一种复合电极材料及其制备方法和钾离子电池技术

本发明专利技术的技术方案提供了一种复合电极材料及其制备方法和钾离子电池，属于电极材料技术领域。本发明专利技术提供的复合电极材料包括碳基纳米笼和填充在所述碳基纳米笼内部的氧化铜；所述氧化铜的质量为复合电极材料的总质量的10％～70％。本发明专利技术将氧化铜填充于碳基纳米笼的内部空腔中，利用碳基纳米笼的三维分级结构和高比表面积为复合电极材料提供了离子传输的通道，同时利用碳基纳米笼的高导电性提高了氧化铜的导电性，而且碳基纳米笼具有空腔限域作用，抑制了氧化铜的体积膨胀，从而大大提高了复合电极材料的倍率性能和循环稳定性。了复合电极材料的倍率性能和循环稳定性。了复合电极材料的倍率性能和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种复合电极材料及其制备方法和钾离子电池


[0001]本专利技术涉及电极材料
，尤其涉及一种复合电极材料及其制备方法和钾离子电池。

技术介绍

[0002]二次电池
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锂离子电池具有能量密度高，输出功率大，自放电小，无记忆效应，工作温度范围宽，循环寿命长以及对环境较为“友好”等优势。钾离子电池的工作原理与锂离子电池十分类似，在电池充电过程中，钾离子通过电解液从正极迁移到负极，在外电路中等电荷的电子也从正极迁移到负极。在放电时，钾离子电池以相反的工作模式进行迁移。但是钾离子的尺寸明显大于锂离子如果采用常规的锂离子电池材料直接运用于钾离子电池，那么在钾离子脱出/嵌入电池材料的过程中往往会引起材料结构的畸变甚至坍塌，最终导致较低的容量、极差的倍率性能和循环性能，甚至会出现一些材料完全不具备储钾性能的现象，进而限制了钾离子电池的发展。因此，对于钾离子电池电极材料的研究显得十分重要。在储能领域中，氧化铜作为转换型负极材料，具有高的理论比容量(675mAh
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‑1)，但是却面临着充放电过程中体积膨胀大，导电性差，长循环过程中活性材料容易损失等问题。
[0003]目前，科研人员主要采用形貌控制、成分调控、与导电碳杂化的手段来提高电极材料的电化学性能。通过在碳上负载纳米颗粒，可以有效地提高导电性，但开放的结构不能有效地防止活性成分的丢失，以及在重复地充放电过程中，电极结构容易坍塌，最终导致容量迅速衰减。而采用碳包裹纳米粒子，活性组分可以保留到一定的含量，但在K
+<br/>沉积/剥离过程中没有足够的空腔来容纳较大的体积变化，通常会导致碳包覆层的破裂，进而电化学性能也迅速衰减。例如Cao等人报道了“CuO nanoplates for high
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performance potassium
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ionbatteries”，他们采用水热法制备了CuO纳米片，在1.0A
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‑1经过100次循环后仅有206mAh
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‑1比容量，这严重限制了CuO负极材料的发展。公开号为CN110311109B的专利技术专利报道了“一种基于氧化铜复合锂电池负极材料的制备方法”，该专利对氧化铜粉末和石墨粉进行搅拌和球磨，并进行干燥处理，对混合物进行碳化，加入导电剂和粘结剂混合；将相关原料加入到增稠剂溶液中，混合后得到混合物，再将其和称取的聚偏氟乙烯进行混合搅拌，得到负极凝胶状混合物。该专利虽然工艺简单，但是CuO颗粒的体积膨胀问题也还是难以解决，从而限制了该电极材料的电化学性能的提高。
[0004]因此，亟需提供一种复合电极材料，能够抑制氧化铜的体积膨胀，使其在制备成电池后具有优异的倍率性能和高循环稳定性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种复合电极材料及其制备方法和钾离子电池，本专利技术提供的复合电极材料在制备成电池后具有优异的倍率性能和高循环稳定性能够抑制氧化铜的体积膨胀，将制备成电池后具有优异的倍率性能和高循环稳定性。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种复合电极材料，包括碳基纳米笼和填充在所述碳基纳米笼内部的氧化铜；所述氧化铜的质量为复合电极材料的总质量的10％～70％。
[0008]优选地，所述碳基纳米笼包括碳纳米笼、氮掺杂碳纳米笼、硫掺杂碳纳米笼和磷掺杂碳纳米笼中的一种。
[0009]优选地，所述碳基纳米笼的比表面积为600～2000m2/g。
[0010]本专利技术还提供了上述技术方案所述的复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0011]本专利技术还提供了所述的复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0012](1)在真空条件下，将碳基纳米笼在氧化铜前驱液中依次进行浸渍和后处理，得到复合电极前驱体；
