[发明专利]一种铜掺杂锰酸钾电极材料、其制备方法及其在钾离子电池中的用途

说明书

本发明涉及一种铜掺杂锰酸钾电极材料、其制备方法及其在钾离子电池中的用途，属于钾离子电池材料技术领域。铜掺杂后的KCMO为P3相，铜掺杂抑制了斜方晶系杂相的生成。铜掺杂后的KCMO的电化学性能得到了较大提升。以0.5C倍率在更宽的电压范围（1.5‑3.9V）下放电比容量为106.5 mAh g^‑1，且在大倍率5C下循环时，首圈容量高达88.8 mAh g^‑1，循环200圈后容量保持率为65.1%。并且提高上限电压至4.2V时，该材料放电比容量提高到了117 mAh g^‑1，并且依旧能够稳定循环一定圈数，拓宽了材料的电化学窗口。KCMO在容量，循环性能，倍率性能和电化学窗口方面都得到了较大提升。

技术领域

本发明涉及一种铜掺杂锰酸钾电极材料、其制备方法及其在钾离子电池中的用途，属于钾离子电池材料技术领域。

背景技术

近年来，人们逐渐意识到了环保及可持续发展的重要性，风能、太阳能等可再生能源得到了前所未有的开发与利用。二次电池作为一种优秀的储能装置常常与这些间歇性的可再生能源配套使用以实现能源的有效利用，因此二次电池的需求量与日俱增。从性能上来说，目前成熟的锂离子电池技术非常适合应用于大规模储能系统，但是有限的锂资源及高昂的成本限制了它的发展。新兴的钾离子电池由于钾资源储量丰富，成本低以及钾与锂相似的物化性质，得到了研究者们广泛的关注，被认为能够满足大规模储能系统的需求。此外，由于钾的标准氧化还原电位(-2.94V vs.SHE)相比钠的标准氧化还原电位(-2.73Vvs.SHE)，更接近的锂的标准氧化还原电位(-3.04V vs.SHE)，钾离子电池在电压输出方面有一定优势。而且钾离子在电解液中溶剂化的斯托克半径小于锂离子和钠离子，离子导率更高，意味着钾离子电池可以实现更好的倍率性能。不同于钠离子电池受限于石墨负极不能嵌入脱出钠离子，石墨已被证明能够应用于钾离子电池，这为钾离子电池的实际应用打下了良好的基础。虽然目前有越来越多的研究者投身到钾离子电池材料的研究之中，但高能量密度，循环性能优异的钾离子电池正极材料仍需进一步开发。

锰基层状氧化物由于锰资源丰富，且无毒环保，成本低廉，被认为是十分具有前景的正极材料。此外，锰的价态丰富(从Mn²⁺到Mn⁴⁺)，能够灵活调节电池的电压范围，提供较大的电池容量。K_0.3MnO₂和K_0.5MnO₂的相关研究证实了锰基层状氧化物具有储钾的活性，两种原始材料中的钾含量都较低，相比类似其他层状材料如钴基，铬基层状材料中基本都能容纳0.6个钾以上，而且这两种锰基材料都存在充放电过程中相变过多，容量衰减快，倍率性能不佳等问题。

考虑到钾离子半径较大，在离子脱嵌过程中，化学反应动力学缓慢，并且其层状氧化物对空气中的水分敏感。因此，很难通过现有技术中推测出如何能够制备出合适的电极材料，以及电极材料在应用于电池中是否可以表现出相应的充放电性能，因此需要针对钾离子电池开发相应的电极材料。

发明内容

本发明采用简单的固相烧结法合成了锰基层状氧化物材料，这种材料为少量铜元素掺杂的P3型K_0.6Cu_0.1Mn_0.9O₂(简称为KCMO)。少量铜的掺杂有效改善了材料的电化学性能，并使电极材料能在更宽的电压范围下进行相对稳定的电化学循环。

本发明的第一个方面，提供了：

一种铜掺杂锰酸钾电极材料，其结构式是K_0.6Cu_0.1Mn_0.9O₂。

本发明的第二个方面，提供了：

上述的铜掺杂锰酸钾电极材料的制备方法，包括以下步骤：