一种用于锂电池的磷基正极材料及其应用制造技术

本发明专利技术揭示了一种用于锂电池的磷基正极材料及其应用，所述磷基正极材料的化学式通过下式表示：BP

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂电池的磷基正极材料及其应用
本专利技术涉及一种用于锂电池的磷基正极材料及其应用，可用于锂/钠电池材料

技术介绍
人类社会的发展和进步离不开能源的发展。目前，我们所依赖的石油等不可再生资源的储量已经越来越少，不仅如此，它们在燃烧后排除的二氧化碳等气体也严重影响了地球的生态环境。太阳能是公认的清洁能源，它不仅可以在一定程度上解决环境污染问题，而且符合可持续发展的需要。但是太阳能发电也并不是十全十美的，受到光照、天气以及光伏效率低下和存储电力不足等诸多因素的限制，太阳能发电的进一步发展受到了阻碍。近年来，随着电动汽车、大型电力电网和便携式智能设备的发展，人们对电池性能有了越来越高的要求。此时，化学能源成为满足这一需求的首选。其中，锂离子电池由于能量密度高、平均输出电压和输出功率大，无记忆效应且循环性能优秀、可实现快速充放电和无环境污染等优点受到了广泛的关注。目前锂离子电池容量仍然不高，且锂在地壳中含量低、开采困难、价格较高等缺点限制了锂离子电池在大型动力设备中的应用。除了锂离子电池之外，由于钠与锂有相似的物理和化学性能，相同的电池反应机制，以及地壳中钠储量丰富、价格低廉等优点，受到了广泛的关注。众所周知，电池的性能很大程度上依靠电极材料，研究新型电极材料有助于推动离子电池及相关产业的发展。现在，许多二维材料已经被研究作为潜在的电极材料，例如，磷烯对锂原子和钠原子的扩散势垒都较小，所以有望实现超快速度的的充电/放电从而缩短充放电时间。在容量方面，磷烯在锂钠电池中的表现都非常好，尤其是在钠电池中，其容量为钠电池电极材料最高的容量。然而，磷烯在充电/放电过程中体积膨胀过大，特别是作为钠电池电极材料时体积膨胀高达308％，会导致电池的可逆性差且存在非常严重的安全隐患。许多磷基化合物可提供良好的结构柔性来克服充放电过程中的体积膨胀的缺陷，从而确保电池的安全性能，但是它们在作为电极材料的其它性质上的表现平平。所以，仍需要探索新的材料，使之能更好的应用于离子电池中。2011年6月24日美国总统奥巴马提出了“材料基因组计划”，此计划在国际上引起了极大的反响。“材料基因组计划”是将实验技术、计算机技术和数据库相结合，目的是缩短新型材料的研发周期。此计划研究的重点是面向国家安全材料、清洁能源新材料和人类健康与福祉新材料等。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种用于锂电池的磷基正极材料及其应用。本专利技术的目的将通过以下技术方案得以实现：一种用于锂电池的磷基正极材料，所述磷基正极材料的化学式通过下式表示：BP2，其中，B为硼元素，P为磷元素。优选地，所述BP2为单层结构，包括三层石墨烯状结构，依次为第一层石墨烯状结构、第二层石墨烯状结构和第三层石墨烯状结构。优选地，所述第一层石墨烯和第二层石墨烯均由比例为1∶1的B和P原子组成，第三层石墨烯由P原子组成。优选地，所述BP2原胞晶格常数为优选地，所述BP2嵌锂浓度为0.5，1，1.5，2。本专利技术还揭示了一种用于锂电池的磷基正极材料的应用，应用于锂离子二次电池正极材料。本专利技术还揭示了一种用于锂电池的磷基正极材料的应用，应用于钠离子二次电池正极材料。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：该电池正极材料单层BP2，理论锂储量为737mAh/g，扩散势垒为0.22eV，嵌锂后的体积变化仅为7％。单层BP2在作为钠离子电池正极材料时，理论钠储量为368.5mAh/g，扩散势垒为0.03eV，嵌钠后的体积可忽略不计(0.5％)。这些说明此材料在循环过程中具有良好的结构稳定性可以保证电池的安全性能，快速的充放电性能和超高的存储容量。此外，该材料在充放电过程中也可以保持良好的电子导电性。