硫化铁负极材料的高倍FESEM照片。图3为本专利技术制备的蛋黄壳结构的三维石墨烯/硫化铁负极材料的储钾性能。具体实施方式实施例一按质量比1:1.8称量聚乙烯吡咯烷酮(K30)和九水硝酸铁，将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中超声搅拌8min配成混合溶液，然后将混合溶液置于干燥箱中80℃保温直至完全干燥再研磨成粉体并将粉体转移至坩埚中，坩埚置于管式炉中在氢氩混合气(氢气和氩气体积比为2:8)氛围中以5℃/min的升温速率加热至850℃，保温2h，待管式炉冷却后收集黑色泡沫状产物，得到铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料。然后按质量比1:10称取铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料和半胱氨酸并倒入水热反应釜中，加入40ml去离子水搅拌混合均匀，密封后将水热反应釜置于烘箱中加热至200℃保温18h，待反应釜冷却至室温后；以8000rpm/min离心沉淀物，并用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，最后在真空干燥箱中80℃干燥一晚即可得到蛋黄壳结构的三维石墨烯/硫化铁负极材料。具体数据见图1和图2。所得蛋黄壳结构的三维石墨烯/硫化铁负极材料电化学测试方法如下：将蛋黄壳结构的三维石墨烯/硫化铁负极材料、导电剂科琴黑及粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比8:1:1混合，研磨均匀后加入适量N-甲基吡咯烷酮(NMP)制成浆料，均匀涂布在铜箔上。100℃真空干燥10h后，用切片机将其裁剪成直径10mm的电极片备用。以金属钾片为对电极，玻璃纤维为隔膜，1mol/LKPF6/DME为电解液，在氩气保护的手套箱中组装成CR2032型扣式电池。电池组装完后静置12h，用LANDCT2001A电池测试系统进行恒流充放电测试，测试电压为0.5～3.0V，电流密度为200mA/g。具体数据见图3实施例二按质量比1:1.8称量聚乙烯吡咯烷酮(K30)和九水硝酸铁，将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中超声搅拌8min配成混合溶液，然后将混合溶液置于干燥箱中80℃保温直至完全干燥再研磨成粉体并将粉体转移至坩埚中，坩埚置于管式炉中在氢氩混合气(氢气和氩气体积比为2:8)氛围中以5℃/min的升温速率加热至900℃，保温2h，待管式炉冷却后收集黑色泡沫状产物，得到铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料。然后按质量比1:10称取铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料和半胱氨酸并倒入水热反应釜中，加入40ml去离子水搅拌混合均匀，密封后将水热反应釜置于烘箱中加热至200℃保温18h，待反应釜冷却至室温后；以8000rpm/min离心沉淀物，并用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，最后在真空干燥箱中80本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蛋黄壳结构钾离子电池负极材料，其特征在于：该负极材料的化学式为Fe

【技术特征摘要】
1.一种蛋黄壳结构钾离子电池负极材料，其特征在于：该负极材料的化学式为FexS，其中0.5≤x≤1；该负极材料为蛋黄壳结构，其中硫化铁颗粒为蛋黄，三维石墨烯为外壳，两者构成蛋黄壳结构；该结构能够有效改善硫化铁的导电性，抑制脱嵌钾离子过程中的体积膨胀，从而能够稳定可逆的存储钾离子。


2.根据权利要求1所述的蛋黄壳结构钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶解在去离子水中超声搅拌6-10min配成混合溶液，然后完全干燥后研磨成粉；
b.将研磨好的粉体转移至坩埚中，然后将坩埚置于管式炉中在氢氩混合气体氛围中以5～8℃/min的升温速率加热至800～900℃，并保温1～2h，待管式炉冷却至室温后，收集黑色泡沫状产物，即为铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料；
c.按一定质量比例称取铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯材料和硫源前驱体于水热反应釜中，加入适量去离子水搅拌混合均匀，密封后将水热反应釜置于烘箱中加热至一定温度保温若干小时；
d.待水热反应釜冷却至室温后收集沉淀，并用去离子水和无水乙醇离心清洗沉淀物数次，然后沉淀物在真空烘箱中干燥后即可得到蛋黄壳结构的三维石墨烯/硫化铁负极材料。


3.根据权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，韩坤，刘双宇，李慧，徐丽，曲选辉，
申请(专利权)人：北京科技大学，全球能源互联网研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11