[发明专利]三维网状碳内嵌锑基合金钾离子电池负极材料及制备方法

说明书

三维网状碳内嵌锑基合金钾离子电池负极材料，包括三维网状结构的薄碳层和锑基合金颗粒，该锑基合金颗粒均匀内嵌在薄碳层之中；该材料的制备方法为：1)将NaCl、形成锑基合金的离子化合物及碳源溶于水中，搅拌3‑12h制成混合溶液；2)将混合溶液冷冻、干燥去除水分以保持NaCl的立方结构；3)将上述物放入坩埚，在还原氛围下热处理，使碳源碳化为碳单质，金属离子被还原成金属单质，金属单质聚集形成合金；4)用去离子水洗涤除去NaCl，再烘干得产物，该材料容量高，循环性能好，倍率性能优良，具有稳定的充放电平台，解决了金属锑负极材料存在的体积膨胀率大，循环和倍率性能不佳的问题。

技术领域

本发明属于钾离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种三维网状碳内嵌锑基合金钾离子电池负极材料及制备方法。

背景技术

随着新能源、电动汽车和智能电网的快速发展，使得有限的锂资源(0.0017wt.％)难以满足需求的问题日益凸显。因此，开发低成本、高安全、长寿命、可快速充放电的新型化学电源体系势在必行。近期研究表明，钾离子电池具有很多突出的优势。具有高比容量、高电压差和良好嵌钾/脱钾稳定性的正负极材料是实现高比能、长寿命钾离子电池的必要条件。钾离子电池所面临的主要问题是寻找合适的电极材料。

目前研究较多的负极材料主要为碳材料，但其理论容量(KC₈，279mAh/g)低，仅通过改性或优化制备工艺很难大幅提高，无法满足大规模储能电池的要求。因此，研发新型高比容量非碳基负极材料成为研究重点和热点，许多金属和半导体可以和钾发生合金化反应。如磷基、锡基、锑基、过渡金属氧化物等。作为新型负极材料，其中，锑基材料储钾容量突出，理论嵌钾容量为660mAh/g，而且，Sb具有褶皱的层状结构，原子堆积的空间利用率达39％，有助于K⁺在层间的迁移；同时Sb具有较高的电导率(2.5×10^-4S/cm)，可促进电子的传输和转移，这些性质均有利于其合金化反应。锑的脱嵌钾过程还具有平坦的电化学反应平台，能提供非常稳定的工作电压。作为有潜力的负极材料，金属锑日趋成为关注和研究的热点。但单质锑存在严重问题，其在充放电循环过程中体积膨胀率大，易粉化造成活性锑基材料从集流体上脱落，导致容量衰减快。一种有效改进方法就是将金属锑与其他活性/非活性金属结合形成合金，如SnSb、Cu₂Sb、CoSb₃、Zn₄Sb₃和NiSb₂等，循环性能则会得到显著改善，主要原因在于不同嵌钾电位的活性组分或惰性组分可通过缓冲反应相的体积变化来抑制电极膨胀，增加材料的可延展性，从而达到提高电极循环寿命；另一种方法是与碳复合，除了增加导电性以外，还可以对合金体积变化起到缓冲作用；另外一种较为常见的方法是纳米化，降低晶粒尺寸。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维网状碳内嵌锑基合金钾离子电池负极材料及制备方法，得到的复合负极材料容量高，循环性能好，倍率性能优良，具有稳定的充放电平台，解决了金属锑负极材料存在的体积膨胀率大，循环和倍率性能不佳的问题。

本发明采取的技术方案为：

三维网状碳内嵌锑基合金钾离子电池负极材料，包括三维网状结构的薄碳层和锑基合金颗粒，该锑基合金颗粒均匀内嵌在薄碳层之中。

进一步的，所述锑基合金颗粒尺寸为5nm～100nm，选自二元锑基化合物Fe-Sb、Ta-Sb、Bi-Sb、Sn-Sb、Ni-Sb、Cu-Sb、Co-Sb、Mg-Sb、Mn-Sb、Zn-Sb、Zr-Sb、Ti-Sb、V-Sb之一或三元锑基化合物Cu-Sn-Sb、Fe-Ni-Sb之一。

进一步的，所述薄碳层的厚度为1～3nm。

三维网状碳内嵌锑基合金钾离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：