一种有机氮杂环负极和优化电解液在钾离子电池中的应用

本发明属于有机负极材料和电解液，具体涉及一种氮杂环有机负极和优化电解液在钾离子电池中的应用。

背景技术：

1、寻找新一代便捷、安全、清洁的能源，对于实现可持续发展至关重要。在过去的几十年里，锂离子电池以其高能量密度、高功率密度和长循环寿命等优异的电化学性能得到了人们广泛的关注。然而，由于锂金属资源在空间中的分布较低(0.0017wt.％)，阻碍了锂离子电池的发展。因此，需要能够替代锂离子电池的其他电池存储技术。钾离子电池和钠离子电池由于其相似的工作原理，以及高丰度的钾(2.1wt.％)和钠(2.3wt.％)金属，被认为是具有前途的替代品。与钠离子电池相比，钾离子电池具有更高的能量密度和更快的离子传输动力学。此外，钾离子电池最大的优势是相对便宜的钾盐可以显著降低工业生产成本。因此，钾离子电池被认为是下一代大规模储能系统中的主力军。

2、由于有机分子具有优异的电化学性能、较高的理论比容量、资源丰富、结构稳定、环境友好等优点而成为极受欢迎的负极材料。此外，有机分子之间的范德华力确保有机材料拥有更多的活性位点和更低的能量势垒来容纳更多的金属离子。然而，由于有机负极在循环过程中不可避免的出现体积膨胀以及溶解于电解液中，从而导致了电池容量持续衰减，阻碍了有机钾离子电池的广泛应用。基于上述问题，我们需要设计出具有稳定储钾性能的有机负极材料。目前建立稳定有机负极的策略主要是将碳纳米管与有机分子混合，以获得具有大比表面积和高电子导电性的复合材料，减少材料的体积膨胀，提高材料的导电性，从而提高循环寿命。

3、与传统的强调电极材料设计的方法相比，钾储存过程中的电解液化学性质并没有得到人们足够的重视。电解液作为可充电电池的重要组成部分，除了作为连接正负极的纽带外，还担负着输送离子的重任。由于k+的路易斯酸性较弱，钾盐在有机溶剂中的溶解度比锂或钠盐低。因此，钾离子电池的电解液通常采用溶剂化能力强的溶剂，如碳酸乙烯酯(ec)和碳酸二乙酯(dec)，以保证钾盐的完全溶解。然而，在常用的六氟磷酸钾(kpf6)碳酸盐电解液中，由于在负极上形成了不稳定的固体电解质界面(sei)，从而导致电解液的不断分解，使得钾离子电池通常表现出较低的库仑效率以及持续的容量衰减。而使用含双氟磺酰亚胺钾(kfsi)盐的电解液有助于在负极上生成相对稳定的sei，有利于稳定的界面化学反应，确保可逆的储钾性能。因此，应统筹兼顾电解液中盐和溶剂的选择，更多地关注电解液中的溶剂化结构化学，这有助于指导设计先进的储能系统。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种有机负极和优化电解液在钾离子电池中的应用，在改善有机负极结构的同时改善电解液与电极界面的兼容性并加快反应动力学以提升有机负极的储钾性能。

2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种有机负极和优化电解液在钾离子电池中的应用，钾离子电池包括钾金属、有机负极、电解液；有机负极的制备通过把2-甲基咪唑与碳纳米管(cnt)在高温下进行熔融，形成2-甲基咪唑@cnt复合物；电解液为双氟磺酰亚胺钾盐(kfsi)电解液。

4、所述有机负极和优化电解液在钾离子电池中的应用，其中熔融温度为140℃，时间为12h。

5、所述有机负极和优化电解液在钾离子电池中的应用，电解液的制备：在充满氩气的手套箱中，向溶剂碳酸乙烯酯(ec)和碳酸二乙酯(dec)(体积比1∶1)中加入双氟磺酰亚胺钾盐，搅拌均匀后得到钾离子电池电解液，浓度为1-4mol/l，其中优选电解液的浓度为3mol/l。

6、所述有机负极和优化电解液在钾离子电池中的应用，有机负极的制备，包括以下步骤：

7、(1)将碳纳米管分散在盐酸中进行活化1h，然后在60℃下真空干燥6h；

8、(2)取碳纳米管和2-甲基咪唑各1g研磨30min；

9、(3)将混合后的粉末在烘箱中于140℃下熔融12h，得到有机负极材料，能够实现可逆的循环性能。

10、相比于现有技术，本发明的有益效果为：

11、本发明在制备有机负极材料时通过将有机物和导电碳纳米管混合，有机物分布在碳纳米管内部和周围。碳纳米管能抑制有机物的溶解，并提高体系的导电性。

12、由于有机材料自身导电性能较差以及易溶于电解液的特性会导致容量衰减严重，因而在对材料结构设计同时需要兼顾电解液的优化；本发明电解液含有钾盐和溶剂，溶剂为碳酸乙烯酯(ec)和碳酸二乙酯(dec)(体积比1∶1)，钾盐为双氟磺酰亚胺钾(kfsi)，钾盐浓度为1、2、3和4mol/l，优选浓度为3mol/l。

13、本发明通过有机负极结构设计和电解液优化策略，有效地提高了有机负极的比容量、循环稳定性和反应动力学。优化电解液中以agg和cip构型为主的溶剂化结构抑制了有机物的溶解，减少了循环过程中副反应的发生，提高了反应动力学，有利于实现有机负极的界面稳定性，从而提高电池的钾储存性能。此外，适当的增加浓度能够提高体系中阳离子数量，有利于提高有机负极的储钾容量。

技术特征：

1.一种有机氮杂环负极和优化电解液在钾离子电池中的应用，其主要包括钾金属、有机负极、电解液；有机负极的制备通过把2-甲基咪唑与碳纳米管(cnt)在高温下进行熔融，形成2-甲基咪唑@cnt复合物；电解液为双氟磺酰亚胺钾盐电解液。

2.根据权利要求1所述有机负极和优化电解液在钾离子电池中的应用，其特征在于，熔融温度为140℃，时间为12h。

3.根据权利要求1所述有机负极和优化电解液在钾离子电池中的应用，其特征在于，电解液的制备：在充满氩气的手套箱中，向溶剂碳酸乙烯酯(ec)和碳酸二乙酯(dec)(体积比1∶1)中加入双氟磺酰亚胺钾盐，搅拌均匀后得到钾离子电池电解液，浓度为1-4mol/l。

4.根据权利要求1所述有机负极和优化电解液在钾离子电池中的应用，其特征在于，有机负极的制备，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种有机氮杂环小分子负极(2‑甲基咪唑)和优化电解液在钾离子电池中的应用，属于有机负极材料和电解液技术领域。该钾离子电池包括钾金属、有机负极、电解液；有机负极的制备通过把2‑甲基咪唑与碳纳米管(CNT)在高温下进行熔融，形成2‑甲基咪唑@CNT复合物；电解液为双氟磺酰亚胺钾盐电解液。本发明在改善有机负极结构的同时改善电解液与电极界面的兼容性，并加快反应动力学以提升有机负极的储钾性能。技术研发人员：郑晶,陈航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：2024/7/29