[发明专利]钾离子电池正极材料铷掺杂磷酸钒钾/碳复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了高性能铷掺杂磷酸钒钾/碳复合材料的制备方法，通过反应原料与螯合剂形成均匀溶液，采用溶胶凝胶结合高温煅烧法制备高活性的铷掺杂的磷酸钒钾/碳复合材料。本发明中螯合剂在高温惰性气氛条件下原位生成高电子电导率的碳，碳既可在高温煅烧中作为还原剂，又可抑制产物颗粒的长大和团聚。钾位掺铷为钾离子的迁移提供更大的通道，同时碳包覆提高材料的电子电导率，使得铷掺杂的磷酸钒钾/碳复合材料具备优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，特别涉及一种高性能铷掺杂磷酸钒钾/碳复合材料的制备方法。

背景技术

发展能源节约技术和新能源发电技术(太阳能发电、风能发电、地热能发电和海洋能发电等)，已成为世界各国有效应对煤炭、石油等化石燃料大量消耗而带来的环境污染和能源危机的高效途径。但由于新能源发电技术存在间歇性、随机性及能量供应波动性较大的缺点，导致新能源发电技术的发展及高效利用受制于现有落后的储能技术，因此，先进储能技术的发展将会促进新能源发电技术的飞速发展，有利于社会的可持续发展。与物理储能技术相比，电化学储能技术具有价格低廉、转换效率高、不受场地制约等优点，成为先进储能技术的发展重点。在各种电化学储能技术中，锂离子电池因其具有较高的能量密度、较长的使用寿命、重量轻以及适应性强等优点，在电化学储能技术中占有较大的市场份额。然而，随着规模化储能及电动汽车的广泛应用，锂离子电池因其存在锂资源匮乏、价格昂贵、功率密度低等缺点，已难以满足大规模应用的需求，因此，发展新型的电化学储能技术已成为化学电源研究的重点。因钠、钾在地壳中的储量丰富(约为锂的1000多倍)、分布广泛且价格低廉，具有与锂离子电池相似反应机理的钠离子电池及钾离子电池，成为化学电源研究的新关注点。

与钠离子电池相比，钾离子电池具有一些钠离子电池无法比拟的优势。与Li⁺和Na⁺相比，由于K⁺路易斯酸度更弱，导致K⁺的溶剂化离子半径小于Li⁺和Na⁺的溶剂化离子半径，溶剂化K⁺的离子电导率和转移数高于Li⁺和Na⁺，而且溶剂化K⁺去溶剂化所需的能量更低，因而K⁺具有在电解质/电极界面之间快速扩散的动力学性能，这些优点使得钾离子电池的倍率性能在理论上优于钠离子电池和锂离子电池。然而，与技术相对成熟的锂离子电池以及目前研究得比较多的钠离子电池相比，目前钾离子电池技术非常落后，对钾离子电池的研究极少，钾离子电池的研究仍处于起步阶段。寻找适合大半径K⁺嵌入/脱嵌的电极材料成为目前钾离子电池发发展的关键，发展钾离子电池正极材料和负极材料成为目前钾离子电池的研究重点。

钾快离子导体磷酸钒钾(K₃V₂(PO₄)₃)，具有结构稳定、工作电压高、扩散通道大以及安全性能好等优点，是一种极具有应用前景的钾离子电池正极材料。但由于其电子电导率比较低以及由此引起电化学极化比较大、循环性能较差以及实际容量偏低等缺点，导致其实际的电化学性能较差，难以实际应用。

本发明针对磷酸钒钾的缺点及目前研究现状，采用碳包覆提高电子电导率以及钾位掺杂大半径离子提高离子扩散速率相结合的策略，通过能耗低且易操作的溶胶-凝胶法制备钾位铷掺杂磷酸钒钾/碳复合材料(K_3-xRb_xV₂(PO₄)₃/C)，显著提高磷酸钒钾的电化学性能，对磷酸钒钾的科学研究及其工业化均具有较重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能铷掺杂磷酸钒钾/碳复合材料的制备方法，该方法工艺简单、能耗低，制备的钾离子电池正极材料具有容量高、循环寿命长、大电流性能优异和能量密度高的优点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：