[发明专利]一种钠离子电池负极活性材料、负极、电池及制备方法

说明书

本发明公开了一种钠离子电池负极活性材料、负极、电池以及制备方法，属于钠离子电池领域，负极活性材料为K‑Ti‑O三元化合物，该K‑Ti‑O三元化合物具有表面碳包覆层或/和氧空位。本发明采用一步煅烧法在合成K‑Ti‑O三元化合物的同时在其表面引入碳导电层，或者采用一步煅烧法在合成K‑Ti‑O三元化合物的同时在其表面或晶格中引入氧空位，或者采用一步煅烧法在合成K‑Ti‑O三元化合物的同时在其表面或晶格中引入氧空位并在其表面引入碳导电层。本发明的负极活性材料具有高倍率和稳定的循环性能，本发明制备方法工艺简单，成本低廉，具有大规模生产的条件。

技术领域

本发明属于钠离子电池领域，更具体地，涉及一种钠离子电池用负极活性材料、负极、钠离子电池及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为电化学储能技术的代表，现已广泛用于各种便携式电子设备及电动汽车领域，然而地球上锂的资源十分有限，因此，即需开发出一种新型的储能器件来取代锂离子电池。

钠在地壳的储量非常丰富，约占地壳的2.74％，并且分布广泛，且钠和锂的化学性质在一定程度上相似。所以，钠离子电池被认为是有望代替锂离子电池的一种新型低成本的储能技术。但是，由于钠离子的半径比锂离子要大的多，要寻找到合适的钠离子电池正负极材料要困难的多。

目前，室温钠离子电池各种储钠负极材料中，钛基材料具有结构稳定、循环性能好、安全性能高、环境友好等诸多优点，引起了研究者的广泛兴趣。最近几年，研究者们对各种新型钛基材料进行了探索，如不同晶形的TiO₂，包括无定形相、锐钛矿相、金红石相、TiO₂(B)相等以及不同组成的三元Na-Ti-O化合物，包括Na₂Ti₃O₇，Na₂Ti₆O₁₃，Na₄Ti₅O₁₂，Na₂Ti₇O₁₅等均被用于钠离子电池负极(Mouad Dahbi,Naoaki Yabuuchi,Kei Kubota,KazuyasuTokiwa,Shinichi Komaba,Phys.Chem.Chem.Phys.,2014,16,15007)。随着材料晶体结构的不同，新型钛基材料作为钠离子电池负极时所对应的充放电电位、循环稳定性、倍率性能等电化学性能也表现出差异。最近，一些新型的其他钛基材料，如，Na_0.66[Li_0.22Ti_0.78]O₂，Na_2/3Co_1/3Ti_2/3O₂等也被报道可用作钠离子电池负极。这些已报道的钛基化合物通常由TiO₆八面体通过共顶点和共棱连接形成较为紧密的层状结构或具有狭窄通道的的三维结构。

但是，由于钠离子半径(r＝0.113nm)比锂离子半径(r＝0.076nm)约大30％以上，当钠离子在这些钛基材料的晶格中进行嵌入脱出时往往引起材料晶格的应力有较大的反复性变化，从而导致材料的循环稳定性变差，同时个头较大的钠离子在材料晶格间隙中的扩散系数也较低，使材料的倍率性能不高。

因此，非常有必要开发出一种价格低廉、具有较好的倍率性能和循环稳定性的新型储钠钛基电极材料。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种钠离子电池负极活性材料、负极、电池及制备方法，其目的在于，提供一种新型的具有高倍率和稳定循环性能的钛基钠离子电池负极材料，并提供了该负极材料的制备方法，由此解决目前钛基材料倍率性能和循环性能均较差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种钠离子电池负极活性材料，其为K-Ti-O三元化合物，该K-Ti-O三元化合物的具有表面碳包覆层或/和氧空位，所述K-Ti-O三元化合物选自如下：