[发明专利]一种层状聚阴离子正极材料、制备方法、钾离子电池正极、钾离子电池及应用

说明书

本发明提供的层状聚阴离子正极材料的化学式为K₄M₃(SO₄)₂(C₂O₄)₃，其中，M为变价的金属元素，本发明提供的层状聚阴离子正极材料纯度高且在钾离子嵌入/脱嵌的过程中保持结构稳定，制备的钾离子电池容量高，循环稳定性好，充放电电压平台高，能量密度较高。此外，本发明还提供了层状聚阴离子正极材料的制备方法、钾离子电池正极、钾离子电池及应用。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种层状聚阴离子正极材料、制备方法、钾离子正极及钾离子电池。

背景技术

自蒸汽机之始，我们社会依托于化石能源，开启了技术大爆炸时代。但是化石能源因不可再生而日益枯竭，社会需求仍在不断增加，能源问题已经成为当今整个国际社会的急症。为此，我们不断发展诸如太阳能、潮汐能、风能等可再生能源。然而如何实现能源的转化和储存，便成为关键所在。二次电池因其效率高、成本低、可重复使用等优点，成为最重要的能源转化与储存技术手段。现在主要的二次电池技术有铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池、锂离子电池。其中，锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、循环寿命长、自放电率低等优点，已被广泛应用于各种便携式电子产品、纯电动车和混合动力汽车中。

目前，限制锂离子电池技术持续发展的主要因素是锂资源在地壳中的储量较少且分布不均，随着锂离子电池用量不断增加，锂资源的价格也节节攀升，这限制了在大型电能储存系统中的应用。因此，相对廉价的钠离子电池和钾离子电池引起了研究人员极大关注。相比于钠离子电池，钾离子电池具有如下特点：①K⁺的标准电极电势比Na⁺低；②K⁺的路易斯酸性较弱，能够形成更小的溶剂化离子，离子电导率和溶剂化离子传输数量均优于Li⁺和Na⁺，使K⁺在电极/电解液界面的扩散更快；③钾离子电池可以使用石墨这种相对成熟的负极材料。另一方面，K⁺半径较大有迟滞的动力学过程，在嵌入和嵌出的过程中对正极材料有严格的要求，因此开发一种能够满足K⁺稳定脱嵌的的正极材料对于钾离子电池的应用至关重要。

虽然现在正极材料的种类有很多，但是存在各种各样的问题。例如：中国发明专利申请号CN201710429318.5提出普鲁士蓝类似物的钾离子电池正极材料因含有不稳定的结晶水导致结构不稳定；中国发明专利申请号CN201811228311.8提出基于普鲁士蓝化合物的形貌改性因其合成方法复杂可重复低导致大规模生产制造困难；中国发明专利申请号CN105826521 A提出聚阴离子化合物的钾离子电池正极材料能量密度较低不适于工业应用；中国发明专利申请号CN201611217148.6提出金属氧化物的钾离子电池正极材料因其实际密度低而不利于工业生产。

目前，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。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种电池容量高，循环稳定性好，充放电电压平台高，能量密度较高的钾离子电池正极材料。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一方面本发明提供了一种层状聚阴离子正极材料，所述层状聚阴离子正极材料的化学式为K₄M₃(SO₄)₂(C₂O₄)₃，其中，M为+2价且可变价的金属元素。

在一些较佳的实施例中，所述变价的金属元素M为Fe、Ti、V、Mn、Co、Ni、Cu和Sn中的至少一种。