柠檬酸辅助溶胶凝胶法合成钾离子电池多孔磷酸钒钾/碳正极材料

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钾离子电池是极具潜力的廉价储能电池。具有稳定开放NASICON结构的K3V2(PO4)3具有工作电压高、热稳定好等优点,是一种理想的钾离子电池正极材料,但存在其晶体结构不明确、实际比容量偏低等问题。本文采用第一性原理计算和XRD的Rievelted精修、同步辐射吸收光谱(EXAFS)等手段研究了K3V2(PO4)3的结构。结果表明合成的K3V2(PO4)3为正交结构、Pnna空间群,K3V2(PO4)3的带隙为1.1e V,扩散能垒为0.501e V。在此基础上,用柠檬酸辅助溶胶凝胶法制备了多孔K3V2(PO4)3/C正极材料,并探究了煅烧温度与煅烧时间对材料的晶体结构、和电化学性能的影响。结果表明随着煅烧温度不断增加,材料的晶胞体积和粒径逐渐变大,而应变则逐渐减少。材料的晶胞体积随着煅烧时间的不断延长逐渐变大,而粒径和应变先减小后增大。材料的比表面积、放电比容量、电荷转移阻抗、钾离子扩散系数则随煅烧温度和煅烧的时间的增加先增大后减小。煅烧温度为800℃、煅烧时间为12h制备的K3V2(PO4)3/C是由碳包覆KVP纳米离子和介孔组成的三维多孔材料,具有较高的初始容量(20m A/g下96 m Ah/g)及较好的的倍率性能(200m A/g下47 m Ah/g、400m A/g下37m Ah/g)。电化学性能的提高可归因于三维多孔的导电结构,它不仅提高了材料的电导率,促进电解液的渗透,降低电极极化,提升钾离子的扩散动力学,增强电极材料的结构稳定性。本文有关K3V2(PO4)3结构方面的研究结果可为进一步研究其结构与性能方面的研究提供基础数据。合成三维多孔导电结构的策略可为开发高性能钾离子电池的发展提供借鉴。
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