[发明专利]氟化草酸盐材料的应用以及包含氟化草酸盐材料的产品、制备方法及其用途

说明书

本发明属于二次电池技术领域，涉及氟化草酸盐材料的应用以及包含氟化草酸盐材料的产品、制备方法及其用途。本发明提供了氟化草酸盐材料用作正极活性材料在钾离子电池中的应用；该氟化草酸盐材料的化学式为K_xM[C₂O₄]_yF_z，其中，M为至少一种可变价的过渡金属，0＜x≤1，0＜y≤1，0＜z≤1。氟化草酸盐材料具有开放的三维网络框架结构，具有大的间隙位置可供钾离子穿梭并存储，且在充放电循环过程中保持优异的结构稳定性，因此使得由该氟化草酸盐材料作为正极材料组装成的钾离子电池具有高的放电容量、长久的循环寿命、高的能量密度与功率密度，且成本低，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，具体而言，涉及一种氟化草酸盐材料的应用以及包含氟化草酸盐材料的产品、制备方法及其用途。

背景技术

随着社会文明的不断发展，人类对能源的需求与日俱增。但传统的化石能源存在着资源枯竭、环境污染等突出的问题，严重制约了社会经济的发展。为了解决上述问题，发展诸如太阳能、潮汐能、风能等清洁能源是必然选择。在此过程中，能源转化与储存是必须要面对的问题。二次电池因其效率高、成本低等优点，成为最重要的能源转化与储存技术。目前主要的二次电池有铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池、锂离子电池等。其中锂离子电池因能量密度大、工作电压高、循环寿命长、自放电率低等优点已被广泛应用于便携式电子产品、纯电动车和混合动力汽车中。但随着锂离子电池应用领域的拓展以及需求量逐年快速增加，导致全球储量十分有限且分布不均的锂的价格不断上扬，致使锂离子电池价格不断攀升，严重制约低成本、高性能储能器件领域的快速发展。因此有必要大力发展可替代锂离子电池技术的下一代综合效能优异的二次电池新体系。

钠、钾、铝、镁等元素由于与锂元素具有相似的化学性质和优异的脱嵌特性使得它们对应的电池技术成为非常有潜力的锂离子电池替代技术。其中钾离子有最接近锂离子的标准电极电势，同时钾离子在电解液中具有较大的离子迁移速率；此外，钾资源具有分布广泛(在地壳中的丰度为2.09％，约为锂元素的1200倍)、价格相对低廉的天然优势，使得钾离子电池更具发展前景。尽管如此，由于钾离子的半径(r＝0.138nm)大于锂离子的半径(0.068nm)，导致K⁺在锂离子电池常用电极材料中的扩散动力学性能远低于Li⁺，因此合适的钾离子电池电极材料必须具有可允许K⁺快速通过的大通道，且在K⁺嵌入和脱嵌的过程仍保持稳定的结构。目前来说应用于钾离子电池负极材料的主要有碳材料系列，如石墨、炭黑、硬碳、软碳、石墨烯等。然而，在钾离子正极材料上的研究还较少，目前已报道的主要为有机化合物如普鲁士蓝及其类似物、磷酸铁、氟硫酸铁等，但这一系列材料或多或少的存在着循环稳定性差、结构不稳定、充放电平台低容量低、材料制备成本高等问题。公开号为CN108615874A的专利公开了基于镍锰二元氧化物的钾离子电池正极材料，虽然其容量可达93.38mAh/g，但其库伦效率较低，循环稳定性差；公开号为CN107093739A的专利公开了基于钾锰氧化物的钾离子电池正极材料，其容量可达83.9mAh/g，但是这种材料存在循环性能差、放电平台不明显；公开号为CN 105826521A的专利公开了基于聚阴离子化合物的钾离子电池正极材料，但其放电平台较低(1.6V)，导致其能量密度较低；公开号为CN 107226475A的专利公开了基于普鲁士蓝的钾离子电池正极材料，虽然其容量可达90.7mAh/g，循环稳定性好(循环400次，容量保持率在90.37％)，但该材料存在操作可控性差、难以大规模生产的问题。因此，钾离子电池正极材料的研究尚处于起步阶段，亟待开发新型高性能的钾离子电池正极材料。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容