一种铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，属于铋基负极材料和电解液技术领域。该钾离子半电池包括钾金属、铋负极、电解液；铋负极的制备以五水硝酸铋为铋源，通过水热反应得到前驱体，并热解前驱体得到；电解液为双氟磺酰亚胺钾盐电解液。本发明专利技术在改善铋基负极结构的同时改善电解液与电极界面的兼容性，并加快反应动力学以提升铋基负极的储钾性能。极的储钾性能。极的储钾性能。

【技术实现步骤摘要】
一种铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用


[0001]本专利技术属于铋基负极材料和电解液
，具体涉及一种铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用。

技术介绍

[0002]在过去的几十年里，能源领域经历了从不可再生能源到可再生能源的明显飞跃。特别是在不连续的可利用能源(包括风能、太阳能和潮汐能)向大规模电力储能系统的快速平稳过渡中，以锂离子电池为主的二次电池系统的应用进一步实现，从而极大地促进了电化学能源的发展。然而，受限于锂的低地壳丰度(0.0017wt.％)和不均匀的资源分布，钾离子电池和钠离子电池正在成为人们关注的热点，因为K(2.1wt.％)和Na(2.3wt.％)的地壳丰度较高，且物理化学性质与锂相似。较低的标准K
+
/K电位为
‑
2.94V(相对于Na
+
/Na的
‑
2.71V)，这使得钾离子电池比钠离子电池有更宽的工作电压窗口和更高的能量密度。此外，K
+
的快速迁移也是通过小斯托克斯半径和低去溶化能实现的。因此，钾离子电池被认为是下一代大规模储能系统中最有前途的替代品之一。
[0003]作为钾离子电池的最有前途的电极材料之一，合金型阳极能够保持其在容量和能量密度方面的独特优势。例如，合金基金属铋，可以提供高达385mAh/g的理论储钾比容量，高于传统石墨阳极的理论比容量(279mAh/g)。然而，由于K
+
的大半径，在合金/脱合金过程中，铋晶格有一个相对巨大的膨胀，导致高不可逆容量和严重的容量衰减。因此，通过各种策略设计具有稳定的钾储存性能的铋基阳极是一个必要的选择。目前构建稳定铋基阳极的策略主要集中在将活性铋纳米颗粒引入导电碳基体中，抑制体积膨胀，提高阳极材料的导电性，从而提高循环寿命。
[0004]作为可充电电池的重要组成部分，电解液不仅是连接阴阳极的纽带，而且还承担着传输离子的重任。此外，电解液的组成与界面反应密切相关，通过调节和设计电解液实现良好的界面化学反应是促进稳定循环和速率性能的关键因素。以往的研究，醚基溶剂与铋基阳极的相容性比酯基溶剂更好，也更容易建立稳定的界面化学反应，以确保可逆的钾储存性能。着重于电解质的设计与合适的铋基阳极的配合，需要对电解液的组成，以及金属盐和溶剂的设计和调节采取综合的方法。更重要的是，应该重视电解质体系中的溶剂化结构，这可以进一步阐明电解质工程对电化学性能的影响。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，在改善铋基负极结构的同时改善电解液与电极界面的兼容性并加快反应动力学以提升铋基负极的储钾性能。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，钾离子半电池包括钾金属、铋负极、电解液；铋负极的制备以五水硝酸铋为铋源，通过水热反应得到前驱体，并热解前
驱体得到；电解液为双氟磺酰亚胺钾盐(KFSI)电解液。
[0008]所述铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，水热反应温度为100
‑
140℃，时间为22
‑
26h。
[0009]所述铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，前驱体的制备：向N,N
‑
二甲基甲酰胺和甲醇的混合溶液中加入3,5
‑
苯三羧酸和五水硝酸铋，并搅拌至混合物澄清；将混合物转移到反应釜中，加热反应，反应结束通过离心分离白色前驱体。
[0010]所述铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，N,N
‑
二甲基甲酰胺与甲醇的体积比为3:1
‑
5:1，3,5
‑
苯三羧酸在混合溶液中的浓度为12
‑
13g/L，五水硝酸铋在混合溶液中的浓度为2
‑
3g/L。
