钾离子电池负极活性材料、钾离子电池负极材料、钾离子电池负极、钾离子电池及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种钾离子电池负极活性材料、钾离子电池负极材料、钾离子电池负极、钾离子电池及其应用，属于钾离子电池技术领域。本发明专利技术提供了一种钾离子电池负极活性材料，包括五氧化二铌复合材料；其中，五氧化二铌复合材料包括含掺杂离子和/或包覆层的五氧化二铌复合材料。五氧化二铌复合材料具有优异的钾离子传输通道，可实现钾离子的快速嵌入与脱嵌，且晶体结构稳定，反应机理为插层和赝电容双机理，制备的钾离子电池循环寿命长、比容量高、成本低，可解决锂资源不足造成的价格上涨问题，避免钾离子电池合金型负极的膨胀粉化问题和插层型碳材料的动力学缓慢等问题。能够广泛应用于电动工具、电子设备、电动车辆或储能设备。

Anode Active Material for Potassium Ion Batteries, Anode Material for Potassium Ion Batteries, Anode for Potassium Ion Batteries, Potassium Ion Batteries and Their Applications

The invention provides a potassium ion battery negative active material, a potassium ion battery negative material, a potassium ion battery negative electrode, a potassium ion battery and its application, belonging to the technical field of potassium ion battery. The invention provides a negative active material for potassium ion batteries, including a niobium pentoxide composite material, wherein the niobium pentoxide composite material comprises a niobium pentoxide composite material containing doped ions and/or a coating. Niobium pentoxide composites have excellent potassium ion transport channels, which can realize rapid insertion and de-insertion of potassium ions, and the crystal structure is stable. The reaction mechanism is the double mechanism of intercalation and pseudocapacitance. The prepared potassium ion batteries have long cycle life, high specific capacity and low cost, which can solve the problem of rising prices caused by insufficient lithium resources and avoid the expansion of alloy negative poles of potassium ion batteries. The problems of pulverization and slow kinetics of intercalated carbon materials are discussed. It can be widely used in electric tools, electronic equipment, electric vehicles or energy storage equipment.

【技术实现步骤摘要】
钾离子电池负极活性材料、钾离子电池负极材料、钾离子电池负极、钾离子电池及其应用
本专利技术属于钾离子电池
，具体涉及一种钾离子电池负极活性材料、钾离子电池负极材料、钾离子电池负极、钾离子电池及其应用。
技术介绍
