[发明专利]一种超离子导体KTi2

说明书

本发明公开了一种超离子导体KTi₂(PO₄)₃与TiO₂复合材料的制备和应用。以天热生物质为模板，在只需提供Ti源的条件下，实现超离子导体KTi₂(PO₄)₃与TiO₂的复合，通过改善材料结构提升钠离子电池性能。该合成方法简单易调控，以该材料作为钠离子负极材料使用可有效提高TiO₂钠离子电池的倍率性能和循环稳定性。为超离子导体KTi₂(PO₄)₃与TiO₂在纳米粒子电池方面的应用提供了全新的思路，具有较为良好的应用前景。

技术领域

本发明属于一种超离子导体KTi₂(PO₄)₃与TiO₂的复合材料，具体涉及KTi₂(PO₄)₃/TiO₂复合材料的合成方法及其钠离子电池方面的应用，属于能源与环保技术领域。

背景技术

钠离子电池（SIB）继承了锂离子电池（LIB）的类似“摇椅式”充放电机制且避免了锂资源的不足，被认为是最有希望成为下一代储能电池的新体系。而钠离子半径远大于锂离子半径，导致钠离子在电极材料中的嵌入和脱出所受阻力较大，故探索合适的电极材料是SIB可实现大规模应用的关键之一。目前，相对于研究成熟的正极材料，负极材料的研究已成为制约SIB发展的重要因素。在诸多负极材料中，二氧化钛（TiO₂）结构稳定、价格低廉、储量丰富、易制备且具有较高安全性、合适的储钠电压平台、较高的理论电化学性能指标（理论容量可达335 mAh g^-1）等优点，但其仍存在电导率低及Na⁺扩散迟缓的问题。目前研究主要是通过加入导电剂、体相掺杂、控制颗粒尺寸及改善形貌特征等提高材料表面和内部的电导性及提高Na⁺迁移速率，利用添加额外材料与其复合后提高电池性能的研究较少。且上述方案的实施往往需要添加额外的化学试剂，无疑增加制备成本，并带来环境问题，且通过掺杂及改变材料尺寸形貌等策略实现Na⁺迁移速率的提高有较大限度。超离子导体KTi₂(PO₄)₃作为嵌入型负极材料不仅拥有较高的离子电导率，其较大的K⁺离子半径及沿c轴较大的空间，可为嵌入Na⁺提供更大的离子扩散通道。在合成材料方面，大自然为我们提供了很好的借鉴，自然界中存在着各种形貌及不同元素组成的生物质，以其为模板，可绿色、高效地实现多种功能材料的获得。以天然生物质为模板，在只提供Ti源的条件下，实现超离子导体KTi₂(PO₄)₃与TiO₂的复合，改善钠离子电池性能。

发明内容

本发明的目的是：针对目前作为钠离子电池负极材料的TiO₂电导率低及Na⁺扩散迟缓的问题，利用生物质中丰富的杂元素（K、P和C）及孔结构，在只需提供Ti源的条件下，实现超离子导体KTi₂(PO₄)₃与TiO₂的复合，通过构筑多孔结构及嵌入拥有较大离子扩散通道的KTi₂(PO₄)₃实现Na⁺迁移速率的提高，通过原位掺杂C及复合KTi₂(PO₄)₃实现电导率的提升，进而提高SIB电池性能。

为实现上述目的，本发明KTi₂(PO₄)₃/TiO₂复合材料的技术方案如下：