[发明专利]一种钠离子电池电极材料KTiOPO4

说明书

一种钠离子电池负极材料KTiOPO₄的合成及应用，属于新型化学电源领域。合成方法是将磷酸盐、钛氧化物预混均匀，在球磨罐中用乙醇浸润，然后将此混合物球磨并干燥，得到前驱体；再将前驱体进行烧结，得到KTiOPO₄。该方法具有成本低廉，合成方法简单、易于实施的特点，将其用于钠离子电池负极材料，电池安全性能高、倍率性能好、循环性能稳定，在较高倍率(200mA g^‑1)下可逆容量为89mAh g^‑1，循环1000次，比容量几乎没有衰减，在充放电过程中可以避免钠枝晶的形成，解决了现有钠离子电池负极材料低电位下容易产生枝晶的问题。该电极材料可以与高电压正极材料匹配，提升钠离子电池性能。

本发明涉及一种钠离子电池电极材料，特别是KTiOPO₄的合成及应用，属于新型化学电源领域。

背景技术

由于钠资源丰富，价格低廉的优势，且与锂离子具有相似的物理化学性质，钠离子电池被认为是下一代大规模储能技术的理想选择之一。然而，由于钠离子电池的半径比锂离子大，在固态中的扩散速率较慢，使得在锂离子电池中性能优异的电极材料在钠离子电池中并不能表现出较好的电化学性能。因此，寻求新型电极材料成为钠离子电池实用化的一大突破。在可充钠离子电池负极材料中，硬碳以及锡基、锑基材料都表现出较好的储钠性能，然而，碳基材料在较低的工作电压(＜0.1V)下容易产生钠枝晶，极易造成电池内部短路，有非常大的安全隐患；而锡基、锑基材料在与钠形成合金的过程中，会有非常大的体积膨胀，导致较低的库仑效率以及快速的容量衰减。因此，与正极材料的大量发展相比，寻找合适的负极材料更为紧迫。

钛基材料由于嵌入/脱出的机理受到了广泛研究，如Na₂Ti₃O₇，TiO₂，Na₂Ti₆O₁₃，NaTi₂(PO₄)₃， Li₄Ti₅O₁₂，Na_0.66[Li_0.22Ti_0.78]O₂等，但是大多数材料也由于库仑效率低、工作电压低等问题而限制了其使用。其中NaTi₂(PO₄)₃具有较高的工作电压(2.1V vs.Na⁺/Na)，而过高的工作电压也是实用化的问题所在。因此，工作电压位于0.5V以上，1.4V(vs.Na⁺/Na)以下的KTiOPO₄成为钠离子电池负极材料一个很好的选择。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题，提供一种钠离子电池负极材料KTiOPO₄的合成及应用，使其在充放电过程中避免钠枝晶的形成。该材料成本低廉，合成方法简单、环保，用该材料作负极的电池具有安全性能高、倍率性能好、循环性能稳定的优点。

本发明的技术方案：

一种钠离子电池电极材料KTiOPO₄的合成，将磷酸盐、钛氧化物预混均匀，在球磨罐中用乙醇浸润，然后将此混合物球磨并干燥，得到前驱体；再将前驱体进行烧结，得到钠离子电池负极材料KTiOPO₄。合成的KTiOPO₄为Pna2₁空间群，晶胞参数具有由顶点共享的TiO₆六面体和PO₄四面体交错连接形成三维骨架隧道结构，钾离子分别位于隧道中心以及接近TiO₆和PO₄交点的位置。将制备得到的KTiOPO₄、导电剂和粘结剂按照一定的质量比混合成浆料，将浆料均匀涂布在集流体上制成电极片应用于钠离子电池。

一种所述钠离子电池电极材料KTiOPO₄的合成，包括以下步骤：