[發明專利]一種鉀離子電池無定型VPO4

在審

• 申請號: 202210776113.5
• 申請日: 2022-07-04
• 公開（公告）號: CN115084510A
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 丁書江;趙敬;李龍;吳虎
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/587;H01M10/054
• 代理公司: 西安眾和至成知識產權代理事務所(普通合伙) 61249
• 代理人: 強宏超

本發明公開了一種鉀離子電池無定型VPO₄@C負極材料及其制備方法和應用，將磷源和檸檬酸溶解在水中得到溶液A；將釩源和碳源溶解在水中，得到溶液B；溶液A和溶液B進行混合采用溶膠凝膠工藝制備磷酸釩前驅體，磷酸釩前驅體經烘干、研磨，在惰性氣氛熱處理后最終得到無定型VPO₄@C負極材料；無定型VPO₄@C負極材料,由于其固有的無定型碳包覆特性，這使得其具有高鉀離子擴散系數，低擴散活化能和長循環壽命；通過原位碳包覆，提高材料的電子電導率；無定型VPO₄@C負極材料的制備方法工藝簡單、生產成本低，易規模化生產，對鉀離子電池的商業化有重要意義。

技術領域

本發明涉及鉀離子電池負極材料領域，具體涉及一種鉀離子電池無定型VPO₄@C負極材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池(LIBs)是一種非常重要的儲能技術，廣泛應用于便攜電子設備和新能源汽車。隨著電動汽車、智能電網時代的到來，鋰離子電池大規模發展受到鋰資源短缺的瓶頸制約。與鋰相比，鉀儲量豐富、分布廣泛、成本低廉，并且與鋰具有相似的理化性質，因而鉀離子電池的研究再一次受到科研界和工業界的廣泛關注。特別是在大規模儲能領域，鉀離子電池被認為可以作為鋰離子電池的廉價替代品。

電極材料決定了電池的能量密度和使用壽命，因此開發新型高性能電極材料是電池研究的關鍵。目前，鉀離子電池的負極候選材料有金屬硫化物、金屬硒化物、金屬磷化物、金屬氧化物、碳材料、商用石墨等。特別的是，用于鋰離子電池負極的低成本商業石墨可直接用于鉀離子電池進行儲鉀，但石墨的理論鉀儲存容量僅為2792Ah2g，并且存在倍率性能和循環性能差等缺點，迫切需要研發新型低成本、高性能的負極材料。

VPO₄，作為合成的鉀離子電池高壓正極氟磷酸釩鉀的中間產物，在鋰2鈉離子電池中已被用作優良的負極材料，最近也被應用在鉀離子電池。但由于鉀離子的半徑大于鋰離子和鈉離子中，在多次充放電過程中會破壞電極材料的結構，影響循環穩定性，且VPO₄電導率較低，在高電流密度下倍率性能差，這使得設計用于鉀離子電池的高性能VPO₄負極成為一個挑戰。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提出一種鉀離子電池無定型VPO4@C負極材料及其制備方法和應用，該材料通過原位碳包覆和非晶化的方法改善VPO₄的鉀離子擴散動力學和本征電子電導率差的問題，有效提高材料的儲鉀性能。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種鉀離子電池無定型VPO₄@C負極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)按照元素比V:P＝1:1取釩源和磷源，并取一定量的檸檬酸和碳源；

2)將磷源和檸檬酸溶解在水中得到溶液A；將釩源和碳源溶解在水中，得到溶液B；將上述溶液A和溶液B進行混合采用溶膠凝膠工藝制備磷酸釩前驅體；

3)將步驟2)得到的磷酸釩前驅體進行烘干、研磨，在惰性氣氛下以10-20℃2222升溫至300-700℃熱處理4-6h，最終得到無定型VPO₄@C負極材料。

進一步，所述釩源為偏釩酸銨、五氧化二釩和乙酰丙酮釩的一種或多種；所述的磷源為磷酸二氫銨、磷酸氫二銨和磷酸銨中的一種或多種；所述的碳源為檸檬酸、蔗糖和葡萄糖中的一種或多種。

進一步，所述溶膠凝膠工藝采用的溫度為80℃-100℃，時間為4-24h。

進一步，所述步驟2)中，檸檬酸的含量為把五價釩還原成三價釩的用量，碳源的添加量為VPO₄質量的1％-20％。

進一步，所述步驟3)中烘干采用的是60-100℃的電熱鼓風干燥。