一种膨胀石墨在钾离子电池负极材料中的应用的制作方法

本发明属于离子电池技术领域，具体涉及一种膨胀石墨在钾离子电池负极材料中的应用。

背景技术：

随着经济的发展，社会的进步，传统的化石能源资源有限，污染环境，因此能源危机和环境污染问题日益突出。故而，开发新型清洁能源尤为重要，如风能、核能、太阳能、生物能、地热能等。对于这些新能源的开发和利用需要建立完善统一的理论体系，其中储能显得尤为重要。

锂离子电池作为能源储存和转换元件，在新能源领域中占有重要地位。但是由于地壳中的锂资源储存有限，因此开发绿色可循环的二次电池居有重要意义。近年来，许多新型储能电池应用而生，发展迅速，如钠离子、钾离子、镁离子、钙离子等二次电池。其中，钾离子电池具有一些独特的优势，如钾源价格便宜，储量丰富，并且钾离子电池与锂离子电池的标准还原电位最为接近等。

钾离子电池主要依靠钾离子在正极和负极之间移动来进行工作，然而，钾离子的半径大于锂离子的半径，电池的负极材料必须能够嵌入载荷离子。已有研究表明，与钾离子相比，钠离子的半径与锂离子的半径更为接近，锂离子能够嵌入以石墨为材料的负极中，但是钠离子却无法嵌入以石墨为材料的负极中，从而限制了石墨作为钠离子作为负极材料的应用，这也说明了锂离子电池中的负极材料无法应用于其他载荷离子电池的负极材料中，同时目前报道的钾离子电池负极材料较少，因此开发绿色环保、结构稳定、电化学平台合适、比容量大的新型钾离子电池具有十分重要的意义。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种膨胀石墨在钾离子电池负极材料中的应用，将膨胀石墨应用于钾离子电池负极，能够使钾离子电池具有优异的离子和电子传输通道，结构稳定且能够循环利用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种膨胀石墨在钾离子电池负极材料中的应用，所述膨胀石墨的制备方法为，将石墨与浓酸混合搅拌后抽滤石墨，将抽滤后的石墨进行干燥，再在干燥后的石墨置于惰性气体中以1～20℃/min的速率升温至500～1000℃，保温一段时间后即可获得应用于钾离子电池负极材料的膨胀石墨。

经过本发明的发明人实验发明采用上述方法制备的膨胀石墨具有能够嵌入钾离子的间隙，同时能够使钾离子能够嵌入至该膨胀石墨中，将该方法制备的膨胀石墨作为钾离子电池负极材料，其容量可达400mah/g。

本发明的目的之二是提供一种钾离子电池，采用上述应用中的膨胀石墨作为钾离子电池的负极材料。

本发明的有益效果为：

1.本发明能够将膨胀石墨用于钾离子电池负极材料，其具有优异的离子和电子传输通道，采用该膨胀石墨作为负极材料的钾离子电池具有绿色环保，结构稳定，可循环利用，可以作为锂离子电池的替代品。

2.本发明中制备的膨胀石墨作为钾离子电池负极材料，其容量可达400mah/g。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为实施例1样品的充放电图；

图2为实施例1样品的循环图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明中所述的浓酸质量分数大于50％的强酸溶液，所述强酸溶液，例如硫酸、硝酸等。

本发明中所述惰性气体为不与石墨发生化学反应的气体，例如氮气、氩气等。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在能够应用于钾离子电池负极材料较少的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种膨胀石墨在钾离子电池负极材料中的应用。

本申请的一种典型实施方式，提供了一种膨胀石墨在钾离子电池负极材料中的应用，所述膨胀石墨的制备方法为，将石墨与浓酸混合搅拌后抽滤石墨，将抽滤后的石墨进行干燥，再在干燥后的石墨置于惰性气体中以1～20℃/min的速率升温至500～1000℃，保温一段时间后即可获得应用于钾离子电池负极材料的膨胀石墨。

经过本发明的发明人实验发明采用上述方法制备的膨胀石墨具有能够嵌入钾离子的间隙，同时能够使钾离子能够嵌入至该膨胀石墨中，将该方法制备的膨胀石墨作为钾离子电池负极材料，其容量可达400mah/g。

优选的，所述浓酸为浓硫酸、浓硝酸或两者的混合物。

进一步优选的，所述浓硫酸的浓度为60～80％(质量)，浓硝酸的浓度为60～80％(质量)。

优选的，搅拌时间为0.5～24h。

优选的，搅拌的速度为30～600r/min。

优选的，抽滤压力为-0.1～0mpa(不包括0mpa)。

优选的，抽滤后的石墨进行洗涤后再进行干燥。防止膨胀石墨表面附着酸性物质，影响电池性能。

进一步优选的，洗涤采用的水为蒸馏水。防止水中的盐附着在膨胀石墨表面，影响电池性能。

优选的，所述干燥为真空干燥。

进一步优选的，所述干燥的温度为40～100℃。

进一步优选的，所述干燥时间为1～24h。

本申请还提供了一种钾离子电池，采用上述应用中的膨胀石墨作为钾离子电池的负极材料。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本申请的技术方案。

