[发明专利]一种无枝晶高循环寿命钾金属电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种无枝晶高循环寿命钾金属电极及其制备方法和作为钾金属电池负极的应用，先通过一步造孔及碳化过程制备具有大比表面积及大量形核中心分布的金属氧化物/多孔碳复合材料，再通过电沉积沉积法，在导电载体上沉积钾金属，制备无枝晶高循环寿命钾金属电极。该电机包括金属氧化物/多孔碳复合载体、载体上沉积的钾金属和表面的SEI膜。本发明无枝晶高循环寿命钾金属电极具有高库伦效率和无枝晶生长等特点，可作为钾金属负极，与硫正极材料或者其他钾正极材料匹配时，显著提高全电池的能量密度和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及钾金属二次电池负极材料的技术领域，具体涉及一种无枝晶高循环寿命钾金属电极及其制备方法和作为钾金属电池负极的应用。

背景技术

低成本、高能量密度的绿色环保储能器件，在移动通讯、电动汽车和储能领域具有广阔的应用前景。然而地球上的锂资源储备量低(0.0017wt.％)以及不均匀分布导致锂离子电池成本的快速上涨。其他碱金属元素中，钾的储量是锂的1200多倍(2.09wt.％)，此外钾具有最更接近锂的电位(Li⁺/Li-3.04V vs.SHE,Na⁺/Na-2.71V vs.SHE,K⁺/K-2.93Vvs.SHE)，因此钾离子电池具有较低的制备成本，最接近锂的电化学性能和比钠大的电化学窗口等特点，成为可替代锂二次电池的新型储能器件。在钾离子电池负极材料中，钾金属负极相对于碳材料、金属氧化物等具有更高的比容量。但由于钾电极表面不平整导致反应电场分布不均匀，致使钾在循环沉积过程产生尖端凸起，最终产生枝晶，严重的锂枝晶会刺穿隔膜而导致内部短路，引起电池热失控甚至爆炸。因此，构建结构稳定的无枝晶电极对钾二次电池的应用发展具有重要意义。

针对枝晶问题，目前的改性研究主要集中在利用物理法抑制枝晶的生长，例如构建超硬陶瓷界面阻挡枝晶。然而简单的物理法并不能从根本上解决枝晶生长的问题，并在长循环中枝晶会穿透阻挡界面的裂缝等，最终导致界面的破碎和电池循环的快速衰减。枝晶生长的原因是形核的电位要高于生长的电位，导致在钾金属沉积的过程中，更偏向于在已经形成的核上生长，而不能形成新的核，导致钾金属的堆积，生长为枝晶。因此，只有从枝晶形核和生长的本质入手，改变枝晶生长的条件，才能抑制枝晶的生长，获得高循环寿命的钾金属负极。

解决钾金属形核问题主要从两个方面入手：(1)增加诱导形核中心，例如金属氧化物颗粒等，钾因为具有较强的化学活性，会与金属氧化物反应形成氧化钾和金属等，同时氧化钾与钾金属有较强的亲和性，容易降低钾在表面的形核电位；(2)增加载体材料的导电性和比表面积，增加诱导形核中心的量，例如多孔碳材料，以及在多孔碳材料表面造孔，增加孔容以及比表面积，再与金属氧化物结合，构建三维分布的诱导形核中心。因此，构建三维多孔并大量分布诱导形核中心的基底材料是无枝晶高循环寿命钾金属电极的大规模应用函待解决的关键性问题。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于构建提供一种无枝晶高循环寿命钾金属电极的构建，以制备出具有较强循环稳定性的钾金属电池负极。

一种钾金属复合电极的制备方法，包括以下步骤：

1)将生物碳前驱体放入膨化机内膨化，再浸入金属氧化物前驱体水溶液浸泡，保护气体保护下高温碳化造孔，获得金属氧化物复合多孔碳材料；

2)在保护气体保护下，采用金属氧化物复合多孔碳材料制作阳极，钾金属作为阴极并浸润到钾离子电解液中，在两极负载电流，获得钾金属复合电极，即无枝晶高循环寿命钾金属电极。

步骤1)和步骤2)中，所述的保护气体主要为氮气和氩气或者两种气体任何比例的混合气。

步骤1)中，所述的生物碳前驱体为含有一定水分的生物材料。例如谷类、豆类、花粉、孢子、细菌等。所述的谷类主要为谷类的种子，例如大米、小米、玉米、粳米、黑米、薏米等。即作为优选，所述的生物碳前驱体为大米、小米、玉米、粳米、黑米、薏米中的一种或两种以上(包括两种)。