含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17的制備方法及其產品和應用技術

本發明專利技術公開了含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17的制備方法及其產品和應用。本發明專利技術以鈦酸四丁酯、氫氧化鉀、乙二醇和去離子水為反應物通過溶劑熱方法輔助以煅燒制備合成了具有微米級的K2Ti8O17。該方法具有很多優點：(1)操作簡便，采用溶劑熱方法并輔以煅燒，容易合成；(2)反應溫度比較低，相對溫和，且產率高；(3)原料為化學性質穩定的鈦酸四丁酯、氫氧化鉀、乙二醇和去離子水，成本低；(4)反應過程沒有有害氣體產生，無污染。通過多種方法表征，所得產物形貌均一，物相純凈無雜質。并且本發明專利技術將具有微米級刺球狀形貌的含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17應用于鉀離子電池負極材料，經測試發現其電化學性能好。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于鉀離子電池材料領域，具體涉及含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17的制備方法及其產品和應用。
技術介紹
能源消耗是現代社會發展的重要特征，而高效的儲能系統則是可再生能源工業、消費電子產業、交通行業的核心支柱。在諸多儲能方式中，鋰離子電池以質量輕、容量高和無記憶效應等優點，在當今儲能工業占據核心地位。由于鋰離子電池高能量密度和良好的循環性能，使其使用從便攜式電子設備擴展到電動汽車和混合動力電動汽車。然而，鋰資源的稀缺而且分布不均，加上日益增長的消費使其成本不斷攀升，從而限制了其廣泛的大規模應用。然而，相比之下，鉀資源是豐富的且成本相當低。作為堿金屬之一，鉀和鋰具有類似的物理/化學性質。另外，據報道日本東京理科大學駒場慎一教授等人在新一代鉀離子電池技術的研發中找到了突破口。研究人員使用石墨電極在不降低性能的情況下成功實現了多次充放電。使用該技術的新型電池有望比鋰離子電池的充放電速度提高10倍，并且可對應高強度電流，輸出更大電力，可應用于對瞬時提速要求較高的電動跑車。使用鉀離子的時候，電壓能降到-0.09伏特，而鋰離子等傳統電池的電壓無法降到負值。截至目前，要提高電池容量只有提高正極電壓一種方法，而鉀離子電池有望通過降低負極電壓使整體電壓超過鋰離子等電池。鉀、鋰、鈉都是堿性金屬元素。和鋰相比，鉀離子在電解液中的移動更加活潑，更適合在短時間內的充電及一次性釋放大量電流，輸出高功率。目前，電動汽車存在充電時間過長的問題，如果可以在短時間內能夠完成充電的話，將提高電動汽車的便利性。此外，鉀離子電池的構造與鋰離子電池基本一樣，可以在相同的生產線上生產。此外，鉀離子在電極材料中具有良好的脫嵌性能，并且在堿金屬之中，相比于金屬鈉而言，鉀的電位是最接近金屬鋰的。在全世界范圍，目前尚未研發出具備充分性能的鉀離子電池的電極材料，因此對其材料的研發勢在必行。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的目的之一在于提供一種含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17的制備方法，該 方法操作簡便，容易合成；本專利技術的目的之二在于提供聚含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17的的材料，這種材料形貌均一，物相純凈無雜質；本專利技術的目的還在于提供所述含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17的制備及其在鉀電池負極材料上的運用，將該種材料應用在鉀離子電池上作為負極材料爭取取得較好的電化學性能。為達到上述目的，本專利技術提供了如下的技術方案：1、含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17的制備方法，包括如下步驟：a、以質量體積比(mL：g：mL：mL)為1:1～8:5～50:5～50稱取鈦酸四丁酯、氫氧化鉀、乙二醇和去離子水，將鈦酸四丁酯與乙二醇溶液混合呈均勻溶液并標記為溶液I，將氫氧化鉀與去離子水混合呈均勻溶液并標記為溶液II，然后將溶液I與溶液II混合至均勻得到溶液III；b、將步驟a所得溶液III在150-240℃恒溫條件下水熱反應6-72h得反應溶液；c、將步驟b所得反應溶液冷卻至20～25℃，過濾溶液得固體，并用乙醇和去離子水清洗固體，將固體在溫度為20～100℃條件下真空干燥6～72h，得到白色粉末狀前驅體；d、將步驟c所得前驅體在馬弗爐里空氣氛圍下400～800℃下煅燒3～72h，即得K2Ti8O17。優選的，步驟a所述鈦酸四丁酯、氫氧化鉀、乙二醇和去離子水質量體積比(mL：g：mL：mL)為1:4:20:20。優選的，步驟b所述水熱反應溫度為200℃，反應時間為20h。優選的，步驟c所述真空干燥溫度為60℃，真空干燥時間為12h。優選的，步驟d所述煅燒溫度為700℃，煅燒時間為12h。2、所述方法制備的含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17。3、所述含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17作為鉀離子電池負極材料的應用。本專利技術的有益效果在于：本專利技術首次通過溶劑熱方法輔助以煅燒制備合成了具有微米級的K2Ti8O17。該方法具有很多優點：(1)操作簡便，采用溶劑熱方法并輔以煅燒，容易合成；(2)反應溫度比較低，相對溫和，且產率高；(3)原料為化學性質穩定的鈦酸四丁酯、氫氧化鉀、乙二醇和去離子水，成本低；(4)反應過程沒有有害氣體產生，無污染。通過多種方法表征，所得產物形貌均一，物相純凈無雜質。并且本專利技術將具有微米級刺球狀形貌的含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17并將其應用于鉀離子電池負極材料，并經測試發現其電化學性能良好，在20mA/g電流密度時，以K2Ti8O17為負極材料的鉀電池首圈放電容量為275mAh/g；具有良好的容量保持性能，經過50圈循環以后任然有不錯的容量表現。附圖說明為了使本專利技術的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本專利技術提供如下附圖：以下附圖中含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17簡稱為“K2Ti8O17”。圖1中(a)表示具有微米級結構K2Ti8O17的低倍掃描電鏡圖，其中(b)表示具有納米級結構K2Ti8O17的高倍掃描電鏡圖；圖2表示K2Ti8O17的X射線衍射圖譜；圖3表示K2Ti8O17在0.01～3.0V的電壓窗口下以0.2mV s-1的掃速下不同圈數的CV曲線；圖4表示K2Ti8O17在0.01～3.0V的電壓窗口下以20mA/g電流密度測試時不同圈數的充放電曲線；圖5表示K2Ti8O17在0.01～3.0V的電壓窗口下以20mA/g電流密度測試時的循環性能。具體實施方式下面對本專利技術的優選實施例進行詳細的描述。實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規條件或按照制造廠商所建議的條件。以下實施例中，含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17簡稱為“K2Ti8O17”。實施例1含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17的制備步驟具體如下：1)量取1mL的鈦酸四丁酯充分溶解在20mL的乙二醇溶液中，標記為Ⅰ液；稱取4g的氫氧化鉀充分溶解在20mL的去離子水中，標記為Ⅱ液；將Ⅰ液加入到Ⅱ液中并使其充分混合，得到混合均勻的液體，標記為Ⅲ液。2)將上述所得的Ⅲ液轉移到聚四氟乙烯反應釜內膽，裝進不銹鋼外殼，擰緊，在恒溫烘箱中200℃反應24h。3)冷卻至室溫后，將產品過濾收集，并用乙醇和去離子水各洗3遍，60℃真空干燥12h，即得到了白色粉末狀的前驅體。4)將上述前驅體在馬弗爐里空氣氛圍下700℃下煅燒12h，即得K2Ti8O17。將實施例1制備的K2Ti8O17如圖1所示的掃描電鏡圖，其中(a)表示具有微米級結構的K2Ti8O17的低倍掃描電鏡圖；(b)表示具有微米級結構的K2Ti8O17的高倍掃描電鏡圖。由圖1可看出，K2Ti8O17結構形貌均一而且具有較小的尺寸。將實施例1制備的K2Ti8O17粉末進行X射線衍射，得到如圖2所示的X射線衍射圖，由圖2可看出，其與編號為41-1100的標準PDF卡片完全吻合，無明顯雜峰，物相純凈。實施例2含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17的制備步驟具體如下：1)量取1mL的鈦酸四丁酯充分溶解在5mL的乙二醇溶液中，標記為Ⅰ液；稱取2g的氫氧化鉀充分溶解在30mL的去離子水中，標記為Ⅱ液；將Ⅰ液加入到Ⅱ液中并使其充分混合，得到混合均勻的液體，標記為Ⅲ液。2)將上述所得的Ⅲ液轉移到聚四氟乙烯反應釜內膽，裝進不銹鋼外殼，擰緊，在恒溫烘箱中150℃反應36h。3)冷卻至室溫后，將產品過濾收集，并用乙醇和去離子水各洗3遍，100℃真空干燥6h，即得到了白色粉本文檔來自技高網...

