[发明专利]一种聚酰亚胺衍生碳/二硫化钼负极材料的制备方法及其在钾离子电池中的应用

说明书

本发明公开了一种聚酰亚胺衍生碳/二硫化钼负极材料的制备及在钾离子电池中的应用，本发明属于钾离子电池负极材料技术领域，该材料中，具有花状球形结构，二硫化钼负载在聚酰亚胺衍生碳球的表面。将聚酰亚胺在氩气气氛下退火收集，经过酸洗得到聚酰亚胺衍生碳；聚酰亚胺衍生碳/二硫化钼制备方法是：以硫脲为硫源，钼酸钠为钼源，加入聚酰亚胺衍生碳进行溶剂热，干燥洗涤后，在氩气气氛下退火收集到产品，展现出了优异的储钾性能。聚酰亚胺衍生碳改善了MoS₂的体积膨胀，两者复合增加其容量以及电子导电性。该方法简单，材料安全易得，对环境友好，适用于大规模生产。复合材料表现出了优异的循环性能和稳定性，并且进行了不同电解液的测试。

技术领域

本发明属于钾离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种聚酰亚胺衍生碳/二硫化钼负极材料的制备方法及其在钾离子电池中的应用。

背景技术

钾离子电池相较于锂离子电池有明显优势。金属钾与金属锂虽属同一主族，具有相似的化学性质，但钾在地壳中的含量为1.5％，丰度超过金属锂1000倍；其次，金属钾氧化还原电位低，与金属锂十分接近，但钾在有机电解质中具有更快的离子传输动力学。此外，锂离子电池负极集流体只能使用铜箔，而钾离子电池负极集流体可以使用价格更为低廉的铝箔，成本更低；另外与钠离子电池相比，钾离子电池也有明显优势，特别是在产业化前景方面更为成熟，研究证明目前在锂离子电池中以大量生产的商业化石墨可以直接应用在钾离子电池中，而钠离子电池是行不通的。以上种种，均表明钾离子电池的潜力和广阔前景。

从构造上讲，钾离子电池是由正极材料、隔膜、负极材料与电解液组成。其中，决定钾离子电池能量密度以及循环稳定性问题的关键部分是负极材料。因此开发合适的负极材料是对所有钾离子电池研究者的一个挑战，是制约钾离子电池发展的一个关键环节。但是，到目前为止，虽然开发钾离子电池应用的负极材料已成为电池研究领域的一个热点，相关研究很多，可是实质性进展却不大。

伴随着Geim团队在2004年成功分离出单原子层石墨材料石墨烯，二维材料逐渐进入了人们的视野。在电池领域，二维材料已显示出强大的性能优势，例如层状金属氧化物/硫化物，有机金属框架材料，过渡金属碳化物或氮化物MXene等已被广泛的应用于锂离子、钠离子、锂-硫、金属-空气等多种电池的电极材料。其中，二硫化钼(MoS₂)最具代表性。作为一种与石墨烯极为类似的层状材料，在电池应用领域有天然优势，其内部通过范德华力连接的S-Mo-S键将其层状结构构造成为离子嵌入/脱出的天然通道，离子可以方便快速的嵌入/脱出。理论上将MoS₂用于锂离子电池可实现670mA h g^-1的比容量。但是，在MoS₂的充电和放电过程中，会产生较大的机械应力，充放电过程中的体积膨胀较大，而且MoS₂电导率较低，使得其倍率性能大打折扣。针对以上问题，研究者们开展了大量工作。研究结果发现，将MoS₂与其他材料复合，特别是与碳材料结合，利用二者的协同效用，可以明显改善电导率和循环稳定性的问题。