[发明专利]过渡金属类铌酸钾固溶体钾离子电池负极材料及其制备工艺

说明书

本发明属于可充电电池材料领域，具体涉及一种过渡金属类钾离子电池负极材料及其制备工艺。所述负极材料的活性物质为铌酸钾固溶体KNb₃O₈。解决钾离子电池普遍存在的循环稳定性差、比容量低以及一定程度的安全隐患等问题。可将此铌酸钾固溶体负极材料直接作为钾离子电池负极。用本发明提供的钾离子电池具有高安全性、良好的循环稳定性以及优越的倍率性能等优点；呈现出平稳的电压平台，高容量保持率。因此，铌酸钾固溶体作为钾离子电池负极材料具有很大的潜在应用价值。

技术领域

本发明属于可充电电池材料领域，具体涉及一种过渡金属类钾离子电池负极材料及其制备工艺。

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，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。

而过渡金属化合物由于金属原子通常具有多价态特性，在特定条件下可以发生可逆的氧化还原反应，从而产生较大的储钾比容量，成为钾离子电池新型负极材料的重要选择之一。近年来，人们逐渐发现很多过渡金属化合物如WS₂、K₂Ti₄O₉、FeVO₄等作为钾离子电池负极材料都具有较高的储钾比容量，吸引了很多学者的研究兴趣。此外，由于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。为了解决这些问题，人们提出了很多方法进行解决，如材料纳米化、构建纳米复合材料、碳包覆等等。

近些年以来，对小尺寸各向异性钙钛矿纳米铌酸盐过渡金属化合物的研究取得了一定进展，KNbO₃、KNb₃O₈、K₄Nb₆O₁₇等铌酸盐表现出多种电子和光学特性。其中KNb₃O₈是一种具有独特层状结构的半导体材料。目前，已有研究人员采用固相合成法制备了层状KNb₃O₈，通过循环伏安法及恒电流充放电试验对其作为新型钠离子电池负极材料进行了电化学测试；同时，也有研究人员采用电纺丝工艺制备了KNb₃O₈纳米线，首次将其作为锂离子电池负极材料进行了报道，皆表现出了良好的电化学性能。综上所述，KNb₃O₈层状过渡金属固溶体化合物用于钾离子电池负极材料具有很大的潜在应用价值，而且考虑到钾元素在地壳中储量丰富、价廉易得的特点使其具有天然的产业优势。因此，本发明采用操作简单、绿色环保、反应条件易控的水热法制备铌酸钾固溶体，并以铌酸钾固溶体作为钾离子电池负极材料，显示出较高的可逆储钾比容量，而且其循环稳定性良好。

发明内容

本发明的目的在于克服现有钾离子电池负极材料存在的问题，解决钾离子电池普遍存在的循环稳定性差、比容量低以及一定程度的安全隐患等问题。因此，开发了一种适用于钾离子电池的层状铌酸钾固溶体负极材料，该材料具有高安全性、良好的循环稳定性以及优越的倍率性能等优点。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

用于钾离子电池的铌酸钾固溶体负极材料，活性物质为KNb₃O₈，将活性物质、导电炭黑和粘结剂以质量分数比7:2:1的比例均匀混合，用于制作负极极片。

其中KNb₃O₈粉末是由大小不均一，形状不规则的铌酸钾固溶体颗粒组成，颗粒的粒径范围300 nm-1μm。

其中负极材料的活性物质铌酸钾固溶体具体制备方法步骤包括：