[0013](2)将所述步骤(1)得到的复合电极前驱体进行热分解，得到复合电极材料；所述热分解的氛围为氩气或氮气。
[0014]优选地，所述步骤(1)中的后处理包括依次进行的过滤和干燥。
[0015]优选地，所述步骤(1)中浸渍和后处理的重复次数为2～5次。
[0016]优选地，所述步骤(1)中的氧化铜前驱液包括硝酸铜溶液、醋酸铜溶液、氯化铜溶液、醋酸亚铜溶液、氯化亚铜溶液中的一种或多种。
[0017]优选地，所述步骤(1)中氧化铜前驱液中的铜离子的浓度为0.05～2.0mol/L。
[0018]优选地，所述步骤(2)中热分解的升温速率为5～20℃/min，热分解的终温温度为180～400℃，从升温开始至热分解结束所需的热分解的总时间为20～360min。
[0019]本专利技术还提供了一种钾离子电池，包括上述技术方案所述的复合电极材料或上述技术方案所述的制备方法制备得到的复合电极材料。
[0020]本专利技术的技术方案提供了一种复合电极材料，包括碳基纳米笼和填充在所述碳基纳米笼内部的氧化铜；所述氧化铜的质量为复合电极材料的总质量的10％～70％。本专利技术将氧化铜填充于碳基纳米笼的内部空腔中，利用碳基纳米笼的三维分级结构和高比表面积为复合电极材料提供了离子传输的通道，同时利用碳基纳米笼的高导电性提高了氧化铜的导电性，而且碳基纳米笼具有空腔限域作用，抑制了氧化铜的体积膨胀，从而大大提高了复合电极材料的倍率性能和循环稳定性。实施例的结果表明，本专利技术提供的复合电极材料所组装而成的电池在电池测试系统上进行电化学性能测试，该电池在0.2～1A
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‑1下具有409～475mAh
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‑1的比容量，甚至在高倍率2～5A
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‑1的电流密度下，其放电比容量能达到218mAh
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‑1的比容量，表现出优异的倍率性能；在1A
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‑1的电流密度下，材料经过500次循环后，还能具有238～288mAh
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‑1的放电比容量，库伦效率高达99.5～99.6％，这说明材料具有极高循环稳定性。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1制备的CuO@hNCNCs的低倍透射图；
[0022]图2为本专利技术实施例1制备的CuO@hNCNCs的高倍透射图；
[0023]图3为本专利技术应用例1组装而成的钾离子电池的倍率性能测试图；
[0024]图4为本专利技术应用例1组装而成的钾离子电池的循环稳定性能测试图；
[0025]图5为本专利技术应用例2组装而成的钾离子电池的倍率性能测试图；
[0026]图6为本专利技术应用例2组装而成的组装而成的钾离子电池的循环稳定性能的测试图。
具体实施方式
[0027]本专利技术提供了一种复合电极材料，包括碳基纳米笼和填充在所述碳基纳米笼内部的氧化铜；所述氧化铜的质量为复合电极材料的总质量的10％～70％。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合电极材料，包括碳基纳米笼和填充在所述碳基纳米笼内部的氧化铜；所述氧化铜的质量为复合电极材料的总质量的10％～70％。2.根据权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于，所述碳基纳米笼包括碳纳米笼、氮掺杂碳纳米笼、硫掺杂碳纳米笼和磷掺杂碳纳米笼中的一种。3.根据权利要求1或2所述的复合电极材料，其特征在于，所述碳基纳米笼的比表面积为600～2000m2/g。4.一种如权利要求1～3任一项所述的复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)在真空条件下，将碳基纳米笼在氧化铜前驱液中依次进行浸渍和后处理，得到复合电极前驱体；(2)将所述步骤(1)得到的复合电极前驱体进行热分解，得到复合电极材料；所述热分解的氛围为氩气或氮气。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的后处理包括依次进行的过滤和...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈光海，周常楷，刘佳，王喜章，吴强，杨立军，胡征，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：