近年来，人们对电动汽车和便携式电子设备的需求量越来越大，有限的锂资源也消耗的越来越快，能够替代锂离子电池的新型储能系统越来越受到人们关注。钾资源丰富，分布均匀，成本低，且K/K+标准电极电势为-2.94V，与锂离子的标准电极电势最接近，能量密度较高，可替代锂用于电池。但钾离子的半径较大，远大于锂离子和钠离子，因此，钾离子在大多数锂离子电池的负极材料中无法实现可逆插层/脱嵌，导致无法应用，或者存在动力学缓慢的问题导致电池的倍率性能和循环性能远不如锂离子电池。所以，相对于锂离子电池或钠离子电池，钾离子电池对负极材料的要求更为严苛。目前，已报道的钾离子电池负极材料较少，主要包括钾片，合金型金属Sn、Bi负极，以及插层型碳材料。钾金属非常活泼，用钾片作为负极虽然容量高，但却易产生安全隐患；合金型金属Sn、Bi负极具有较高的比容量，但是钾离子半径较大，充放电过程中金属的膨胀系数较大，电极易粉化导致循环性能差；钾离子能在低压下插层石墨等层状碳材料，但是K+在石墨中动力学缓慢，扩散系数小，导致倍率性能差。鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提供一种钾离子电池负极活性材料，该钾离子电池负极活性材料包括五氧化二铌复合材料，五氧化二铌复合材料结构稳定且能快速储存K+，能够克服上述问题或者至少部分地解决上述技术问题。本专利技术的第二个目的在于提供一种钾离子电池负极材料，包括上述钾离子电池负极活性材料、导电剂和粘结剂。本专利技术的第三个目的在于提供一种钾离子电池负极，包括上述钾离子电池负极活性材料；五氧化二铌复合材料具有优异的钾离子传输通道，可实现钾离子的快速嵌入与脱嵌，且晶体结构稳定，在钾离子的嵌入与脱出过程中不发生相变。本专利技术的第四个目的在于提供上述钾离子电池负极的制备方法。本专利技术的第五个目的在于提供一种钾离子电池。包括上述钾离子电池负极的钾离子电池具有长循环寿命、高比容量、低成本的特性。本专利技术的第六个目的在于上述钾离子电池在电动工具、电子设备、电动车辆或储能设备中的应用。根据本专利技术第一个方面，提供了一种钾离子电池负极活性材料，包括五氧化二铌复合材料；其中，所述五氧化二铌复合材料包括含掺杂离子和/或包覆层的五氧化二铌复合材料。优选地，所述掺杂离子包括K、Na、Li、Mg、Zn、Ca、N、S或P中的至少一种，优选为K；优选地，所述掺杂离子与铌元素的物质的量比为1:3～1:7，优选为1:5；优选地，所述五氧化二铌的晶型包括正交相、六方相和单斜相中的至少一种，优选为正交相。所述包覆层的材料包括碳材料和金属氧化物中的至少一种；优选地，所述碳材料包括碳单质和/或含碳化合物；优选地，所述碳单质包括石墨、膨胀石墨、石墨烯、中间相碳微球石墨、乙炔炭黑、玻璃碳、碳碳复合材料、活性炭、硬碳、炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维或介孔碳中的至少一种；优选地，所述含碳化合物包括柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、淀粉、聚氧乙烯、聚乙二醇、丙三醇、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟甲基丙基纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯、酚醛树脂或环氧树脂中的至少一种；优选地，所述金属氧化物包括二氧化钛、二氧化锰和三氧化二铁中的至少一种；优选地，所述包覆层的材料包括石墨烯；优选地，所述包覆层的材料的质量分数为5wt％～20wt％，优选为10wt％。优选地，所述五氧化二铌复合材料为含包覆层的五氧化二铌复合材料，优选为包覆层为碳材料的五氧化二铌复合材料。根据本专利技术第二个方面，提供了一种钾离子电池负极材料，包括上述钾离子电池负极活性材料、导电剂和粘结剂。根据本专利技术第三个方面，提供了一种钾离子电池负极，包括上述钾离子电池负极活性材料。根据本专利技术第四个方面，提供了上述钾离子电池负极的制备方法，包括以下步骤：将钾离子电池负极活性材料、导电剂和粘结剂溶于溶剂中，制成浆料，然后涂覆在负极集流体表面，得到钾离子电池负极。根据本专利技术第五个方面，提供了一种钾离子电池，包括上述钾离子电池负极或上述制备方法制得的钾离子电池负极、正极、隔膜和电解液。优选地，所述正极包括层状金属氧化物、聚阴离子化合物或普鲁士蓝类似物；优选为K0.67Fe0.5Mn0.5O2、FePO4、K0.5MnO2或K2Fe2(CN)6，进一步优选为K0.67Fe0.5Mn0.5O2；优选地，所述隔膜包括多孔聚合物薄膜、无机多孔薄膜或有机-无机复合隔膜，优选为多孔陶瓷薄膜、多孔聚丙烯薄膜、多孔聚乙烯薄膜、多孔复合聚合物薄膜或玻璃纤维，进一步优选为玻璃纤维；优选地，所述电解液包括钾盐和非水溶剂；优选地，所述电解液中钾盐的浓度为0.1-8mol/L，优选0.5-1mol/L；优选地，所述钾盐包括六氟磷酸钾、氯化钾、氟化钾、硫酸钾、碳酸钾、磷酸钾、硝酸钾、二氟草酸硼酸钾、焦磷酸钾、十二烷基苯磺酸钾、十二烷基硫酸钾、柠檬酸三钾、偏硼酸钾、硼酸钾、钼酸钾、钨酸钾、溴化钾、亚硝酸钾、碘酸钾、碘化钾、硅酸钾、木质素磺酸钾、草酸钾、铝酸钾、甲基磺酸钾、醋酸钾、重铬酸钾、六氟砷酸钾、四氟硼酸钾、高氯酸钾、三氟甲烷磺酰亚胺钾或三氟甲烷磺酸钾中的至少一种，优选为六氟磷酸钾。