一种用于钾离子电池的石榴籽状纳米复合材料的制备方法及其应用技术

一种用于钾离子电池的石榴籽状纳米复合材料的制备方法及其应用，步骤是：将鳞片石墨粉和硅粉均匀混合，压制成混合原料圆饼；将混合原料圆饼放入真空直流电弧炉的石墨坩埚内，并密闭真空直流电弧炉，抽真空，充入保护气，打开电焊机放电引弧反应后，液氮冷却降温，再利用空气钝化，收集

【技术实现步骤摘要】
一种用于钾离子电池的石榴籽状纳米复合材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种用于钾离子电池的石榴籽状纳米复合材料的制备方法及其应用
。

技术介绍

[0002]钾位于第四周期第一主族，氧化还原电位与锂相近，具有与锂相近的物理化学性质，且钾分布广泛，含量丰富，在地壳中含量高达
2.35
％，
(
远高于锂：
0.0065
％；
361
倍
)
，占第7位，因此钾离子电池体系的开发将大大降低电池的成本
。
钾离子电池的工作原理与锂离子电池相似，属于典型的“摇椅式”工作机制
。
充电时，
K
+
从正极材料中脱嵌，迁移到电解液中
、
穿过隔膜，最终嵌入到负极材料中，相应地，电子通过外部传导从正极转移到负极，放电过程则相反
。
然而钾离子电池体系中存在的主要问题是
K
+
的半径较大，因此在充放电过程中体积膨胀比其他碱金属离子电池更严重，导致电极的粉化
。
因此，开发出适宜
K
+
穿梭的电极材料是十分重要的
。
[0003]硅因具有较高的理论容量常被用于钾离子电池负极材料，但硅在脱嵌钾的过程中会发生严重的体积膨胀，导致活性材料的粉化，从而脱离集流体
。
在硅的反应过程中其表面会生成不稳定的
SEI
膜，
SEI
膜的不断堆积会阻隔活性材料与电解液间的接触，而降低电化学性能
。
因此，对于硅材料的改性是负极研究的一大热点
。
纳米化是改性方法中最常用的一种，对
Si
进行纳米化可以增大其反应活性位点，但
Si
的体积膨胀依然无法得到解决，不稳定
SEI
膜仍在不断产生
。
其次，制备
Si/C
复合材料也是解决
Si
体积膨胀的一种有效途径，碳材料的引入可以提高电极的导电性并对
Si
的体积膨胀起到缓冲作用
。
在近期的研究中，具有高稳定性的陶瓷型半导体
SiC
引起了极大的注意
。CN115377399
公开了“一种用于锂离子电池的
C
‑
SiC
‑
Si
复合负极材料制备方法”，在该材料中
SiC
呈柱状纤维状分散在碳层与硅层中间，在一定程度上可以改善
Si
的体积膨胀问题，材料展现出优异的充放电效率，但该负极材料仍存在
Si
的体积膨胀问题，组装的锂离子电池仍充放电循环过程中较低的放电容量，且并未展现出优异的循环性能
。
因此，亟待开发一种具有更大的放电容量及更好的循环性能的用于钾离子电池的电极材料
。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于钾离子电池的石榴籽状纳米复合材料的制备方法及其应用，其工艺简单
、
成本低，可用于制备钾离子电池负极材料，所制备的这种复合材料可以更好的减缓
Si
的体积膨胀，减少不稳定
SEI
膜的产生，以提高钾离子电池的放电容量及循环性能
。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种用于钾离子电池的石榴籽状纳米复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
(1)
称取原料按照质量比
1:1
～
1:8
称取鳞片石墨粉和硅粉并均匀混合，得到混合原料；
(2)
原料压饼将混合原料用压片机在
5MPa
～
30MPa
的压力下压制成混合原料圆饼；
(3)
装料将混合原料圆饼放入真空直流电弧炉的石墨坩埚内；
(4)
充入保护气将真空直流电弧炉密闭，抽真空至真空直流电弧炉内的真空度为
0.1MPa
