论文总字数：27903字

摘 要

钾离子电池（KIBs）由于其高能量密度和丰富的钾储备，在大规模储能应用中具有巨大潜力。然而，K 的大半径和钾的超反应金属性质使得其电化学可逆存储在大多数常规电极材料中难以实现。当前，开发具有高比容量，长循环寿命并且低成本的钾离子电池阳极材料仍然是巨大的挑战。锑基材料因其理论容量高，钾化潜力合适和成本相对较低而被认为是有前途的阳极候选材料。本论文通过将锑负极限域到碳材料中，构筑了一种三维碳骨架限域Sb纳米颗粒电极材料，实现了高效的碳/纳米材料复合结构设计，并探究了该电极材料在钾离子电池中的电化学性能和电化学过程中的储钾机制。主要研究结果如下：

1. 通过以NaCl为模板，PVP为分散剂，SbCl₃作为Sb源的自组装策略，获得了所需前驱体，对所得前驱体冷冻干燥处理后再进行碳热还原，成功制备一种三维导电碳网限域锑纳米颗粒的复合电极材料。

（2）电化学性能测试表明，所设计的三维导电碳网限域锑纳米颗粒电极材料在200 mA g^-1电流密度下可逆容量可达461 mAh g^-1，甚至在1000 mA g^-1的大电流密度下循环50圈后，仍能保持228 mAh g^-1的高比容量，相比于块状锑单质在循环稳定性和倍率性能上得到了有效提高。

（3）揭示了锑基负极作为钾离子电池的储能机理：首先，钾离子先嵌入到Sb的晶体内部，形成K-Sb合金，最终转变为立方相的K₃Sb，证明了其电化学储钾的两步反应机制。

关键词：钾离子电池；阳极材料；三维碳骨架；锑纳米颗粒；储钾机制

Abstract

Potassium-ion batteries (KIBs) present great potential for large-scale energy storage applications owing to their high energy density and the abundance of potassium reserve. However, the large radius of K and super-reactive metallic nature of potassium make it difficult to realize electrochemically reversible storage of potassium in most conventional electrode materials. Currently, it remains a great challenge to develop appropriate anode materials with high specific capacities, long cycle life and low cost for KIBs. Antimony-based materials are recognized as a promising anode candidates because of their high theoretical capacities, appropriate potassiation potential, and relatively low cost. In this work, we constructed a three-dimensional carbon matrix confined Sb nanoparticle electrode material by introducing the negative limit domain of antimony into the carbon material, and realized the efficient composite structure design of carbon/nanometer material.We also explored the electrochemical performance of the electrode material in the potassium ion battery and the potassium storage mechanism in the electrochemical process.The main findings are as follows:

1. by using NaCl as the template, PVP as the dispersant, and SbCl₃ as the self-assembly strategy of Sb source, the required precursor was obtained. After the obtained precursor was freeze-dried and then carbon thermal reduction was carried out, a composite electrode material of three-dimensional conductive carbon net-limited antimony nanoparticles was successfully prepared.
2. Electrochemical performance tests show that the designed three-dimensional conductive carbon network confined antimony nanoparticle electrode material can achieve a reversible capacity of 461 mAh g^-1 at a current density of 200 mA g^-1, and even maintain 228 mA h g^-1 after cycling for 50 cycles at a high current density of 1000 mA g^-1.which is effectively improved in cycle stability and rate performance compared to bulk antimony.
3. The energy storage mechanism of Sb-based anode as KIBs is revealed. Firstly, K is inserted into Sb to form K-Sb alloys and finally transformed into cubic phase K₃Sb through the alloying reaction, which proves a two-step potassium storage mechanism.

Key Words：potassium ion batteries; anode materials; three-dimensional carbon skeleton; Sb nanoparticles; potassium storage mechanism

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钾离子电池的优势 2

1.2.1钾离子电池的工作原理 2

1.2.2物理特性 3

1.2.3电池电压 3

1.2.4可行性与经济效益 3

1.3钾离子电池负极材料 4

1.3.1 合金材料 4

1.3.2 锑基负极在钾离子电池中的应用 5

1.4选题目的与意义 7

1.5主要研究内容 8

第2章 实验材料合成与表征 9

2.1实验药品和仪器 9

2.1.1实验药品 9

2.1.2 实验仪器 9

2.2电极材料的制备与钾离子电池组装 10

2.2.1电极材料的制备 10

2.2.2钾离子电池组装 11

2.3 材料表征技术 12

2.3.1 微观形貌分析 12

2.3.2 化学组成分析 12

2.3.3 物相结构分析 12

2.4 电化学测试技术 13

2.4.1 恒流充放电测试 13

2.4.2循环伏安测试 13

第3章 三维导电碳网限域锑纳米颗粒电极材料表征与电化学性能分析 14

3.1材料结构表征 14

3.1.1材料微观形貌分析 14

3.1.2材料形成机制分析 16

3.1.3材料物相分析 17

3.1.4热稳定性分析 18

3.1.5比表面积与孔径测试 19

3.2电化学性能分析 20

3.2.1电化学性能测试 20

3.2.2储钾机制分析 23

第4章 结论 25

致 谢 .........................................................................................................................................26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 引言

能源是人类生存和发展的基础，不幸的是，随着传统化学能源的不断消耗，世界正面临着巨大的能源紧缺问题。这一重大问题可以通过两个方案得到缓解:（1）将从燃烧矿物燃料和生物燃料获得的电力生产转向利用可持续能源；（2）将地面运输工具的动力转向电力驱动。为了缓解能源紧缺的问题，已经开发了风能、潮汐能、太阳能和地热能等^[1]；然而，这些能源受到天气、时间和地点的限制。因此，开发出一个能将可再生能源顺利有效地整合到电网中的储能系统是不可或缺的。目前，二次电池由于其较高的灵活性和能量转换效率，是最高效的大规模储电方式之一^[2]。

自第一块商用电池正式投入市场以来，锂离子电池作为主要动力源在便携式设备和电动汽车中的应用正在迅速扩大；但是，当前的锂离子电池技术正面临一些的挑战，例如锂资源储量有限和在全球范围内的分布不均^[3]。据文献记载，全球锂储量为30-50吨，大多数锂储量都位于偏远地区，并且拥有锂资源的国家的数量有限；因此，未来锂的供应在很大程度上取决于那些特定的国家。考虑到这些问题，实现锂前驱体的大规模生产将需要大量的资金和较长的原材料加工时间，这最终会导致更高的费用和更昂贵的产品。有几份报告显示，到2050年，锂的回收率可以达到50-100%，锂的回收利用可以支持锂的供应；但是，目前锂的回收率不到1％，其回收利用缺乏先进的技术和设施以及经济激励，不足以满足能源储存的巨大需求^[4]。因此，迫切需要提出一种基于地球丰富元素的替代能源储存技术，以满足当今以及未来的能源需求。

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