[发明专利]钾离子电池及其制造方法和应用

说明书

本发明公开一种钾离子电池及其制造方法和应用，该电池以碳包覆的NaTi₂(PO₄)₃材料作为正极活性物质，金属钾片材料作为负极活性物质，钾离子溶液作为电解液；具体的制备过程为：a）将金属钾辊压成金属片作为负极活性物质；b）以碳酸钠或柠檬酸三钠、磷酸二氢铵或磷酸、二氧化钛或钛酸四乙酯、水和乙醇为原料，通过球磨‑喷雾干燥法得到前驱物，真空高温退火，制备正极活性物质；c）使用a中制得的负极活性物质和b中制得的正极活性物质，加入钾离子溶液作为电解液，制造钾离子电池。该全电池能量密度较高，循环稳定性较高、倍率性能更为优秀，有效的解决了钾离子电池作为电网储能面临的循环寿命短的问题。

技术领域

本发明涉及电池制备技术领域，特别涉及一种钾离子电池及其制造方法和其在电化学储能方面的应用。

背景技术

由于电网对储能技术的要求不断提高，不同的储能体系被用来作为储能设备进行研究。钾离子电池因具有原料来源丰富、环境友好、能量密度高与价格便宜等优势，在储能领域具有非常好的应用前景，进而受到各界青睐。

传统的钾离子电池为有机电解液体系，正极一般采用K_0.3MnO₂、KFeSO₄F、有机蒽醌类等材料。Komaba等人曾报道，孔道结构的普鲁士蓝材料能够在0.5V的电压宽度范围内可逆的脱嵌钠离子，并提供145 mAh/g的容量。该材料具有优异的循环稳定性能，是作为钾离子电池正极材料的非常优秀的选择。但是，该类材料的热稳定性差，电子电导率低，将严重影响电池安全和使用寿命。

钠快离子导体结构的NaTi₂(PO₄)₃具有三维孔道结构，能够可逆的脱嵌两个钾离子并表现出133 mAh/g的较高容量。并且该材料的热稳定性优异，价格低廉，是钾离子电池理想的正极材料。但是，由于NaTi₂(PO₄)₃的导电性低，其倍率性能很差，循环稳定性也受到影响。

近年来的相关报道显示，在包覆了高导电率的石墨烯类材料之后，NaTi₂(PO₄)₃的倍率性能与循环稳定性均能得到很大提高。基于此有望制备一种高性能的钾离子电池来解决现有的钾离子电池在性能方面的各种不足。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种钾离子电池及其制造方法和其在电化学储能方面的应用。

本发明的技术方案为：一种钾离子电池，以碳包覆的NaTi₂(PO₄)₃ 球形颗粒材料作为正极活性物质，金属钾片材料作为负极活性物质，钾离子溶液作为电解液；

其中，正极材料碳含量在1%-10%之间，二次颗粒尺寸在500 nm-10 μm之间。

一种钾离子电池的制造方法，具体包括如下步骤：

a) 以碳酸钠或柠檬酸三钠、磷酸二氢铵或磷酸、二氧化钛或钛酸四乙酯、水和乙醇为原料，通过球磨-喷雾干燥法得到球形颗粒前驱物，之后真空高温退火，制备正极活性物质；

b) 将金属钾块辊压成厚度低于0.2 mm的金属片作为负极活性物质；

c) 使用a中制得的正极活性物质和b中制得的负极活性物质，加入1M钾离子溶液作为电解液，制造有机钾离子电池。

步骤a中，碳酸钠或柠檬酸三钠、二氧化钛或钛酸四乙酯与磷酸二氢铵或磷酸的摩尔比为0.5-2: 3.5 - 5 : 5 - 8。

作为优选，碳酸钠或柠檬酸三钠、二氧化钛或钛酸四乙酯与磷酸二氢铵或磷酸的摩尔比为0.5-1:4-5:5-7，更优选为1:4-4.5:5-6。