伴随着锂离子电池在新能源领域中(新能源汽车、便携式电子设备)的不断发展,暴露出了锂资源匮乏、分布不均和成本居高不下的诸多问题。由于锂、钠和钾物理化学性质相似,促使钠离子电池和钾离子电池的研究变得越来越受关注。其中,钾离子电池由于资源储量丰富,具有相对较低的电极电势(-2.936 V相对于标准氢电势),并且材料工艺体系选择与锂离子电池极为相似,在大规模储能领域(风能,太阳能等)中钾离子电池的研究极具价值。在负极材料开发中,碳基材料的相关研究占据着重要的地位,目前在锂离子电池中石墨是商业化负极最普遍的选择,由于钠离子在嵌入时会在石墨表面形成一层钝化膜致使石墨负极材料无法应用到钠离子电池中。然而钾离子电池中钾原子能与石墨形成稳定的复合物KC8,经计算得出其理论容量约为279 m Ah g-1。但是由于钾离子具有大的离子半径(1.33 nm)和缓慢的动力学速率会造成严重的极化和巨大的体积膨胀,在反复充放电过程中,这些问题最终会导致容量迅速衰减。因此,钾离子电池负极材料仍然需要进一步开发。本文中,我们通过利用磷、锑和锡三种元素分别合成了碳包覆红磷(P@RGO)、碳包覆锑(Sb@PC)和碳包覆锡(Sn@RGO)三种钾电负极材料。通过对三种复合材料的电化学性能及各类特性的研究,总结了钾离子电池负极材料开发的几条可行路径,内容总结如下:(1)将红磷粉末和石墨烯粉末均匀混合,放入不锈钢高压釜中。在隔绝空气的情况下红磷与白磷之间可以相互转化。首先在500℃加热一段时间后,红磷粉末可以转化为白磷蒸汽并分散到整个容器中。然后,将白磷蒸汽在260℃保温一段时间重新转化为红磷后,其能沉积在石墨烯层间和表面。在本设计中,P@RGO形貌特征是红磷纳米颗粒均匀分布在具有层状结构的石墨烯矩阵中。因此,P@RGO基体作为钾离子电池负极材料具有较高的可逆比容量、出色的循环和倍率性能。(2)采用一种简单可控的高温固相法直接制备得到多孔碳包覆锑纳米颗粒复合材料。作为钾离子电池负极,Sb@PC提供了高比容量,良好的倍率性能和稳定的循环性能。这些优越的电化学性能主要得益于分层多孔碳包覆锑纳米颗粒的特殊结构,这种结构不仅可以有效地避免锑纳米颗粒与电解液的直接接触,而且还可缓解在充放电过程中钾与锑合金化带来的巨大的机械应力。(3)通过一种简单的合成策略,将亚微米锡颗粒均匀分布在氧化还原石墨烯层间及表面作为钾离子电池的负极材料。制备得到的Sn@RGO复合材料中锡颗粒分布均匀并且与氧化还原石墨烯亲密接触,同时经测定复合材料具有大量的结构缺陷和高的比表面积(136.5 m2 g-1)。为了强调高比表面积在电容性方面的作用,循环伏安法被用来分析容量贡献。同时,通过非原位XRD鉴别了钾锡合金化后的产物(KSn)。考虑到材料的成本和可持续性,这个材料作为钾离子电池负极具有很大的潜力。