一种钾离子电池铋基负极及环醚电解液的制备方法

本发明属于铋基负极材料和电解液，具体涉及一种铋基储钾负极和环醚电解液在钾离子电池中的应用。

背景技术：

1、开发高容量、高速率的二次电池系统，满足日益增长的储能需求具有深远的意义。后锂离子电池，由于其丰富的资源和成本效益，钠/钾/镁/锌离子电池成为储能领域。特别是，由于路易斯酸度降低，k+显示出较小的斯托克斯半径，表明k+具有更好的迁移率和更低的势垒。然而，k金属的高反应性使得在大规模应用中难以平衡安全性能、高容量和高功率的连续性。提高传统钾离子电池(pibs)不理想的性能是一个紧迫的挑战。

2、基于合金化反应的合金型负极(bi、sb、p、si、sn)被认为是研究高性能储k负极的潜在候选材料。合金化反应保证了bi负极在低压范围内可以提供超高的比容量，但合金化/脱合金过程中发生的体积膨胀是这类负极材料发展的一个关键因素，因为它会导致电极完全分裂，并导致显著的不可逆容量损失。碳限制已被证明是非常有效的锑基和双基负极在设计策略中应用于大体积变化。均匀分布的碳基质也提高了铋负极的电导率。因此，开发简便、有效的碳限制铋负极具有重要意义。同时，制备高性能钾离子电池的一种有效方法是弱溶剂化化学，它将降低脱溶化能势垒与改变体电解液的溶剂化环境相结合。值得注意的是，溶剂化结构取决于配位相互作用和阳离子、溶剂和阴离子之间的比值。在弱溶剂化环醚电解液(wse)中，由于阴离子与k+的配体能力较弱，有利于参与溶剂化结构的形成，最终形成具有高电荷转移动力学的富kf的sei。

3、本专利开发了一种基于铋基储钾负极的环醚电解液，该电解液以弱溶剂化环醚(四氢呋喃，thf)为溶剂，双氟磺酰亚胺钾(kfsi)为钾盐，并进一步调整阴离子-溶剂比，优化铋的储钾性能。与传统的kfsi-dme电解液相比，阴离子在环醚电解液中更多地参与溶剂化结构。更多的fsi-参与可以诱导富kf的sei，从而降低界面电荷转移阻抗，提高电池的循环稳定性。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种基于铋基储钾负极的钾离子电池及其兼容环醚电解液的制备。

2、实现本发明目的的技术解决方案是：

3、一种铋基储钾负极的制备，该材料的结构如说明书附图1。

4、本发明中的一种铋基储钾负极的制备方法，包括以下步骤：

5、3.57mmol的均苯三甲酸和0.38mmol的五水硝酸铋加入48ml n，n-二甲基甲酰胺和12ml的甲醇的混合溶液中，在25℃下搅拌至溶液澄清；将澄清溶液转移至特氟隆内衬的不锈钢高压反应釜，并在120℃下加热24h，冷却后将所得白色沉淀离心收集，用甲醇洗涤三次，将所得产物在60℃下真空干燥12小时，得到前驱体；将前驱体置于充满流动惰性气体的管式炉中以2℃/min的升温速度加热至780-820℃，保温3h，得到铋基复合材料(bi@c)。

6、本发明中的一种环醚电解液的制备方法，包括以下步骤：

7、在充满氩气的手套箱中，向弱溶剂化环醚(四氢呋喃，thf)中加入双氟磺酰亚胺钾盐(kfsi)，搅拌均匀后得到钾离子电池电解液，电解液的浓度分别为1mol/l和5mol/l。

8、本发明中所述的铋基负极和环醚电解液可用于高效存储钾离子。

9、本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)本发明以合成了一种用于铋基储钾负极的环醚电解液，具有弱溶剂化，动力学性能好等优点。(2)本发明负极合成方法简单，电解液与负极兼容性高能形成稳定界面，制备钾离子半电池循环性能高。

技术特征：

1.一种基于铋基储钾负极的钾离子电池及其兼容环醚电解液的制备。

2.如权利要求1所述的一种基于铋基储钾负极的制备方法，包括以下步骤：3.57mmol的均苯三甲酸和0.38mmol的五水硝酸铋加入48ml n，n-二甲基甲酰胺和12ml的甲醇的混合溶液中，在25℃下搅拌至溶液澄清；将澄清溶液转移至特氟隆内衬的不锈钢高压反应釜，并在120℃下加热24h，冷却后将所得白色沉淀离心收集，用甲醇洗涤三次，将所得产物在60℃下真空干燥12小时，得到前驱体；将前驱体置于充满流动惰性气体的管式炉中以2℃/min的升温速度加热至780-820℃，保温3h，得到铋基复合材料(bi@c)。

3.如权利要求1所述的环醚电解液的制备方法，包括以下步骤：在充满氩气的手套箱中，向弱溶剂化环醚(四氢呋喃，thf)中加入双氟磺酰亚胺钾盐(kfsi)，搅拌均匀后得到钾离子电池电解液。

4.如权利要求3所述的环醚电解液的制备，其特征在于：电解液的浓度分别为1mol/l和5mol/l。

技术总结
本专利开发了一种基于铋基储钾负极的环醚电解液，该电解液以四氢呋喃为溶剂，双氟磺酰亚胺钾为钾盐，并进一步调整阴离子‑溶剂比，优化铋基负极的储钾性能。与传统的KFSI‑DME电解液相比，阴离子在环醚电解液中更多地参与溶剂化结构。更多的FSI<supgt;‑</supgt;参与可以诱导富KF的SEI，从而降低界面电荷转移阻抗，提高电池的循环稳定性，为进一步探究弱溶剂化提供了思路。

技术研发人员：郑晶,聂栾杰
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17