[发明专利]具有框架结构的钙基铌酸盐化合物钾离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明属于可充电电池材料领域，具体涉及一种用于钾离子电池的负极材料，所述负极材料的活性物质为钙基铌酸盐化合物,具有独特的框架结构，合成方法简单，易于实现规模化生产。可将此Ca₂Nb₂O₇负极材料直接作为钾离子电池负极。克服目前钾离子电池面临的循环效率低、充放电平台不稳定、电压滞后以及一定程度的安全隐患等问题。用本发明提供的钾离子电池具有循环效率高、充放电电压平台稳定、倍率性能优异以及安全性高等优越的电化学性能。

技术领域

本发明属于可充电电池材料领域，具体涉及一种具有框架结构的钙基铌酸盐化合物钾离子电池负极材料及其制备方法和用途。

背景技术

能源是现代社会发展的核心，近些年以来，钾离子电池作为一种新能源得到了广泛关注。在负极材料中，钾金属作为负极材料，对水分和电解质成分的高化学反应活性使得钾离子电池的循环效率较低，同时存在一定的安全隐患，而且钾离子的离子半径较大，使得钾离子电池在工作过程中容易产生体积膨胀现象，从而导致电池容量快速衰减，因而研发出一种电极材料易制备、价廉易得、环境友好，并且电化学性能优越的钾离子电池体系至关重要。

近些年以来，过渡金属化合物作为钾离子电池负极材料已经取得了较好的发展。其中，具有较大空隙的框架型过渡金属化合物表现尤为突出，其对于离子尺寸较大的钾离子来说，为钾离子的快速脱嵌提供了足够的容纳空间，并且在循环过程中促进了离子的传输。如KTiOPO₄，这是一类无机框架型过渡金属化合物负极材料。具有较大空隙的KTiOPO₄在首次充电过后可逆的嵌入了0.75 K⁺，获得的可逆储钾比容量达102 mAh/g。其平均放电/充电电位为0.82/0.90 V（相对于K/K⁺），电压相对稳定，电位滞后为0.08 V。此外，金属有机框架（MOFs）也是一类框架型有机材料，其作为锂离子电池与钠离子电池负极材料已经得到了研究证实。近些年以来，研究学者将其作为钾离子电池负极材料也进行了相关的电化学性能探究，如有研究人员将钛金属有机框架作为钾离子电池负极材料进行了电化学性能测试，获得较高的比容量。

目前，无机框架型过渡金属化合物Ca₂Nb₂O₇作为碱离子电池负极材料还没有相关的报道，但Ca₂Nb₂O₇材料在光催化、光电、电催化、烃类氧化反应等多方面领域已经得到了广泛的研究。因此，本发明以纳米级Ca₂Nb₂O₇作为钾离子电池负极材料，显示出良好的循环稳定性、稳定的电压平台和优越的倍率性能。

发明内容

本发明的目的在于解决现有钾离子电池负极材料存在的缺陷，克服目前钾离子电池面临的循环效率低、充放电平台不稳定、电压滞后以及一定程度的安全隐患等问题。因此，本发明以一种水热法合成的纳米级Ca₂Nb₂O₇作为钾离子电池负极材料，其具有循环效率高、充放电电压平台稳定、倍率性能优异以及安全性高等优势。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有框架结构的钙基铌酸盐钾离子电池负极材料，活性物质为Ca₂Nb₂O₇，按照负极材料重量分数100%计，其中活性物质Ca₂Nb₂O₇占70%-90%、导电炭黑占5%-20%和粘结剂占5%-10%，三者均匀混合。所述Ca₂Nb₂O₇固溶体化合物是由大小均一、形状规则的八面体纳米颗粒组成，Ca₂Nb₂O₇粒径大小为300-400 nm之间，其中Nb和O形成了NbO₆八面体单元。