[发明专利]一种用作钾离子电池负极的多孔碳纤维封装活性金属复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种用作钾离子电池负极的多孔碳纤维封装活性金属复合材料的制备方法，属于钾离子电池制备技术领域。本发明以活性金属盐、纺丝助剂、造孔剂为原料加入纺丝溶剂经磁力搅拌混合均匀后得到前驱体溶液，经高压静电纺丝后得到纤维膜前驱体，对纤维膜前驱体预氧化后在惰性气氛下碳热共还原处理得到多孔碳纤维封装活性金属复合材料。该产品利用多孔碳纤维孔道结构缓解其在电池循环过程中活性金属的体积膨胀，纤维网络结构缩短离子传输路径，提高离子的快速传输能力。本产品解决了活性金属作钾离子电池负极材料的体积膨胀问题，具有优异的倍率性能及循环稳定性，为钾离子电池负极材料的设计提供新的思路，具有一定的应用潜力。

技术领域

本发明涉及钾离子电池技术领域，具体涉及一种用作钾离子电池负极的多孔碳纤维封装活性金属复合材料的制备方法。。

背景技术

近年来，随着我国工业技术的快速发展，对能源的需求与消耗不断增加。然而传统的化石能源因其资源的不可再生以及使用中引发的环境问题，激发了人们对可再生能源的探索。目前，我国已经制定了“将力争于2030年前实现二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和”的目标，研究与利用可再生能源的是减少碳排放的有效途径。风能、太阳能、潮汐能等均属于可再生能源，尤其是风力发电、太阳能发电目前已在我国铺展利用，但二者功能均具有不稳定性，因此可再生能源的储存是目前关注的热点问题。近期，随着电池技术的突破，电池储能可能是解决可再生能源发电不稳定性的有效方案。

锂离子电池自问世以来便因其能量密度高、安全性能好等优点获得市场的青睐。在手机、电脑、电动汽车等便携式设备应用广泛。但锂在地壳中丰度并不高，随着对锂资源需求的增大，成本上涨成为影响其应用的主要问题，急需寻求一种低成本，高能量密度，高使用寿命的替代技术。钾金属与锂金属同属第一主族，其化学性质相似，且地壳中储量更高，是用于替代锂金属的优质选择。钾离子电池由正极材料、隔膜、负极材料以及电解液组成，负极材料作为重要组成部分，在循环过程中起到钾离子储存与释放作用，因此开发优质的负极材料是提高钾离子电池性能的重要手段。

在负极材料的选择中，Bi、Sn、Sb、等活性金属负极材料因其丰富的资源、较大的理论容量而受到广泛关注。然而，这类材料在钾的嵌入与脱出过程中的体积变化导致颗粒粉碎使其从集流体分离，从而导致性能下降。为解决以上问题，目前常用的策略有以下几种方法：(1)与碳材料复合，碳材料具有优异的导电性及热稳定性，有利于电子的快速传输，可以为活性金属的体积膨胀提供缓冲作用；(2)结构的调控设计，可通过微纳米结构的设计，给予活性金属一定的体积膨胀空间，缓解其体积膨胀效应。目前已有部分专利报道了活性金属与碳复合策略，如专利CN202011404594.4公开的一种纳米铋/氮掺杂碳泡沫纳米片二维复合材料及其制备方法，通过溶剂热反应技术制备二维铋基金属有机框架化合物前驱体，然后通过碳热还原技术可控合成纳米铋/氮掺杂碳泡沫纳米片复合材料，但其制备工艺较为复杂，导致可控性不好。专利CN202010579077.4公开的一种钾离子电池负极用锑烯/石墨烯复合材料及制备方法，制备工艺简便，但石墨烯价格较为昂贵，成本较大。

因此本发明专利结合上述问题，创造性的采用静电纺丝结合碳热共还原技术一步制备了一种用作钾离子电池负极的多孔碳纤维封装活性金属复合材料的制备方法。将活性金属颗粒封装在多孔碳纤维孔道中，缓解其在电池循环过程中的体积膨胀。纤维网络结构使离子传输路径进一步缩短，提高离子的快速传输能力，多孔的纤维结构使电解液充分接触，进一步提高电化学性能。本方法制备的负极材料具有优异的倍率性能及循环性能，为钾离子电池负极材料的设计及制备提供了思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种用作钾离子电池负极的多孔碳纤维封装活性金属复合材料的制备方法，以解决现有技术中存在的活性金属在合金/脱合金过程中的体积膨胀问题。本发明采用静电纺丝结合碳热共还原技术进行纳米结构设计，利用预氧化过程中牺牲造孔剂的方式，将活性金属封装在多孔碳纤维的孔道结构中，给予活性金属纳米颗粒足够的缓冲空间，抑制其在循环过程中的体积膨胀作用，三维的多孔碳纤维结构提高了离子传输能力，是一种具有优异电化学性能的钾离子电池负极材料。