[发明专利]一种高容量钾离子电池负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种高容量钾离子电池负极材料及其制备方法和应用。所述的纳米SnS₂/石墨烯复合电极材料制得的钾离子电池可以获得714mAh/g的高可逆比容量，具有优异的倍率性能和循环性能；在500mA/g的电流密度条件下，仍然发挥出483mAh/g的可逆容量；且在250mA/g的电流密度条件下循环50圈，仍旧保持464mAh/g的可逆容量，有效解决了常规钾离子电池容量低的瓶颈难题。

技术领域

本发明涉及钾离子电池材料技术领域，具体涉及一种高容量纳米SnS₂/石墨烯钾离子电池负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源危机与环境污染是当前乃至未来很长一段时间人类面临的严峻问题。化石燃料的枯竭及其燃烧带来的污染已经受到人们的日益重视。目前，全球能源技术面临空前的重大变革；发展和利用清洁能源的转换和储存技术，实现清洁能源代替化石能源，以应对尖锐的气候恶化和严重的空气污染，已成为近年研究的热点和难点。自然界的清洁能源资源丰富，包括风能，太阳能，核能等，如何将这些清洁能源转化并储存，成为清洁能源发展应用的关键。电化学储能作为绿色能源的一种及其重要的存储手段，已是当前研究热点。

作为一种电化学储能器件，锂离子电池因具备高能量密度，高功率，寿命长，安全，清洁等优势，已经成为一种极其重要的电化学储能手段，被广泛应用于各个领域；包括便携式电子产品，电动汽车及大规模储能系统。但是自然界的锂资源有限(锂仅占地壳元素总量的0.0017％)，并且资源分布失衡(主要分布在南美)，难以满足日益增长的需求，从而造成近年锂价不断上涨。发展资源丰富、成本低廉的新型二次金属离子电池技术，已经成为新的发展趋势和研究热点。钾离子电池因为钾资源丰富(钾占地壳元素总量的1.58％)及分布广泛，有望取代锂离子电池，已在世界范围内引起了广泛的兴趣。发展价格低廉的钾离子电池储能技术具有重要的战略意义，也是迫切需求。然而，相比半径较小的锂离子钾离子的离子半径大很多，同时钾离子的质量也较锂离子的重，不利于其在电极材料中的脱嵌，影响其容量发挥和循环稳定性。目前钾离子电池主要的负极材料为碳材料，而碳材料的理论容量偏低，比如石墨的理论储钾容量仅为279mAh/g，极大地限制了电池本身的质量能量密度，成为瓶颈难题。因此，开发一种高容量钾离子电池负极材料，十分必要。

锡(Sn)基材料是一种合金化的材料，其能和锂离子及钠离子形成合金，在锂离子电池和钠离子电池中均表现出较高的容量。作为一种锡基，SnS₂面临所有合金类负极材料所面临的共性问题，即在脱嵌钾的过程中会造成较大的体积形变，导致界面固态电解质膜(SEI)的不稳定，以及颗粒的粉化从集流体中脱落，进一步导致容量快速衰减。另一方面，作为一种硫化物，SnS₂具有较差的导电性能，不利于容量的充分发挥。而且，目前SnS₂复合石墨烯的主要制备方法是在温度较高(120℃)的条件下进行水热反应，如中国专利(CN102142549A)公开了一种在120-180℃条件下合成SnS₂/石墨烯复合物；中国专利(CN105869893A)公开了一种在180-200℃条件下合成SnS₂/石墨烯复合物；高温水热合成存在耗能大，对设备要求高等问题，且合成的复合物用于钾离子电池负极材料时，仍然存在上述SnS₂存在的诸多问题，有待改进。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供一种高容量纳米SnS₂/石墨烯复合材料。研究发现，通过对SnS₂颗粒纳米化，可以很好克服其在合金化脱嵌钾体积膨胀造成的容量快速衰减的问题；同时将SnS₂与石墨烯复合以提高SnS₂的导电性，并为SnS₂在储钾过程中提供体积膨胀的空间，从而使钾离子电池的容量高达840mAh g^-1，具备十分优异的循环性能。同时，本发明还提供了一种全新的制备所述纳米SnS₂/石墨烯复合材料的方法。

本发明是通过如下技术方案实现所述技术效果的。