[發明專利]一種鈉離子電池電極材料KTiOPO4

有效

• 申請號: 201810242968.3
• 申請日: 2018-03-23
• 公開（公告）號: CN108448095B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 陶占良;劉雙;張雪靜;邵漣漪;陳軍;李海霞;梁靜
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M10/054;H01M10/058
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 侯力

一種鈉離子電池負極材料KTiOPO₄的合成及應用，屬于新型化學電源領域。合成方法是將磷酸鹽、鈦氧化物預混均勻，在球磨罐中用乙醇浸潤，然后將此混合物球磨并干燥，得到前驅體；再將前驅體進行燒結，得到KTiOPO₄。該方法具有成本低廉，合成方法簡單、易于實施的特點，將其用于鈉離子電池負極材料，電池安全性能高、倍率性能好、循環性能穩定，在較高倍率(200mA g^?1)下可逆容量為89mAh g^?1，循環1000次，比容量幾乎沒有衰減，在充放電過程中可以避免鈉枝晶的形成，解決了現有鈉離子電池負極材料低電位下容易產生枝晶的問題。該電極材料可以與高電壓正極材料匹配，提升鈉離子電池性能。

本發明涉及一種鈉離子電池電極材料，特別是KTiOPO₄的合成及應用，屬于新型化學電源領域。

背景技術

由于鈉資源豐富，價格低廉的優勢，且與鋰離子具有相似的物理化學性質，鈉離子電池被認為是下一代大規模儲能技術的理想選擇之一。然而，由于鈉離子電池的半徑比鋰離子大，在固態中的擴散速率較慢，使得在鋰離子電池中性能優異的電極材料在鈉離子電池中并不能表現出較好的電化學性能。因此，尋求新型電極材料成為鈉離子電池實用化的一大突破。在可充鈉離子電池負極材料中，硬碳以及錫基、銻基材料都表現出較好的儲鈉性能，然而，碳基材料在較低的工作電壓(＜0.1V)下容易產生鈉枝晶，極易造成電池內部短路，有非常大的安全隱患；而錫基、銻基材料在與鈉形成合金的過程中，會有非常大的體積膨脹，導致較低的庫侖效率以及快速的容量衰減。因此，與正極材料的大量發展相比，尋找合適的負極材料更為緊迫。

鈦基材料由于嵌入/脫出的機理受到了廣泛研究，如Na₂Ti₃O₇，TiO₂，Na₂Ti₆O₁₃，NaTi₂(PO₄)₃， Li₄Ti₅O₁₂，Na_0.66[Li_0.22Ti_0.78]O₂等，但是大多數材料也由于庫侖效率低、工作電壓低等問題而限制了其使用。其中NaTi₂(PO₄)₃具有較高的工作電壓(2.1V vs.Na⁺/Na)，而過高的工作電壓也是實用化的問題所在。因此，工作電壓位于0.5V以上，1.4V(vs.Na⁺/Na)以下的KTiOPO₄成為鈉離子電池負極材料一個很好的選擇。

發明內容

本發明的目的在于針對上述存在問題，提供一種鈉離子電池負極材料KTiOPO₄的合成及應用，使其在充放電過程中避免鈉枝晶的形成。該材料成本低廉，合成方法簡單、環保，用該材料作負極的電池具有安全性能高、倍率性能好、循環性能穩定的優點。

本發明的技術方案：

一種鈉離子電池電極材料KTiOPO₄的合成，將磷酸鹽、鈦氧化物預混均勻，在球磨罐中用乙醇浸潤，然后將此混合物球磨并干燥，得到前驅體；再將前驅體進行燒結，得到鈉離子電池負極材料KTiOPO₄。合成的KTiOPO₄為Pna2₁空間群，晶胞參數具有由頂點共享的TiO₆六面體和PO₄四面體交錯連接形成三維骨架隧道結構，鉀離子分別位于隧道中心以及接近TiO₆和PO₄交點的位置。將制備得到的KTiOPO₄、導電劑和粘結劑按照一定的質量比混合成漿料，將漿料均勻涂布在集流體上制成電極片應用于鈉離子電池。

一種所述鈉離子電池電極材料KTiOPO₄的合成，包括以下步驟：