一种钾快离子导体材料及其制备方法技术

本申请提供一种钾快离子导体材料及其制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种钾快离子导体材料及其制备方法、正极片及电池


[0001]本申请涉及新能源
，尤其涉及一种钾快离子导体材料及其制备方法
、
正极片及电池
。

技术介绍

[0002]电化学储能相较传统的储能方式
(
诸如电磁储能
、
物理储能
)
更高效
、
安全，尤其二次电池作为一种便携式电化学电源，已被广泛运用于人们生产生活中
。
其中锂离子电池因具备高的能量密度和工作电压
、
循环寿命较长
、
安全又环保，成为现代生产生活中最为主流的电池之一
。
然而锂资源的分布不均与储量较小导致其价格不断攀升，尤其影响了正极材料的生产
。
钾离子电池作为一种工作原理与锂电相同的电池，凭借其较低的成本，较高的溶液内离子传导速率，成为了锂离子电池的可选替代品之一
。
[0003]目前已有应用于钾离子电池正极材料的磷酸盐材料
KFePO4，磷铁锂矿相
KFePO4热力学不稳定，难以合成，而能稳定合成的单斜相的
KFePO4却不具有可供
K
离子脱嵌的通道，因此没有电化学活性
。
目前往往通过电化学方法，在磷铁锰矿相的
FePO4中嵌入
K
离子而得到有电化学活性的
KFePO4，难以工业化生产
。
在电化学性能上，该材料工作电压平台较低，仅为
2.3V
左右，且其本征导电性较差，可供
K
离子脱嵌的通道不够宽阔与稳定，导致其倍率与循环性能均不理想
。
[0004]钾快离子导体材料是一类具有宽阔钾离子扩散通道的材料，其结构特征是过渡金属与氧组成的八面体，与阴离子根四面体通过共定点或共边的形式连接而成
。
其聚阴离子基团通过
M
‑
O
‑
X
键更加稳定了材料的三维框架结构，为钾离子的脱嵌提供稳定的通道
。
正因为其结构决定了较高的离子传导率，该类型材料成为了钾离子电池正极材料的有力竞争者之一
。
[0005]然而钾快离子导体材料的报导较少，难以实现大规模的工艺尝试
。
因此制备并研究新的具有该结构的正极材料，有助于完善对钾快离子导体结构材料的理解与认知，促进钾离子电池的发展
。

技术实现思路

[0006]本申请的目的在于提供一种钾快离子导体材料及其制备方法
、
正极片及电池，以解决上述问题
。
[0007]为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：
[0008]本申请首先提供一种钾快离子导体材料，其化学式为
K
1+x
Fe2(MoO4)2‑
x
(PO4)
1+x
，其中，
0≤x≤1。
[0009]该材料拥有两类聚阴离子基团：钼酸根与磷酸根，通过预先在溶液中混合含两种基团的盐类可以实现这两类阴离子的充分均匀混合，使最后固相法烧结成的材料中两种阴离子基团可在一定比例
(33.3
％～
66.7
％
)
互溶，从而按需设计不同阴离子比例的钾快离子导体材料
K
1+x
Fe2(MoO4)2‑
x
(PO4)
1+x
，如需要更大的离子扩散通道与更高的电子导电性，可以
增大钼酸根的比例；如需要保证更高的克容量，可以增大磷酸根的比例
。
[0010]钼酸根相对于常见的非金属阴离子根，显著特点是其包含过渡金属元素，可以参与材料晶格中电子的传输，提高整体的电子导电性；另外钼酸根体积较大，进入到结构中会撑大材料的三维框架结构，形成更大的钾离子扩散通道
。
相较于其他过渡金属阴离子根，钼酸根的活化能更低，因此可以更容易进入到材料体相，合成出所设计的材料
。
[0011]优选地，所述钾快离子导体材料具有三维框架结构和存在于所述三维框架结构内的宽钾离子扩散通道；
[0012]所述三维框架结构由
Fe
离子与氧离子组成的八面体和阴离子四面体以共角形式连接并依此排列形成
。
[0013]优选地，所述钾快离子导体材料为立方晶系，空间群为
P213
，单胞参数为：
[0014]和
/
或，所述钾快离子导体材料为粉末状，粒径为
400
～
800nm
，例如可以为
400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm
或
800nm
，或
400
～
800nm
之间的任一值，或上述任意两个值之间的范围
。
这个粒径范围下的材料颗粒可兼具较好的循环性能与倍率性能
。
[0015]本申请还提供一种如上述的钾快离子导体材料的制备方法，包括：
[0016]将含钾化合物
、
含铁化合物
、
含钼化合物和含磷化合物按照元素摩尔比混合溶解，得到混合液；
[0017]将所述混合液烘干，得到干凝胶；
[0018]将所述干凝胶在
200
～
400℃
预烧结1～
5h
，烧结物冷却
、
研磨后得到预产物；
[0019]将所述预产物在
500
～
700℃
烧结
12
～
48h
，得到所述钾快离子导体材料
。
[0020]其中，预烧结温度例如可以为
200℃、250℃、300℃、350℃
或
400℃
，或
200
～
400℃
之间的任一值，或上述任意两个值之间的范围
。
预烧结温度过低会导致原料中引入杂质，如铵根，不会充分排除，温度过高导致原料未经研磨过早反应，导致相不纯
。
[0021]其中，烧结温度例如可以为
500℃、550℃、600℃、650℃
或
700℃
，或
500
～
700℃
之间的任一值，或上述任意两个值之间的范围；烧结时间例如可以为
12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h、20h、22h、25h、27h、29h、30h、32h、33h、35h、37h、39h、40h、42h、45h、46h、47h
或
48h
，或
12
～
48h
之间的任一值，或上述任意两个值之间的范本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种钾快离子导体材料，其特征在于，其化学式为
K
1+x
Fe2(MoO4)2‑
x
(PO4)
1+x
，其中，
0≤x≤1。2.
根据权利要求1所述的钾快离子导体材料，其特征在于，所述钾快离子导体材料具有三维框架结构和存在于所述三维框架结构内的宽钾离子扩散通道；所述三维框架结构由
Fe
离子与氧离子组成的八面体和阴离子四面体以共角形式连接并依此排列形成
。3.
根据权利要求1所述的钾快离子导体材料，其特征在于，所述钾快离子导体材料为立方晶系，空间群为
P213
，单胞参数为：和
/
或，所述钾快离子导体材料为粉末状，粒径为
400
～
800nm。4.
一种如权利要求1至3任一项所述的钾快离子导体材料的制备方法，其特征在于，包括：将含钾化合物
、
含铁化合物
、
含钼化合物和含磷化合物按照元素摩尔比混合溶解，得到混合液；将所述混合液烘干，得到干凝胶；将所述干凝胶在
200
～
400℃
预烧结1～
5h
，烧结物冷却
、
研磨后得到预产物；将所述预产物在
500
～
700℃
烧结
12
～
48h
，得到所述钾快离子导体材料
。5.
根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述含钾化合物为硝酸钾
、
碳酸钾
、
氢氧化钾
、
碳酸氢钾
、
乙酸钾
、
磷酸二氢钾
、
柠檬酸钾
、
草酸钾中的一种或多种；所述含铁化合物为
Fe(NO3)3·
9H2O、
醋酸铁
、Fe2(SO4)3、
草酸亚铁中的一种或多种；所述含磷化合物为
NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、
磷酸铵
、
五氧化二磷
、<...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴耘，骆亦琦，陈龙，李子坤，吴小珍，黄友元，
申请(专利权)人：贝特瑞江苏新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：