一种Fe2O3@MIL-101(Fe)钾离子电池负极材料的制备方法

本发明涉及一种fe2o3@mil-101(fe)钾离子电池负极材料的制备方法，属于钾离子电池。

背景技术：

1、金属钾与锂位于同一主族，具有相似的物理化学性质，金属钾在地壳中含量丰富(2.09％)相较于金属锂(0.0017％)且分布广泛；此外，钾离子电池中正负极集流体可以采用价格低廉的铝箔，不仅节约成本，还可以提升电池的能量密度；更为重要的是，钾离子的扩散系数更高(是锂离子的3倍)且溶剂化能量较小。因此，钾离子电池具有巨大的优势在未来大规模储能领域。然而，钾离子电池因较大的钾离子半径()导致其反应动力学缓慢和k+嵌入/脱出过程中引起的体积膨胀问题，使其循环稳定性和倍率性能受到限制，因此开发合适的钾离子电池负极材料意义重大。

2、当前，普遍使用石墨作为钾离子电池的负极获得了与锂电池相当的性能，可逆容量超过200mah g-1。但是由于钾离子半径较大，在电池反复充放电过程中，k+嵌入/脱出引起体积膨胀，容量很难维持在一个较高且稳定的状态。

技术实现思路

1、针对现有钾离子电池中碳负极材料存在循环稳定性较差等技术问题，本发明提出一种fe2o3@mil-101(fe)钾离子电池负极材料的制备方法以提高钾离子电池的电化学性能，fe2o3@mil-101(fe)钾离子电池负极材料作为钾离子电池的负极活性物质制备出钾离子电池，fe2o3@mil-101(fe)复合材料具有空心纳米球结构，可以有效地促进钾离子的插入，由于其具有较大的比表面积，可以为电解质和活性材料提供较多的接触位点，并且提高了电池反应效率，抑制钾离子嵌入和脱出的体积变化。mil-101(fe)具有大比表面积、高孔隙率、优异的热稳定性和众多不饱和活性位点等特点，fe2o3@mil-101(fe)复合材料充分利用了三氧化二铁高电化学性能和mil-101(fe)大比表面积、高孔隙率、优异的热稳定性和丰富的活性位点等特点的协同效应；具有首圈高放电比容量，良好的循环稳定性，其循环30圈后比容量保持率高。

2、一种fe2o3@mil-101(fe)钾离子电池负极材料的制备方法，具体步骤如下：

3、(1)将fecl3·6h2o、na3c6h5o7·2h2o和ch4n2o溶于去离子水中得到混合溶液a，将(c3h5no)n加入到混合溶液a中，搅拌反应1～2h得到混合溶液b；

4、(2)混合溶液b置于高压反应釜中，在温度160～200℃下反应10～14h，固液分离，固体依次经去离子水和乙醇洗涤，干燥即得fe2o3前驱体；

5、(3)将fe2o3前驱体均匀分散到乙醇中得到fe2o3前驱体分散液，将fecl3·6h2o/乙醇溶液和c8h6o4/乙醇溶液加入到fe2o3前驱体分散液中，在温度60～80℃下反应0.25～1h，固液分离，固体经乙醇洗涤，干燥即得fe2o3@mil-101(fe)钾离子电池负极材料。

6、所述步骤(1)fecl3·6h2o、na3c6h5o7·2h2o、ch4n2o与去离子水的固液比g:ml为0.5～1:1～2:0.1～0.5:40。

7、所述步骤(1)中(c3h5no)n与去离子水的固液比g:ml为0.2～0.6:40。

8、所述步骤(3)fe2o3前驱体分散液中fe2o3前驱体的浓度为0.005～0.012g/ml。

9、所述步骤(3)fecl3·6h2o/乙醇溶液的浓度为0.1～0.3mol/l，c8h6o4/乙醇溶液的浓度为0.1～0.3mol/l，fecl3·6h2o/乙醇溶液、c8h6o4/乙醇溶液与fe2o3前驱体分散液的体积比为5～15:5～15:30。

10、一种钾离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述负极包括负极集流体铝箔以及涂覆在负极集流体表面的负极材料层，所述负极材料层包括负极活性物质、导电剂和粘结剂，所述负极活性物质为fe2o3@mil-101(fe)负极材料。

11、本发明的有益效果是：

12、(1)本发明fe2o3@mil-101(fe)复合材料具有空心纳米球结构，可以有效地促进钾离子的插入，由于其具有较大的比表面积，可以为电解质和活性材料提供较多的接触位点，并且提高了电池反应效率，抑制钾离子嵌入和脱出的体积变化；

13、(2)本发明fe2o3@mil-101(fe)钾离子电池负极材料，具有比表面积大、电池反应效率高、体积变化小等优点，作为钾离子电池负极不仅表现出首圈高放电比容量，还有良好的循环稳定性，循环30圈后比容量保持基本不变。

技术特征：

1.一种fe2o3@mil-101(fe)钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述fe2o3@mil-101(fe)钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)fecl3·6h2o、na3c6h5o7·2h2o、ch4n2o与去离子水的固液比g:ml为0.5～1:1～2:0.1～0.5:40。

3.根据权利要求1或2所述fe2o3@mil-101(fe)钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中(c3h5no)n与去离子水的固液比g:ml为0.2～0.6:40。

4.根据权利要求1所述fe2o3@mil-101(fe)钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)fe2o3前驱体分散液中fe2o3前驱体的浓度为0.005～0.012g/ml。

5.根据权利要求1或4所述fe2o3@mil-101(fe)钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)fecl3·6h2o/乙醇溶液的浓度为0.1～0.3mol/l，c8h6o4/乙醇溶液的浓度为0.1～0.3mol/l，fecl3·6h2o/乙醇溶液、c8h6o4/乙醇溶液与fe2o3前驱体分散液的体积比为5～15:5～15:30。

6.一种钾离子电池，其特征在于：包括正极、负极、隔膜和电解液，所述负极包括负极集流体铝箔以及涂覆在负极集流体表面的负极材料层，所述负极材料层包括负极活性物质、导电剂和粘结剂，所述负极活性物质为权利要求1～5任一项所述制备方法所制备的fe2o3@mil-101(fe)负极材料。

技术总结
本发明涉及一种Fe2O3@MIL‑101(Fe)钾离子电池负极材料的制备方法，属于钾离子电池技术领域。本发明将FeCl3·6H2O、Na3C6H5O7·2H2O和CH4N2O溶于去离子水中得到混合溶液A，将(C3H5NO)n加入到混合溶液A中，搅拌反应1～2h得到混合溶液B；混合溶液B置于高压反应釜中，在温度160～200℃下反应10～14h，固液分离，固体依次经去离子水和乙醇洗涤，干燥即得Fe2O3前驱体；将Fe2O3前驱体均匀分散到乙醇中得到Fe2O3前驱体分散液，将FeCl3·6H2O/乙醇溶液和C8H6O4/乙醇溶液加入到Fe2O3前驱体分散液中，在温度60～80℃下反应0.25～1h，固液分离，固体经乙醇洗涤，干燥即得Fe2O3@MIL‑101(Fe)钾离子电池负极材料。本发明Fe2O3@MIL‑101(Fe)钾离子电池负极材料作为钾离子电池的负极活性物质，具有首圈高放电比容量，良好的循环稳定性，其循环30圈后比容量保持率高。

技术研发人员：李成平,余鸿瑞,董鹏,刘梓源,张正富,王丁,张英杰,王劲松
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15