[發明專利]氟化草酸鹽材料的應用以及包含氟化草酸鹽材料的產品、制備方法及其用途

在審

• 申請號: 201811596064.7
• 申請日: 2018-12-20
• 公開（公告）號: CN111354943A
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 唐永炳;季必發;姚文嬌
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/1397;H01M10/054;H01M10/058
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 吳乃壯

本發明屬于二次電池技術領域，涉及氟化草酸鹽材料的應用以及包含氟化草酸鹽材料的產品、制備方法及其用途。本發明提供了氟化草酸鹽材料用作正極活性材料在鉀離子電池中的應用；該氟化草酸鹽材料的化學式為K_xM[C₂O₄]_yF_z，其中，M為至少一種可變價的過渡金屬，0＜x≤1，0＜y≤1，0＜z≤1。氟化草酸鹽材料具有開放的三維網絡框架結構，具有大的間隙位置可供鉀離子穿梭并存儲，且在充放電循環過程中保持優異的結構穩定性，因此使得由該氟化草酸鹽材料作為正極材料組裝成的鉀離子電池具有高的放電容量、長久的循環壽命、高的能量密度與功率密度，且成本低，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于二次電池技術領域，具體而言，涉及一種氟化草酸鹽材料的應用以及包含氟化草酸鹽材料的產品、制備方法及其用途。

背景技術

隨著社會文明的不斷發展，人類對能源的需求與日俱增。但傳統的化石能源存在著資源枯竭、環境污染等突出的問題，嚴重制約了社會經濟的發展。為了解決上述問題，發展諸如太陽能、潮汐能、風能等清潔能源是必然選擇。在此過程中，能源轉化與儲存是必須要面對的問題。二次電池因其效率高、成本低等優點，成為最重要的能源轉化與儲存技術。目前主要的二次電池有鉛酸電池、鎳鉻電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。其中鋰離子電池因能量密度大、工作電壓高、循環壽命長、自放電率低等優點已被廣泛應用于便攜式電子產品、純電動車和混合動力汽車中。但隨著鋰離子電池應用領域的拓展以及需求量逐年快速增加，導致全球儲量十分有限且分布不均的鋰的價格不斷上揚，致使鋰離子電池價格不斷攀升，嚴重制約低成本、高性能儲能器件領域的快速發展。因此有必要大力發展可替代鋰離子電池技術的下一代綜合效能優異的二次電池新體系。

鈉、鉀、鋁、鎂等元素由于與鋰元素具有相似的化學性質和優異的脫嵌特性使得它們對應的電池技術成為非常有潛力的鋰離子電池替代技術。其中鉀離子有最接近鋰離子的標準電極電勢，同時鉀離子在電解液中具有較大的離子遷移速率；此外，鉀資源具有分布廣泛(在地殼中的豐度為2.09％，約為鋰元素的1200倍)、價格相對低廉的天然優勢，使得鉀離子電池更具發展前景。盡管如此，由于鉀離子的半徑(r＝0.138nm)大于鋰離子的半徑(0.068nm)，導致K⁺在鋰離子電池常用電極材料中的擴散動力學性能遠低于Li⁺，因此合適的鉀離子電池電極材料必須具有可允許K⁺快速通過的大通道，且在K⁺嵌入和脫嵌的過程仍保持穩定的結構。目前來說應用于鉀離子電池負極材料的主要有碳材料系列，如石墨、炭黑、硬碳、軟碳、石墨烯等。然而，在鉀離子正極材料上的研究還較少，目前已報道的主要為有機化合物如普魯士藍及其類似物、磷酸鐵、氟硫酸鐵等，但這一系列材料或多或少的存在著循環穩定性差、結構不穩定、充放電平臺低容量低、材料制備成本高等問題。公開號為CN108615874A的專利公開了基于鎳錳二元氧化物的鉀離子電池正極材料，雖然其容量可達93.38mAh/g，但其庫倫效率較低，循環穩定性差；公開號為CN107093739A的專利公開了基于鉀錳氧化物的鉀離子電池正極材料，其容量可達83.9mAh/g，但是這種材料存在循環性能差、放電平臺不明顯；公開號為CN 105826521A的專利公開了基于聚陰離子化合物的鉀離子電池正極材料，但其放電平臺較低(1.6V)，導致其能量密度較低；公開號為CN 107226475A的專利公開了基于普魯士藍的鉀離子電池正極材料，雖然其容量可達90.7mAh/g，循環穩定性好(循環400次，容量保持率在90.37％)，但該材料存在操作可控性差、難以大規模生產的問題。因此，鉀離子電池正極材料的研究尚處于起步階段，亟待開發新型高性能的鉀離子電池正極材料。

鑒于此，特提出本發明。

發明內容