[发明专利]一种钾离子电池正极材料及其制备方法和钾离子电池

说明书

本发明公开了一种钾离子电池正极材料及其制备方法和钾离子电池，该正极材料的化学式为K_xP[R(CN)₆]，其中0≤x≤2，P为过渡金属离子，R为Fe²⁺或Fe³⁺；制备时将铁氰化钾或亚铁氰化钾与过渡金属盐溶解制成均匀的溶液，然后进行水热反应，将反应生成的沉淀分离出来，经洗涤、真空干燥后即得到该正极材料。本发明制备工艺简单易操作，所需原料成本低，适用于大规模工业化生产。制得的正极材料具有开放的三维网络框架结构，大的间隙位置可供钾离子穿梭并存储，使得由其组装成的钾离子电池具有高的放电容量、长久的循环寿命、高的能量密度与功率密度。

技术领域

本发明属于钾离子电池技术领域，具体涉及一种钾离子电池正极材料及其制备方法以及用该钾离子电池正极材料组装而成的钾离子电池。

背景技术

随着经济的不断发展与科技的不断进步，能源的需求逐渐增大。但传统化石能源如煤、石油、天然气等的开发利用存在三个突出的问题：资源枯竭、气候变暖与环境污染。发展太阳能、风能与潮汐能等可再生能源，是解决不可再生能源所面临的突出问题与保障人类可持续发展的必然趋势。然而这些可再生能源高度依赖于天气和气候，具有波动性与随机性，因此急需研发大规模储能技术，使得可再生能源配合电网稳定运行。在目前的能源储存器件中，锂离子电池由于具有高的能量密度而大规模应用于便携式电子设备与电动汽车等领域，但锂资源高的价格与极其低的储量限制了其应用于大尺度的固定式电力储存。因此有必要发展具有低花费、丰富的自然资源、长寿命、高能量密度与功率密度的新型可充电电池，作为锂离子电池的替代物在未来应用于便携式电子设备、电动汽车与智能电网。

近年来钠离子、钾离子、镁离子等新型二次电池由于与锂离子电池具有相似的电化学原理而受到研究者的关注。其中钾离子电池具有资源丰富、低成本的优势，同时K/K⁺具有最接近Li/Li⁺的标准氧化还原电势而使得钾离子电池能呈现高的能量密度。目前大量碳材料被报道可用于钾离子电池负极材料(Carbon electrodes for K-ion batteries,137(2015)11566-11569)，然而由于钾离子具有较大的离子半径而阻碍了传统插入式层状材料应用于钾离子电池正极材料。因此开发钾离子脱嵌过程中能够保持结构稳定的正极材料具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钾离子电池正极材料及其制备方法和钾离子电池，该方法工艺简单，制得的钾离子电池正极材料在钾离子脱嵌过程中能够保持结构稳定，用该钾离子电池正极材料组装成的钾离子电池具有高容量、长寿命与高功率密度等优点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种钾离子电池正极材料，该正极材料的化学式为K_xP[R(CN)₆]，其中0≤x≤2，P为过渡金属离子，R为Fe²⁺或Fe³⁺；该正极材料具有开放的三维网络框架结构，能够容纳钾离子，且在钾离子脱嵌过程中该正极材料能够维持自身结构的稳定。

P为Fe²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Sn²⁺、Co²⁺、Mn²⁺中的一种或多种。

所述的钾离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照化学计量比称量铁氰化钾或亚铁氰化钾，并称量过渡金属盐，将称量的原料分散在水或无水乙醇中，搅拌形成均匀的溶液；

2)将步骤1)制得的溶液转移至具有聚四氟乙烯内衬的反应釜中进行水热反应；

3)水热反应结束后，将反应生成的沉淀分离出来，经洗涤、真空干燥后即得到钾离子电池正极材料。