[发明专利]钾离子电池负极活性材料、钾离子电池负极材料、钾离子电池负极、钾离子电池及其应用

说明书

本发明提供了一种钾离子电池负极活性材料、钾离子电池负极材料、钾离子电池负极、钾离子电池及其应用，属于钾离子电池技术领域。本发明提供了一种钾离子电池负极活性材料，包括五氧化二铌复合材料；其中，五氧化二铌复合材料包括含掺杂离子和/或包覆层的五氧化二铌复合材料。五氧化二铌复合材料具有优异的钾离子传输通道，可实现钾离子的快速嵌入与脱嵌，且晶体结构稳定，反应机理为插层和赝电容双机理，制备的钾离子电池循环寿命长、比容量高、成本低，可解决锂资源不足造成的价格上涨问题，避免钾离子电池合金型负极的膨胀粉化问题和插层型碳材料的动力学缓慢等问题。能够广泛应用于电动工具、电子设备、电动车辆或储能设备。

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负极 活性材料、钾离子电池负极材料、钾离子电池负极、钾离子电池及其 应用。

背景技术

近年来，人们对电动汽车和便携式电子设备的需求量越来越大， 有限的锂资源也消耗的越来越快，能够替代锂离子电池的新型储能系 统越来越受到人们关注。钾资源丰富，分布均匀，成本低，且K/K⁺标准电极电势为-2.94V，与锂离子的标准电极电势最接近，能量密度 较高，可替代锂用于电池。

但钾离子的半径较大，远大于锂离子和钠离子，因此，钾离子在 大多数锂离子电池的负极材料中无法实现可逆插层/脱嵌，导致无法 应用，或者存在动力学缓慢的问题导致电池的倍率性能和循环性能远 不如锂离子电池。所以，相对于锂离子电池或钠离子电池，钾离子电 池对负极材料的要求更为严苛。目前，已报道的钾离子电池负极材料 较少，主要包括钾片，合金型金属Sn、Bi负极，以及插层型碳材料。 钾金属非常活泼，用钾片作为负极虽然容量高，但却易产生安全隐患； 合金型金属Sn、Bi负极具有较高的比容量，但是钾离子半径较大， 充放电过程中金属的膨胀系数较大，电极易粉化导致循环性能差；钾 离子能在低压下插层石墨等层状碳材料，但是K⁺在石墨中动力学缓 慢，扩散系数小，导致倍率性能差。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种钾离子电池负极活性材料，该 钾离子电池负极活性材料包括五氧化二铌复合材料，五氧化二铌复合 材料结构稳定且能快速储存K⁺，能够克服上述问题或者至少部分地 解决上述技术问题。

本发明的第二个目的在于提供一种钾离子电池负极材料，包括上 述钾离子电池负极活性材料、导电剂和粘结剂。

本发明的第三个目的在于提供一种钾离子电池负极，包括上述钾 离子电池负极活性材料；五氧化二铌复合材料具有优异的钾离子传输 通道，可实现钾离子的快速嵌入与脱嵌，且晶体结构稳定，在钾离子 的嵌入与脱出过程中不发生相变。

本发明的第四个目的在于提供上述钾离子电池负极的制备方法。

本发明的第五个目的在于提供一种钾离子电池。包括上述钾离子 电池负极的钾离子电池具有长循环寿命、高比容量、低成本的特性。

本发明的第六个目的在于上述钾离子电池在电动工具、电子设 备、电动车辆或储能设备中的应用。

根据本发明第一个方面，提供了一种钾离子电池负极活性材料， 包括五氧化二铌复合材料；

其中，所述五氧化二铌复合材料包括含掺杂离子和/或包覆层的 五氧化二铌复合材料。

优选地，所述掺杂离子包括K、Na、Li、Mg、Zn、Ca、N、S 或P中的至少一种，优选为K；

优选地，所述掺杂离子与铌元素的物质的量比为1:3～1:7，优选 为1:5；

优选地，所述五氧化二铌的晶型包括正交相、六方相和单斜相中 的至少一种，优选为正交相。

所述包覆层的材料包括碳材料和金属氧化物中的至少一种；