[发明专利]一种自支撑钠/钾离子电池材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种自支撑钠/钾离子电池材料及其制备方法与应用。所述自支撑钠/钾离子电池材料具体为多孔硫掺杂石墨烯气凝胶，其硫的含量为2～10wt％，结构为片状石墨烯自组装形成的三维结构。氧化石墨烯水溶液先与氨水反应后冷冻干燥得到石墨烯气凝胶，再与硫蒸汽在高温下反应得到多孔硫掺杂石墨烯气凝胶。将该多孔硫掺杂石墨烯气凝胶压实后可以自支撑方式用于钠/钾离子电池负极。以该多孔硫掺杂石墨烯气凝胶作为负极的钠/钾离子电池具有超高的比容量，优异的循环特性，良好的倍率等优点，相比其它非自支撑负极材料，该自支撑材料可减少集流体、粘结剂的使用，更加易于实现钠/钾离子电池性能的提高。

技术领域

本发明涉及钠/钾离子电池相关技术领域，具体涉及一种自支撑钠/钾离子电池材料及其制备方法与应用。

背景技术

为了满足现代社会日益增长的能源需求和能源供应的间歇性，大量可再生能源的如风能、太阳能、生物质、潮汐能和地热能被开发。但是由于其具有间歇性，因此需要高效储能技术对其进行存储。锂离子电池由于其具有能量密度高、循环寿命长等优点，在众多方案中成为了目前最为合适的储能技术。但是，锂离子电池的大规模应用同时也面临着价格限制和资源限制。为此，更具有价格优势的钠离子电池及钾离子电池成为目前一个重要的备选方案。由于钠离子具有更为优异的价格优势，因此对钠离子电池的研究，尤其是关于合适的钠离子电池负极材料的研究，对目前能源存储领域具有重要意义。同时，由于K/K+的氧化还原电位为-2.92V vs NHE，低于Na/Na+的氧化还原电位(-2.71V vs NHE)，因此，在与钠离子电池的比较中，钾离子电池表现出更高的能量密度。由于钠/钾离子电池的性能主要由其电极材料决定，因此寻找一种高性能的钠/钾离子电池负极材料成为了目前的一个重要研究热点。

自2004年曼彻斯特大学的康斯坦丁·诺沃肖洛夫利用机械法剥离出单层石墨烯以来，其相关的研究吸引的大量科研工作者的关注。相比于其它碳材料，石墨烯表现出超大的比表面积、优异的电导性等。其在形成多孔导电网络中有助于提高材料的导电性。将其用于钾离子电池负极材料时，其在与钾离子进行脱嵌的过程中具有较低的体积膨胀率。但是，由于石墨烯在钠/钾离子电池中的容量及其首次库伦效率相对较低，这极大地限制其在钾离子电池中的应用。目前已经有相应的报道证实了硫掺杂碳材料在锂离子电池及钠离子电池中可有效地改善其电化学性能(Chem.Commun.,48(2012)10663；Electrochim.Acta,241(2017)63)。同时，也已经有相关类似的材料应用于铝离子电池(中国专利申请CN201410416398.7)。但是到目前为止，在关于硫掺杂多孔石墨烯气凝胶用于钠离子电池自支撑负极还没有相应的报道，而在钾离子电池中的相关应用则更为缺乏。与其它二次电池(如锂、铝离子电池)相比，钠/钾离子由于具有更大的半径，因此要求所用硫掺杂碳材料具有更大的嵌入层间距及孔道结构，而上述现有技术还不能满足钠/钾离子电池的要求。

发明内容

为了解决上述现有技术的缺陷和不足，本发明的首要目的是提供一种自支撑钠/钾离子电池材料。

本发明的另一目的是提供上述自支撑钠/钾离子电池材料的制备方法。该制备方法简单有效、成本低廉，所得到的自支撑钠/钾离子电池材料具有首次库伦效率高、比容量高、循环稳定等特性。

本发明的再一目的是提供上述自支撑钠/钾离子电池材料作为自支撑钠离子电池负极和钾离子电池负极的应用。

本发明的具体技术方案是：

一种自支撑钠/钾离子电池材料，将硫掺杂于石墨烯气凝胶中得到，其中硫的含量为2～10wt％；结构为片状石墨烯自组装形成的三维结构，由片状石墨烯组成的大孔直径为2～50μm，石墨烯层中的孔径直径为5～20nm。

一种自支撑钠/钾离子电池材料的制备方法，该方法包括以下具体步骤：