，并充入保护气进行洗气，洗气结束后，继续充入保护气，使真空直流电弧炉内的真空度为
5kPa
～
50kPa
；其中，所述保护气为氩气和氮气的混合气体；
(5)
电弧反应制备
Si/SiC
纳米线材料打开电焊机，调整电流为
80A
～
150A
，电压为
10V
～
60V
，放电引弧，反应
0.5h
～
5h
后，液氮冷却降温
10min
～
30min
以使产物生成纳米线形貌，再利用空气钝化产物
4h
～
8h
，随后收集
Si/SiC
纳米线材料；
(6)
制备石榴籽状
Si/SiC/C
纳米复合材料将碳源溶解于无水乙醇中超声分散得到质量浓度为5％～
15
％碳源
‑
无水乙醇溶液，然后按照
Si/SiC
纳米线材料与碳源质量比
1:1
～
1:3
进行混合并搅拌
4h
～
8h
；水浴升温至
50℃
～
90℃
并保温
3h
，随后将产物进行冷冻干燥，研磨成粉状后，在管式炉中氩气气氛下，
500℃
～
800℃
热解
4h
～
10h
，得到石榴籽状
Si/SiC/C
纳米复合材料
。
[0006]进一步的，所述硅粉和鳞片石墨粉的细度均为
40
目～
200
目
。
[0007]进一步的，步骤
(1)
均匀混合时，将硅粉和鳞片石墨粉放入球磨机中，以
100r/min
～
600r/min
的转速球磨
0.5h
～
5h。
[0008]进一步的，所述混合原料圆饼的高度为
2mm
～
6mm、
直径为
18mm。
[0009]进一步的，所述混合气中氩气和氮气的体积比为
1:1
～
1:10。
[0010]进一步的，所述碳源为呋喃树脂
、
酚醛树脂
、
脲醛树脂
。
[0011]进一步的，超声分散时间为
1h
～
4h。
[0012]上述纳米复合材料在作为钾离子电池负极中的应用
。
[0013]进一步的，所述钾离子电池负极材料的具体制备步骤是：将
Si/SiC/C
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于钾离子电池的石榴籽状纳米复合材料的制备方法，其特征是：具体步骤如下：
(1)
称取原料按照质量比
1:1
～
1:8
称取鳞片石墨粉和硅粉并均匀混合，得到混合原料；
(2)
原料压饼将混合原料用压片机在
5MPa
～
30MPa
的压力下压制成混合原料圆饼；
(3)
装料将混合原料圆饼放入真空直流电弧炉的石墨坩埚内；
(4)
充入保护气将真空直流电弧炉密闭，抽真空至真空直流电弧炉内的真空度为
0.1MPa
，并充入保护气进行洗气，洗气结束后，继续充入保护气，使真空直流电弧炉内的真空度为
5kPa
～
50kPa
；其中，所述保护气为氩气和氮气的混合气体；
(5)
电弧反应制备
Si/SiC
纳米线材料打开电焊机，调整电流为
80A
～
150A
，电压为
10V
～
60V
，放电引弧，反应
0.5h
～
5h
后，液氮冷却降温
10min
～
30min
，再利用空气钝化产物
4h
～
8h
，随后收集
Si/SiC
纳米线材料；
(6)
制备石榴籽状
Si/SiC/C
纳米复合材料将碳源溶解于无水乙醇中超声分散得到质量浓度为5％～
15
％碳源
‑
无水乙醇溶液，然后按照
Si/SiC
纳米线材料与碳源质量比
1:1
～
1:3
进行混合并搅拌
4h
～
8h
；水浴升温至
50℃
～
90℃
并保温
3h
，随后将产物进行冷冻干燥，研磨成粉状后，在管式炉中氩气气氛下，
500℃
～
800℃
热解
4h
～
10h
，得到石榴籽状
Si/SiC/C
纳米复合材料
。2.
根据权利要求1所述的用于钾离子电池的石榴籽...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡克迪，苏玉静，郎笑石，王秋实，邹宏伟，赖勤志，李建斌，张晓民，刘佳佳，张思博，
申请(专利权)人：渤海大学，
类型：发明
国别省市：