[發(fā)明專利]一種電場(chǎng)調(diào)控選擇結(jié)晶合成鈣鈦礦KTaO3鉀離子電池負(fù)極材料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710550312.3
• 申請(qǐng)日: 2017-06-29
• 公開（公告）號(hào): CN107394195A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 水淼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 寧波吉電鑫新材料科技有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/485
• 分類號(hào): H01M4/485;H01M10/054
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高性能鈣鈦礦復(fù)合鉀離子電池負(fù)極材料制造方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子二次電池具有體積、重量能量比高、電壓高、自放電率低、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、功率密度高等絕對(duì)優(yōu)點(diǎn)，目前在全球移動(dòng)電源市場(chǎng)有超過300億美元/年份額并以超過10％的速度逐漸增長。特別是近年來，隨著化石能源的逐漸枯竭，太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等新能源逐漸成為傳統(tǒng)能源的替代方式，其中風(fēng)能、太陽能具有間歇性，為滿足持續(xù)的電力供應(yīng)需要同時(shí)使用大量的儲(chǔ)能電池；汽車尾氣帶來的城市空氣質(zhì)量問題日益嚴(yán)重，電動(dòng)車(EV)或混合電動(dòng)車(HEV)的大力倡導(dǎo)和發(fā)展已經(jīng)到了刻不容緩的地步；這些需求提供了鋰離子電池爆發(fā)式增長點(diǎn)，同時(shí)也對(duì)鋰離子電池的性能提出了更高的要求。

鋰離子電池正負(fù)極材料的容量的提高是科技人員研究的首要目標(biāo)，高容量正負(fù)極材料的研發(fā)可以緩解目前鋰離子電池組體積大、份量重、價(jià)格高難以滿足高耗電及高功率設(shè)備需要的局面。然而自從1991年鋰離子電池商業(yè)化以來，正極材料的實(shí)際比容量始終徘徊在100-180mAh/g之間，正極材料比容量低已經(jīng)成為提升鋰離子電池比能量的瓶頸。相較于正極，負(fù)極材料容量的提升空間還很大，如錫及錫合金材料、硅及硅合金材料、各類過渡金屬氧化物[Md.Arafat Rahman，Guangsheng Song，Anand I.Bhatt，Yat Choy Wong，and Cuie Wen，Nanostructured Silicon Anodes for High-Performance Lithium-Ion Batteries，Adv.Funct.Mater.2016，26，647-678]等。但如若要兼顧材料的倍率性能、循環(huán)容量保持性能仍舊非常困難。其中主要原因有：1、電極材料在發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，同時(shí)要具有快速的鋰離子嵌入脫嵌及電子傳導(dǎo)，即同時(shí)具有良好的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性，不少負(fù)極材料具有較高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，然而卻是電子絕緣體，也有的負(fù)極材料是良好的電子導(dǎo)體，然而鋰離子擴(kuò)散能力弱，從而使得電池的極化大幅度增加；2、不少電極材料在鋰離子嵌入和脫嵌的過程中有較大的體積變化，從而造成電極材料顆粒的破碎及有效電極材料在循環(huán)過程中的損失，大的體積變化同時(shí)也帶來充放電過程中材料晶格蛻變產(chǎn)生第二相而嚴(yán)重影響電池的性能。3、轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理的鋰電負(fù)極材料，反應(yīng)產(chǎn)物鋰化合物的電子絕緣性嚴(yán)重影響了材料的可逆性。

合金機(jī)理的鋰電負(fù)極材料及轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理的鋰電負(fù)極材料因?yàn)榇嬖诙嚯娮愚D(zhuǎn)移過程往往表現(xiàn)出較高的比容量，近年來金屬氧化物、硫化物、磷化物、碳酸鹽、氯化物作為典型的轉(zhuǎn)化合金反應(yīng)機(jī)理鋰電負(fù)極材料逐漸受到了關(guān)注。與傳統(tǒng)鋰離子電池電極材料的工作原理有所不同，傳統(tǒng)的鋰離子電池正極和負(fù)極都存在鋰離子可以嵌入或脫嵌的空間，而電解質(zhì)中的鋰離子在正極和負(fù)極之間來回嵌入和脫嵌而放電正如Armand等所提出的“搖椅”電池。而轉(zhuǎn)換材以+2價(jià)金屬氧化物為例，會(huì)發(fā)生類似如下的變化：

2Li⁺+MeO+2e^-→Li₂O+Me⁰

而在轉(zhuǎn)換反應(yīng)后，還可能會(huì)發(fā)生多種形式的合金過程，比如：

Li_m+Me⁰_n→Li_mMe⁰_n

在這兩個(gè)過程中會(huì)釋放出超過1000mAh.g^-1的比容量，因而獲得了材料研究人員高度的重視。然而如前所述，兼顧材料的倍率性能、循環(huán)容量保持性能仍舊非常困難。金屬氧化物、硫化物、磷化物、碳酸鹽、氯化物這些轉(zhuǎn)換負(fù)極材料獲得了較多的研究，這些轉(zhuǎn)化合金型負(fù)極材料往往都是單金屬化合物。另外，鋰元素在地殼中的儲(chǔ)量很低，稀缺的鋰資源使得未來的鋰離子電池成本不斷上升。尋求一種可替代低成本的電化學(xué)儲(chǔ)能器件成為亟待解決的問題。鉀的電化學(xué)性質(zhì)和鋰相似，且地球儲(chǔ)量豐富，是未來有望取代鋰離子電池的最有希望的選擇。

如鋰離子轉(zhuǎn)換材料一樣，合金機(jī)理的鉀離子電池負(fù)極材料也可能發(fā)生如下的電化學(xué)反應(yīng)：

2K⁺+MeO+2e^-→K₂O+Me⁰

K_m+Me⁰_n→K_mMe⁰_n