[0011]所述铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，前驱体干燥后，放入管式炉中，在氮气氛围条件下，以1
‑
3℃/分钟的升温速率升至700
‑
900℃热解2
‑
4h。
[0012]所述铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，电解液的制备：在充满氩气的手套箱中，向溶剂二甲醚(DME)中加入双氟磺酰亚胺钾盐，搅拌均匀后得到钾离子电池电解液，浓度为1
‑
5mol/L，优选，电解液的浓度为3mol/L。
[0013]所述铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，铋负极的制备，包括以下步骤：
[0014](1)向含有48ml的N,N
‑
二甲基甲酰胺和12ml的甲醇的溶液中加入750mg的3,5
‑
苯三羧酸和150mg的五水硝酸铋，并搅拌至混合物澄清；将混合物转移到特氟隆内衬不锈钢高压反应釜中，在120℃下加热24小时；
[0015](2)通过离心分离白色前驱体，用甲醇分别洗涤至少三次，然后在60℃下真空干燥一夜，得到前驱体；
[0016](3)在管式炉中于800℃下以2℃/分钟的升温速度在氮气中热解3小时，得到的铋负极材料，能够实现可逆的循环性能。
[0017]相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：
[0018]本专利技术在制备铋负极材料时经过水热反应和进一步热解处理，铋纳米颗粒被封装在棒状的碳骨架中。该碳骨架能够缓解体积膨胀，并提高体系的导电性。
[0019]由于合金型负极与电解液之间较多的副反应会导致负极体积膨胀、容量衰减严重，因而在对材料结构设计同时需要兼顾电解液的优化；本专利技术电解液含有钾盐和溶剂，溶剂为二甲醚(DME)，钾盐为双氟磺酰亚胺钾(KFSI)，钾盐浓度为1.0、3.0和5.0mol/L，优选3mol/L。
[0020]本专利技术通过铋负极结构设计和电解液优化策略，有效地改善了铋负极的比容量、循环稳定性和反应动力学。优化电解液中AGG和CIP构型为主的溶剂化结构有利于实现铋负极的界面稳定性，有利于提高电池的循环稳定性。此外，适当的浓度提高能够提高体系中钾离子数量，有利于提高铋负极的储钾容量。
附图说明
[0021]图1为合成铋负极的结构示意图；
[0022]图2为合成铋负极的透射电镜图；
[0023]图3为合成铋负极在1mol/L电解液中的循环曲线图；
[0024]图4为合成铋负极在3mol/L电解液中的循环曲线图；
[0025]图5为合成铋负极在5mol/L电解液中的循环曲线图；
[0026]图6为合成铋负极在1、3、5mol/L电解液中的性能对比图；
[0027]图7为合成铋负极在1、3、5mol/L电解液中的dQ/dV曲线图；
[0028]图8为1、3、5mol/L电解液与合成铋负极之间的接触角测试结果图；
[0029]图9为1(A)、3(B)、5(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，其特征在于，钾离子半电池包括钾金属、铋负极、电解液；铋负极的制备以五水硝酸铋为铋源，通过水热反应得到前驱体，并热解前驱体得到；电解液为双氟磺酰亚胺钾盐电解液。2.根据权利要求1所述铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，其特征在于，水热反应温度为100
‑
140℃，时间为22
‑
26h。3.根据权利要求1所述铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，其特征在于，前驱体的制备：向N,N
‑
二甲基甲酰胺和甲醇的混合溶液中加入3,5
‑
苯三羧酸和五水硝酸铋，并搅拌至混合物澄清；将混合物转移到反应釜中，加热反应，反应结束通过离心分离白色前驱体。4.根据权利要求3所述铋负极和优化电解液在钾离子半电池中的应用，其特征在于，N,N
‑
二甲基甲酰胺与甲醇的体积比为3:1
‑
5:1，3,5
‑
苯三羧酸在混合溶液中的浓度为12
‑
13g/L，五水硝酸铋在混合溶液中的浓度为2
‑
3g/L。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑晶，聂栾杰，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：