[发明专利]一种碳负载钒酸钾的制备方法及其在钾离子电池中的应用

说明书

本发明一种碳负载钒酸钾的制备方法及其在钾离子电池中的应用，所述碳负载钒酸钾的化学式组成为KVOx@C，KVOx@C是首先通过溶胶凝胶法得到V₂O₃@C前驱体后，再经过高温烧结和室温搅拌得到终产物，合成方法简便，耗能低。本发明方法由于前驱体呈碳包覆纳米颗粒结构，获得的终产物呈均匀分布的纳米颗粒。电池在充放电过程中，反应活性位点更多，材料有效容量可得到最大幅度提高；此外，纳米颗粒形貌使得钾离子在固相中的传递路径缩短，有利于钾离子的快速脱嵌；同时，表面碳层结构有利于提升电子传导。从离子扩散和电子传递两方面提高了反应动力学，由其组装的电池具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及钾离子电池正极材料领域，特别涉及一种碳负载钒酸钾的制备方法及其在钾离子电池中的应用。

背景技术

能源的存储和利用在社会的发展中占据重要的地位，化石能源长期占据着能源结构中的主要位置，但同时化石能源也面临着资源短缺和环境污染的问题。寻找清洁的可再生能源是解决化石能源短缺和污染问题的有效手段，可再生能源的开发和利用也开始备受关注，但可再生能源在其开发利用过程中遇到了不连续、不稳定，并网难的问题。储能技术是解决其不连续、不稳定的问题的关键技术，也使得储能技术的发展成为可再生能源实用性的关键。在诸多的储能技术中，锂离子电池是目前发展较为成熟和完善的储能技术，因其具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、自放电作用小等优点，被广泛地应用于各种便携式电子设备等动力电池中，但锂离子电池也面临着锂资源储量有限、价格昂贵以及资源分布不均匀等问题,这些因素很大程度上限制了锂离子电池的规模化发展。

钠与锂具有相似的化学、物理性质，且Na的储量丰富，分布广泛，成本较低，钠离子电池的研究也开始受到人们的关注，而钠离子电池面临的主要问题是钠的电极电势较正导致的电压平台的降低进而使得钠离子电池能量密度降低，另一方面难以找到钠离子电池负极材料实现钠离子快速稳定的脱嵌。相比之下，钾同样具有较大的储量和低廉的价格，而研究发现，目前商用于锂离子电池负极材料的石墨，能够实现钾离子的可逆稳定的脱嵌；此外，钾离子电池中电解液和集流体的成本也具有一定的优势，且由于钾的标准电极电势与锂相当，使得钾离子电池的工作电压可以与锂离子电池相当。这些因素使钾离子电池成为很有应用潜力的储能技术。而开发高性能钾离子电池的正极材料成为了钾离子电池实用性突破的关键，从目前的报道来看，钾离子电池正极材料的研究主要集中在层状氧化物，金属有机框架化合物和聚阴离子型化合物，其中钒氧酸盐因其良好的钾脱嵌能力和较高的理论比容量，也成为研究较多的一类材料。其形貌以纳米带/线为主，其他形貌鲜见；限制该类材料实际应用的瓶颈主要在于：由于该类材料在高温下容易发生结构转变，合成方法难以实现这类材料的有效碳负载，导致该材料的倍率性能不好。

发明内容

基于以上的背景技术，本发明提供了一种碳负载钒酸钾正极材料及其制备方法，实现了该种材料的有效碳负载，使得电极材料的导电性得到显著的提高，钾离子的脱嵌过程中材料稳定性较好；此外，小粒径的材料能够有效提升材料和电解液的浸润性，也在一定程度上提高了材料的倍率性能。所制备的钒氧酸盐在电化学性能测试中表现出较高放电比容量和优异的倍率性能，在储能和动力电池上都有很好的应用前景。

本发明涉及一种低温制备碳负载钒酸钾的方法及其在钾离子电池中的应用。具体采取如下技术方案：

本发明一方面提供一种钒酸钾复合材料，所述复合材料为纳米球状结构的KVO_x@C，所述纳米球的粒径为100-300nm；所述KVO_x@C为负载型，其中C负载于KVO_x上；所述C的负载量为3％-10％；所述X的取值范围为1.5-2.5。

本发明还提供一种上述钒酸钾复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将钒源、碳源、还原剂加入溶剂中，形成混合溶液，其中固含量/溶剂的质量浓度为15-35mg/ml；所述钒源、碳源、还原剂的摩尔比为1:(0.9～1.1):(0.9～1.1)；