鉴于此，本专利技术材料单层BP2可成为高比容量、低扩散势垒、良好结构稳定性的电极材料，使得锂/钠离子电池的发展更进一步，具有较好的商业应用前景。附图说明图1为本专利技术BP2的原子结构俯视图。图2为本专利技术BP2的原子结构侧视图。图3为本专利技术BP2嵌锂浓度为0.5，1，1.5，2时的原子结构示意图。图4为本专利技术的BP2嵌钠浓度为0.5，1时的原子结构示意图。图5为本专利技术BP2的能带图。图6为本专利技术BP2吸附锂的总态密度图。图7为本专利技术BP2吸附钠后的总态密度图。图8为本专利技术的Li/Na的迁移路径：path1和path2的结构示意图。图9为本专利技术Li的迁移路径：path1和path2对应的迁移势垒图。图10为本专利技术Na的迁移路径：path1和path2对应的迁移势垒图。具体实施方式本专利技术的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本专利技术技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本专利技术要求保护的范围之内。本专利技术揭示了一种用于锂电池的磷基正极材料及其应用，所述磷基正极材料的化学式通过下式表示：BP2，其中，B为硼元素，P为磷元素。所述BP2为单层结构，包括三层石墨烯状结构，依次为第一层石墨烯状结构、第二层石墨烯状结构和第三层石墨烯状结构。所述第一层石墨烯和第二层石墨烯均由比例为1∶1的B和P原子组成，第三层石墨烯由P原子组成。本技术方案在于解决磷烯由于嵌锂后结构不稳定而无法应用于锂离子电池中的问题，提出一种寻找磷基化合物作为电极材料的方法，通过尝试在不同的磷基化合物上脱嵌锂，从比容量、扩散速度、电压等多个角度上考虑，挑选出了合适的电极材料。BP2原胞晶格常数为单层BP2的结构是由三层石墨烯状结构组成，其俯视图和侧视图如附图1和附图2所示。第一和第二层均由比例为1∶1的B和P原子组成，第三层完全由P原子组成。BP2嵌锂浓度为0.5，1，1.5，2时的原子结构示意图如附图3所示。在满吸附锂情况下，晶格常数a降低约1.6％，晶格常数b降低约1.2％，此时，体系的体积变化仅为-7％，变化程度是能够被接受的。BP2嵌钠浓度为0.5，1时的原子结构示意图如附图4所示。在满吸附钠情况下，晶格常数a，b变化为0.1％，体系的体积变化仅为0.5％，变化程度可以忽略不计，这说明了在脱嵌锂/钠过程中，体系的结构框架保持的很好，基底具有很强的结构稳定性，这可以保证充放电过程中电池的安全性。除了结构稳定性，容量、电压等也是衡量电极材料好坏的重要标准。单层BP2储锂容量为737mAh/g，电位变化为2.49～3.62V，因而BP2材料作为锂离子电池正极材料所对应的能量密度为2129.93W·h/Kg，这超过现有的常见正极材料所对应的理论能量密度：LiCoO2(1070W·h/Kg)，LiFePO4(586W·h/Kg)，LiMn2O4(475W·h/Kg)。单层的Na储存容量为368.5mAh/g，高于其他一些磷基化合物材料，例如SnP3(253.3mAh/g)，BP(143mAh/g)，和Mo2P(240本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于锂电池的磷基正极材料，其特征在于：所述磷基正极材料的化学式通过下式表示：BP

【技术特征摘要】
1.一种用于锂电池的磷基正极材料，其特征在于：所述磷基正极材料的化学式通过下式表示：BP2，其中，B为硼元素，P为磷元素。


2.根据权利要求1所述的一种用于锂电池的磷基正极材料，其特征在于：所述BP2为单层结构，包括三层石墨烯状结构，依次为第一层石墨烯状结构、第二层石墨烯状结构和第三层石墨烯状结构。


3.根据权利要求2所述的一种用于锂电池的磷基正极材料，其特征在于：所述第一层石墨烯和第二层石墨烯均由比例为1∶1的B和P原子组成，第三...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春生，许洁，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32