[發明專利]一種鉀離子電池高熵氧化物正極材料的制備方法

在審

• 申請號: 202310006818.3
• 申請日: 2023-01-04
• 公開（公告）號: CN115872462A
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 房明浩;權凌志;閔鑫;黃朝暉
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（北京）
• 主分類號: C01G53/00
• 分類號: C01G53/00;H01M4/525;H01M4/505;H01M4/485;H01M10/054
• 代理公司: 北京華清科睿知識產權代理事務所(普通合伙) 11989
• 代理人: 朱紅濤

本發明公開了一種鉀離子電池正極材料、制備方法以及鉀離子電池，屬于鉀離子電池技術領域。通過固相法合成了K_aMn_xNi_yCo_zFe_wCu_iO₂。高熵的概念在鋰離子和鈉離子電池中得到應用，高熵結構穩定性使陰極材料具有超循環穩定性，大大提高了Li⁺、Na⁺存儲容量。受到高熵的影響，本發明研究受高熵概念啟發的鉀離子電池正極三元層狀氧化物(KNi_xCo_yMn_zO₂)，通過摻雜其他元素來改善材料的結構穩定性，提高循環穩定性，增強K⁺存儲電化學性能。

技術領域

本發明涉及一種鉀離子電池正極材料、制備方法以及鉀離子電池，屬于鉀離子電池電化學儲能技術領域。

背景技術

隨著經濟和社會高速發展，人們對生活品質及物質地需求不斷提高，引發了一系列的能源和環境問題。不可再生化石能源(如煤、石油、天然氣等)的不斷消耗，使其全球儲量持續降低，由此而引發的能源以及環境危機，嚴重的制約了社會發展的腳步。清潔能源及可再生能源(如風能、潮汐能、核能、太陽能、地熱能等)技術迅速發展，有望成為解決當前經濟發展與環境惡化等社會矛盾的突破口。如何高效可靠化地轉化、存儲及運輸清潔能源，成為研究人員研究和發展的重點。二次電池作為一種電能的儲存裝置，能夠將電能與化學能實現可控的相互轉換，由于其無污染、高轉化效率和長循環壽命而備受人們的關注，正在各個領域都扮演著十分關鍵的角色。鋰離子電池(LIBs)作為一種高效穩定的電能-化學能轉化裝置，得到了人們廣泛的研究，并取得了飛速發展。自二十世紀九十年代索尼公司實現鋰離子電池商業化，相關的技術在過去的三十年里飛速發展，被廣泛地應用于軍事裝備、航空航天、智能電網、便攜式電子設備及電動汽車等領域。但是，鋰資源儲量有限、地理分布不均等問題地存在限制了鋰電在儲能系統地進一步發展，同時也激發了研究其他可替代儲能體系地熱潮。

鉀與鋰具有相似的化學性質且儲量豐富，鉀離子電池同樣遵循″搖椅式″電池工作原理，通過鉀離子在正負極之間的可逆脫嵌行為，實現電能與化學能之間的可逆轉化，使得鉀離子電池在大型儲能系統中存在潛在的應用價值。而且鉀和鋁不會形成合金，這意味著可以使用鋁箔作為鉀離子電池的集流體，從而大大降低了鉀離子電池的成本。目前，鉀離子電池(PIBs)的關鍵限容部件是正極，通常而言，正極材料的可逆比容量遠低于負極，因此在全電池中所占比重最大。另外，全電池中活性K+主要來源于正極材料，其含量決定了整個電池的可逆比容量和整體性能，因此通過提升電池電壓和穩定容量來開發新型正極材料是開發下一代鉀離子電池的最佳途徑。盡管鉀離子電池(PIBs)儲能體系擁有眾多誘人的潛力，但高性能PIBs關鍵電極材料的開發仍具挑戰。由于K⁺半徑遠大于Na⁺和Li⁺K⁺在傳統電極材料體相中的擴散過程變得困難，并且脫嵌鉀過程中的體積變化也會更大，最終導致電極學性能快速衰敗。因此，開發合適的正極材料體系是發展先進鉀離子電池技術的關鍵。