[发明专利]一种含有含氟磷酸钛化合物的复合材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有含氟磷酸钛化合物的复合材料及其制备方法和用途，特别涉及所述复合材料在锂离子电池和钠离子电池中的应用。

背景技术

目前，对能源需求的日益增加刺激了对高效、低成本和环境友好的替代能量转化和储存系统的研发。与其它能量储存器件相比较，锂离子电池具有高的能量密度，可以将核能、太阳能、风能、潮汐能转化成的电能存储起来，在供电不足的情况下再将电能释放出来以满足人们对电能的需求。

到目前为止，石墨仍然是可充电的锂离子电池的主要阳极材料，其工作原理为：在放电和充电的过程中锂离子分别在石墨层间嵌入和拔出。氧化物嵌入材料的密度是石墨的两倍，将会使最终制备的电池的体积能量密度提高大约两倍。对于电子和电动汽车应用，体积能量密度是一个非常重要的参数，因而氧化物嵌入材料非常有吸引力[1]。氧化物嵌入材料中电压最低的是钛酸盐（例如，Li₄Ti₅O₁₂），但其嵌锂电位（即放电电位）相对于Li⁺/Li约为1.6V，仍然非常高。与石墨的嵌锂电位约0.1V相比较，将会使总的电池电压减半，抵消了使用高密度氧化物的好处。

由于具有低嵌锂电压（即低放电电位）（约0.1V）的过渡金属氧化物Li_1+xV_1-xO₂理论体积容量为1360mAh cm^-3，比石墨高将近一倍，因此近年来，Li_1+xV_1-xO₂的研究受到广泛的关注[1-5]。但是，这一材料含有有毒元素V，对环境不友好。因此，仍然非常迫切需要找到其它低电压、高密度的负极材料。

Yang等人在文献[6]中报道了一种含有氟的磷酸钛化合物（Na₃[Ti₂P₂O₁₀F]），这一材料具有较高的离子电导率，由TiFO₅八面体和PO₄四面体构成，其中TiFO₅八面体和PO₄四面体经过共用四个氧原子交替地连接，方网层仅仅通过共用TiFO₅八面体上的F原子相互连接，形成的框架结构含有两维六环通道。

大规模的电能储存要求电池系统不仅具有足够高的储存容量，也要求该系统是成本有效和环境友好的。近年来，与锂离子电池相比，由于钠丰富的自然资源和低的成本，作为电能储存应用，钠离子电池引起了广泛的关注[7,8]。在这一背景下，要求研发新型先进能源材料推动这一技术。尽管大量过渡金属氧化物[9,10]、磷酸盐[11,12]、氟磷酸盐[13]、六氰化物[14]和聚合物[15]对于钠离子嵌入和拔出反应已经显示出相当大的容量和循环能力，但是其能量密度和倍率能力距离电池应用的要求还很远，这是因为钠离子的半径()比锂离子的()大很多，导致慢的钠离子迁移动力学。因此，对于设计高性能的钠离子电池非常需要发现具有开放结构的材料。

参考文献

[1]Armstrong A.R.,Lyness C.,Panchmatia P.M.,Islam M.S.,Bruce P.G.,The lithium intercalation process in the low-voltage lithium battery anode Li_1+xV_1-xO₂,Nature Materials,2011,10,223-229.

[2]Choi N.S.,Kim J.S.,Yin R.Z.,Kim S.S.,Electrochemical properties of lithium vanadium oxide as an anode material for lithium-ion battery,Mater.Chem.Phys.,2009,116,603-606.