[发明专利]一种中空核壳结构的普鲁士蓝类似物电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种中空核壳结构的普鲁士蓝类似物电极材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括如下步骤：S1：锰盐和聚吡咯烷酮PVP充分混合溶解得混合溶液；所述混合溶液中锰盐和PVP的摩尔比为1:5~200；S2：向混合溶液中加入亚铁氰化盐溶液，陈化，洗涤，干燥后即得所述中空核壳结构的普鲁士蓝类似物电极材料；所述锰盐和亚铁氰化盐的摩尔比为2:1~5。本发明提供的制备方法简单易行，重复性好，所用原材料廉价易得，产物稳定；该方法准备得到的中空核壳结构的普鲁士蓝类似物电极材料尺寸均一、分散均匀，电化学性能优异，作为锂离子电池正极材料时，在25mA/g电流密度下其比电容量高达166mAh/g，在50mA/g电流密度下循环充放电200次后，其比容量仍维持在初始比容量的90%左右，其库伦效率几乎为100%，证明该电极材料的循环稳定性好。

技术领域

本发明属于无机材料制备领域，具体涉及一种中空核壳结构的普鲁士蓝类似物电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源是人类的一切活动的物质基础。与此同时，由于传统能源所造成的气候变化以及化石燃料的成本效益低下，已经成为了全球最显著的问题。现在迫切需要开发高效，清洁和可持续性发展的替代能源转换和储存技术。锂离子电池作为金属离子电池的一种，是最常见的可充电电池，由于其高能量和高功率密度，使得它被广泛应用于便携式电子产品，并且逐步应用于混合电动车，插电式混合动力电动车以及大型工业设备

普鲁士蓝类似物由于其刚性的开放框架和开放性的孔隙位置，使得它们能够提供足够的空间和三维孔道来保证Li⁺、Na⁺、K⁺等离子的快速扩散，因此这类材料在能量储存领域越来越受到关注。此外，考虑到其简单的合成工艺、低成本、无毒害的特性，使得此类材料被大规模应用成为了可能。但是据报道普鲁士蓝类材料不适合应用于锂离子电池的正极材料中，因为Li⁺在普鲁士蓝结构内穿插时会破坏普鲁士蓝的晶格结构，而且在氧化还原过程中中间体的高溶解度以及对共沉淀合成中材料含水量的控制等困难，进一步增加了普鲁士蓝及其衍生物作为锂离子电池正极材料的挑战。

提高电池的循环性能和改善电化学性能的一个有前景的策略是与其他材料复合以提高其电化学性能。例如Zhou等人通过简单的共沉淀法在CuFe-PBA上包覆了一层具有高稳定性的NiFe-PBA 形成了一个核壳结构的复合材料，CuFe-PBA@NiFe-PBA纳米粒子做为锂离子电池正极材料在充放电电流密度为10 mA/g时，其可逆比容量达到了99 mAh/g。Zhumabay Bakenov课题组通过一个简单的共同沉淀方法合成出NiHCF纳米颗粒，其表现出的初始比容量为52 mAh/g。Ying等人通过原位复合合成了一种LiPB-PPy-PSS复合材料，利用与导电聚合物复合来提高普鲁士蓝在锂离子电池正极材料的电化学性能。这些研究表明普鲁士蓝及其衍生物的形貌结构对其电化学性能有很大的影响。可控合成纳米结构，例如核壳体系结构可以为各种应用提供优势。据我们所知，这是第一次报道关于使用可控制形态结构合成出一种中空核壳结构普鲁士蓝类似物。

因此，开发一种循环稳定性高和电化学性能优异，可应作电极材料的中空核壳结构普鲁士蓝类似物具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中普鲁士蓝及其衍生物不适合应用于作为锂离子电池的正极材料电池循环过程中结构被破坏从而导致电化学性能下降的缺陷和不足，提供一种中空核壳结构的普鲁士蓝类似物电极材料及其制备方法。本发明提供的中空核壳结构的普鲁士蓝类似物电极材料的制备方法可成功制备得到一种中空核壳结构的普鲁士蓝类似物电极材料，该电极材料尺寸均一、分散均匀，电化学性能优异，作为锂离子电池正极材料时，在 25mA/g 电流密度下其比电容量高达 166mAh/g，在50mA/g电流密度下循环充放电200次后，其比容量仍维持在初始比容量的90%左右，其库伦效率几乎为100%，证明该电极材料的循环稳定性好；该制备方法简单易行，重复性好，所用原材料廉价易得，产物稳定。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的中空核壳结构的普鲁士蓝类似物电极材料。