实施例1：

称取1g石墨加入100ml烧杯50ml60％浓硫酸，磁力搅拌10h，控制转速100r/min，将得到的浑浊液抽虑，抽虑压力为-0.1mpa，将得到的黑色粉体倒入100ml烧杯，加入80ml蒸馏水洗涤磁力搅拌60min，将所得浑浊液抽虑得到黑色粉末，重复上述步骤用蒸馏水洗涤多次，将粉体在60℃真空环境保温5h，将干燥后的粉体装入陶瓷舟，以5℃/min升温速率升温，使用高纯氩作为保护气氛，在管式炉中800℃保温10h，随炉冷却至室温，得到膨胀石墨。

以本实施例制备的膨胀石墨作为负极材料制作成钾离子半电池电池(电解液为kpf6/ec-dec)，其充放电图如图1所示，其循环图如图2所示，可以表征出以本实施例制备的膨胀石墨作为负极材料，其容量可达400mah/g。

实施例2：

称取2g石墨加入200ml烧杯100ml60％浓硫酸，磁力搅拌15h，控制转速120r/min，将得到的浑浊液抽虑，抽虑压力为-0.1mpa，将得到的黑色粉体倒入200ml烧杯，加入150ml蒸馏水洗涤磁力搅拌120min，将所得浑浊液抽虑得到黑色粉末，重复上述步骤用蒸馏水洗涤多次，将粉体在70℃真空环境保温10h，将干燥后的粉体装入陶瓷舟，以5℃/min升温速率升温，使用高纯氩作为保护气氛，在管式炉中700℃保温15h，随炉冷却至室温，得到膨胀石墨。

将该实施例制备的膨胀石墨作为负极材料制作成钾离子电池，其表征结果与实施例1的表征结果相似。

实施例3：

称取1g石墨加入100ml烧杯50ml60％浓硝酸，磁力搅拌10h，控制转速100r/min，将得到的浑浊液抽虑，抽虑压力为-0.1mpa，将得到的黑色粉体倒入100ml烧杯，加入80ml蒸馏水洗涤磁力搅拌60min，将所得浑浊液抽虑得到黑色粉末，重复上述步骤用蒸馏水洗涤多次，将粉体在60℃真空环境保温5h，将干燥后的粉体装入陶瓷舟，以5℃/min升温速率升温，使用高纯氩作为保护气氛，在管式炉中800℃保温10h，随炉冷却至室温，得到膨胀石墨。

将该实施例制备的膨胀石墨作为负极材料制作成钾离子电池，其表征结果与实施例1的表征结果相似。

实施例4：

称取2g石墨加入200ml烧杯100ml60％浓硝酸，磁力搅拌15h，控制转速120r/min，将得到的浑浊液抽虑，抽虑压力为-0.1mpa，将得到的黑色粉体倒入200ml烧杯，加入150ml蒸馏水洗涤磁力搅拌120min，将所得浑浊液抽虑得到黑色粉末，重复上述步骤用蒸馏水洗涤多次，将粉体在70℃真空环境保温10h，将干燥后的粉体装入陶瓷舟，以5℃/min升温速率升温，使用高纯氩作为保护气氛，在管式炉中700℃保温15h，随炉冷却至室温，得到膨胀石墨。

将该实施例制备的膨胀石墨作为负极材料制作成钾离子电池，其表征结果与实施例1的表征结果相似。

对比例1

本对比例的制备方法与实施例1的制备方法完全相同，不同之处在于，本对比例的膨胀石墨作为锂离子电池的负极材料进行表征，结果表明其容量仅有351mah/g，不适宜作为锂离子电池的负极材料。

对比例2

本对比例的制备方法与实施例1的制备方法完全相同，不同之处在于，本对比例的膨胀石墨作为钠离子电池的负极材料进行表征，结果表明其容量仅有305mah/g，不适宜作为钠离子电池的负极材料。

对比例3

本对比例的制备方法与实施例1的制备方法相同，不同之处在于，本对比例以25℃/min升温速率升温，使用高纯氩作为保护气氛，在管式炉中1200℃保温15h，将制备的膨胀石墨作为负极材料制作成钾离子电池，并进行表征，结果表明其容量仅有376mah/g，不适宜作为钾离子电池的负极材料。

对比例4

本对比例的制备方法与实施例1的制备方法相同，不同之处在于，本对比例以2℃/min升温速率升温，使用高纯氩作为保护气氛，在管式炉中400℃保温15h，将制备的膨胀石墨作为负极材料制作成钾离子电池，并进行表征，结果表明其容量仅有347mah/g，不适宜作为钾离子电池的负极材料。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。