一种间隙位掺杂的高性能钾离子电池正极材料及其制备方法技术

技术编号：40057809 阅读：8 留言：0更新日期：2024-01-16 22:13

本发明专利技术属于钾离子电池技术领域，具体为一种间隙位点掺杂的高性能锰基层状钾离子电池正极材料及其制备方法。本发明专利技术的钾离子电池正极材料化学式为K<subgt;0.5</subgt;Mn<subgt;0.8</subgt;Co<subgt;0.2</subgt;B<subgt;x</subgt;O<subgt;2</subgt;,其中0.02≤x≤0.1。该正极材料采用固相合成法制备，本发明专利技术的正极材料在1.4‑4.0 V电位窗口的可逆质量比容量约为115‑130 mAh g<supgt;‑1</supgt;，且在恒电流充放电过程中表现出优异的循环稳定性和倍率性能。该层状正极材料比能量高，循环和倍率性能好，制备方法简单，是一种优良的钾离子电池正极材料。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于钾离子电池，具体涉及一种钾离子电池正极材料及其制备方法。

技术介绍

1、锂离子电池凭借其高能量密度和长循环寿命已广泛应用于先进的储能系统，但由于锂资源短缺与分布不均的问题，开发新型可持续发展的替代技术至关重要。其中钾离子电池和钠离子电池凭借其价格优势和与锂电相似的工作原理吸引了广泛的研究兴趣。钾盐与钠盐成本接近，但钾离子具有更低的标准电位，能提供更高的能量密度，并且在电解质中有更高的离子导电率，能大大减小电解液中溶质的用量。因此，钾离子电池在未来大规模储能领域中有巨大的应用潜力。开发高性能的正极材料是钾离子电池发展和应用的关键。由于二维扩散途径能够为大半径的钾离子存储提供活性位点的同时有助于离子的迁移，层状正极材料在实现高效的钾存储方面有着独特的优势。但由于钾离子体积较大，在充放电过程中扩散动力学性能不佳并且钾离子的嵌入与脱嵌会对层状结构造成较大冲击。尤其是对于成本较低、理论容量较高的锰基层状正极材料来说，还会受到mn3+的jahn-teller效应带来的结构畸变的影响。充放电过程中该效应产生的强应力对晶体结构的不断冲击会造成不可逆的多相转变，影响其循环与倍率性能。因此，设计合理的材料组分和结构对提高锰基层状正极材料的循环稳定性具有重要意义。

2、本专利技术利用固相反应法制备了间隙位点掺杂的高性能钾离子电池正极材料k0.5mn0.8co0.2bxo2，其中0 ≤ x ≤ 0.1，是一种新型层状正极材料，是一种具有较高充放电容量、良好循环稳定性和优越倍率性能的钾离子电池正极材料。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于提出了一种充放电容量大、循环稳定性好的间隙位点掺杂的高性能钾离子电池层状正极材料及其制备方法。

2、本专利技术提供的高性能钾离子电池正极材料，是锰基金属氧化物，其化学式为：

3、k0.5mn0.8co0.2b xo2，0 ≤ x ≤ 0.1。

4、本专利技术提供的高性能钾离子电池层状正极材料k0.5mn0.8co0.2b xo2，mn、co位于过渡金属层中八面体位点，b位于过渡金属层中四面体间隙位点。

5、本专利技术提供的高性能钾离子电池层状正极材料k0.5mn0.8co0.2b xo2，为固体粉末，其颗粒尺寸为1-2 μm。

6、本专利技术提供的高性能钾离子电池层状正极材料k0.5mn0.8co0.2b xo2的制备方法，采用固相反应法，具体步骤如下：

7、将k2co3、mn2o3、coo、b2o3按照k0.5mn0.8co0.2b xo2，0 ≤ x ≤ 0.1的化学计量比混合，在无水乙醇中用球磨机球磨1-5 h，将球磨后的混合物烘干并置于管式炉中，在600-900 ℃下加热2-10 h，冷却至室温，即获得k0.5mn0.8co0.2b xo2产品。

8、本专利技术中，k0.5mn0.8co0.2b xo2的晶体结构由x射线衍射（xrd）确定。衍射结果表明该方法制备的k0.5mn0.8co0.2b xo2产品为单相，属于p3型结构层状材料。

9、本专利技术中，k0.5mn0.8co0.2b xo2材料、super p和pvdf以7: 2: 1的比例混合均匀，加入适量nmp溶液，均匀涂覆于铝箔上，经过干燥后，冲裁成直径为14 mm的圆形电极片，作为钾离子电池的正极。

10、本专利技术中，k0.5mn0.8co0.2bxo2电化学性能测试采用三电极体系。以k0.5mn0.8co0.2bxo2极片作为工作电极，金属钾箔作为对电极和参比电极。电解液为0.8m kpf6+ec+dec (vec:vdec=1:1)，电池在氩气氛围的手套箱内进行组装。该钾离子电池的电化学性能在land电池测试系统上进行。

11、本专利技术中，k0.5mn0.8co0.2bxo2具有优秀的电化学性能，在1.4-4.0 v电压范围（ vs. k+/k），具有较高的比容量和良好的倍率性能。可逆容量约为115-130 mah g-1，在200 ma g-1电流密度下有超过80 mah g-1的可逆比容量且循环100圈后有60%-90%的容量保持率，可逆比容量较同类钾离子电池正极材料提升约20%，在钾离子层状正极材料中性能突出。该层状正极材料比能量高，循环和倍率性能好，制备方法简单，是一种优良的钾离子电池正极材料。

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【技术保护点】

1.一种间隙位点掺杂的高性能钾离子电池正极材料，其特征在于，是锰基层状金属氧化物，其化学式为K0.5Mn0.8Co0.2BxO2, 其中0 ≤ x ≤ 0.1；其中：

2.根据权利要求1所述的间隙位点掺杂的高性能钾离子电池正极材料，其特征在于，形态为固体粉末，其颗粒尺寸为1~5 μm。

3.如权利要求1所述的间隙位点掺杂的高性能钾离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，采用固相反应法，具体步骤如下：

【技术特征摘要】

1.一种间隙位点掺杂的高性能钾离子电池正极材料，其特征在于，是锰基层状金属氧化物，其化学式为k0.5mn0.8co0.2bxo2, 其中0 ≤ x ≤ 0.1；其中：

2.根据权利要求1所述的间隙位点掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：周永宁，许煊，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：

全部详细技术资料下载我是这个专利的主人