【技術保護點】
含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：a、以質量體積比(mL：g：mL：mL)為1:1～8:5～50:5～50稱取鈦酸四丁酯、氫氧化鉀、乙二醇和去離子水，將鈦酸四丁酯與乙二醇溶液混合呈均勻溶液并標記為溶液I，將氫氧化鉀與去離子水混合呈均勻溶液并標記為溶液II，然后將溶液I與溶液II混合至均勻得到溶液III；b、將步驟a所得溶液III在150?240℃恒溫條件下水熱反應6?72h得反應溶液；c、將步驟b所得反應溶液冷卻至20～25℃，過濾溶液得固體，并用乙醇和去離子水清洗固體，將固體在溫度為20～100℃條件下真空干燥6～72h，得到白色粉末狀前驅體；d、將步驟c所得前驅體在馬弗爐里空氣氛圍下400～800℃下煅燒3～72h，即得K2Ti8O17。

【技術特征摘要】
1.含鉀的鈦基氧化物K2Ti8O17的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：a、以質量體積比(mL：g：mL：mL)為1:1～8:5～50:5～50稱取鈦酸四丁酯、氫氧化鉀、乙二醇和去離子水，將鈦酸四丁酯與乙二醇溶液混合呈均勻溶液并標記為溶液I，將氫氧化鉀與去離子水混合呈均勻溶液并標記為溶液II，然后將溶液I與溶液II混合至均勻得到溶液III；b、將步驟a所得溶液III在150-240℃恒溫條件下水熱反應6-72h得反應溶液；c、將步驟b所得反應溶液冷卻至20～25℃，過濾溶液得固體，并用乙醇和去離子水清洗固體，將固體在溫度為20～100℃條件下真空干燥6～72h，得到白色粉末狀前驅體；d、將步驟c所得前驅體在馬弗爐里空氣氛圍下400～800℃下煅燒3～72h，即得K2Ti8O17。2.根據權利要求...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐茂文，韓進，
申請(專利權)人：西南大學，
類型：發明
國別省市：重慶;50