优选地，所述非水溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、N,N-二甲基乙酰胺、氟代碳酸乙烯酯、丙酸乙酯、丙酸甲酯、乙酸乙酯、γ-丁内酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧环戊烷、4-甲基-1,3-二氧环戊烷、二甲氧甲烷、1,2-二甲氧丙烷、三乙二醇二甲醚、二甲基砜、二甲醚、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、亚硫酸二甲酯或亚硫酸二乙酯或冠醚中的至少一种，优选为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合溶剂；优选地，所述碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合溶剂中，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的体积比为2:2:3:3。根据本专利技术第六个方面，提供了上述钾离子电池在电动工具、电子设备、电动车辆或储能设备中的应用。本专利技术提供了一种钾离子电池负极活性材料，包括五氧化二铌复合材料；其中，五氧化二铌复合材料包括含掺杂离子和/或包覆层的五氧化二铌复合材料。五氧化二铌复合材料具有优异的钾离子传输通道，可实现钾离子的快速嵌入与脱嵌，且晶体结构稳定，反应机理为插层和赝电容双机理，制备的钾离子电池循环寿命长、比容量高、成本低，可解决锂资源不足造成的价格上涨问题，还可避免钾离子电池合金型负极的膨胀粉化问题和插层型碳材料的动力学缓慢等问题。能够广泛应用于电动工具、电子设备、电动车辆或储能设备。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。需要说明的是：本专利技术中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。本专利技术中，如果没有特别的说明，本文所提到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钾离子电池负极活性材料，其特征在于，包括五氧化二铌复合材料；其中，所述五氧化二铌复合材料包括含掺杂离子和/或包覆层的五氧化二铌复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种钾离子电池负极活性材料，其特征在于，包括五氧化二铌复合材料；其中，所述五氧化二铌复合材料包括含掺杂离子和/或包覆层的五氧化二铌复合材料。2.根据权利要求1所述的钾离子电池负极活性材料，其特征在于，所述掺杂离子包括K、Na、Li、Mg、Zn、Ca、N、S或P中的至少一种，优选为K；优选地，所述掺杂离子与铌元素的物质的量比为1:3～1:7，优选为1:5；优选地，所述五氧化二铌的晶型包括正交相、六方相和单斜相中的至少一种，优选为正交相。3.根据权利要求1所述的钾离子电池负极活性材料，其特征在于，所述包覆层的材料包括碳材料和金属氧化物中的至少一种；优选地，所述碳材料包括碳单质和/或含碳化合物；优选地，所述碳单质包括石墨、膨胀石墨、石墨烯、中间相碳微球石墨、乙炔炭黑、玻璃碳、碳碳复合材料、活性炭、硬碳、炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维或介孔碳中的至少一种；优选地，所述含碳化合物包括柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、淀粉、聚氧乙烯、聚乙二醇、丙三醇、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟甲基丙基纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯、酚醛树脂或环氧树脂中的至少一种；优选地，所述金属氧化物包括二氧化钛、二氧化锰和三氧化二铁中的至少一种；优选地，所述包覆层的材料包括石墨烯；优选地，所述包覆层的材料的质量分数为5wt％～20wt％，优选为10wt％。4.根据权利要求1-3任一项所述的钾离子电池负极活性材料，其特征在于，所述五氧化二铌复合材料为含包覆层的五氧化二铌复合材料，优选为包覆层为碳材料的五氧化二铌复合材料。5.一种钾离子电池负极材料，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的钾离子电池负极活性材料、导电剂和粘结剂。6.一种钾离子电池负极，其特征在于，包括负极集流体和权利要求5所述的钾离子电池负极材料。7.权利要求6所述的钾离子电池负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将钾离子电池负极活性材料、导电剂和粘结剂溶于溶剂中，制成浆料，然后涂覆在负极集流体表面，得到钾离子电池负极。8.一种钾离子电池，其特征在于，包括权利要求6所...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，李娜，张帆，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44