[发明专利]三维分级碳包覆NaTi2(PO4)3/C微米花电极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种三维分级碳包覆NaTi₂(PO₄)₃/C微米花电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

面对日益严重的环境挑战、资源紧缺，大力发展可再生清洁能源是人类必须面对和解决的一个问题。电化学储能技术符合当今能源的发展方向，其中锂离子电池具有能量密度大、循环寿命长、工作电压高、无记忆效应、工作温度范围宽、安全性高等优点，广泛应用于各种便携电子设备、混合动力汽车，甚至纯电动汽车。这不仅对锂资源的需求量大大增加，也对锂离子电池提出了更高要求。而锂的储量有限且分布不均，锂离子电池的功率密度较低，则同时限制了锂离子电池在混合动力汽车及纯电动汽车中的应用。因此，新一代综合性能优异的储能电池体系是当前低碳经济时代的研究前沿和热点之一。同属碱金属的钠元素，具有与锂类似的物理化学性质，在地球上储量十分丰富，分布广泛、提取简便、成本低廉。对应的钠离子电池也具有与锂离子电池类似的工作原理，工作电势较锂离子电势高，电解质的选择范围更广。所以，钠离子电池有望成为替代锂离子电池的新一代储能电池体系。由于钠离子半径大于锂离子半径，钠元素的相对原子质量高于锂，使得钠离子在电池材料中嵌入与脱出更难。故选择合适的钠离子电池电极材料，是提高钠离子电池技术的关键。

纳米材料具有高的比表面积以及较好的反应活性，用作电极材料时与电解液接触面积大、可以缩短离子传输距离，能有效提高材料的电化学活性；在获得高倍率长寿命的电化学性能方面具有显著的优势。另一方面，NASICON(钠超离子导体)类材料，具有三维开放的离子输运通道，结构中有大量Na空位，具有高的离子迁移速率，因此是钠离子电池电极材料的研究热点。磷酸钛钠(NaTi₂(PO₄)₃)属于典型的NASICON类材料，具有稳定的三维框架结构，较高的比容量，良好的热力学稳定性，以及绿色无毒等优点被用作钠离子电池电极材料引起了人们的广泛关注。但是，由于磷酸根产生的诱导效应以及磷酸基团的电子绝缘性，导致NaTi₂(PO₄)₃的电子导电性低，用作电极材料时存在循环稳定性差，高倍率性能差的问题。

为了提高NaTi₂(PO₄)₃的电化学性能，研究者们采取了很多措施，例如控制材料尺寸、设计多孔结构、碳包覆及离子掺杂等。分级结构因具有低维的构筑单元，统一的次级形貌，获得了高比表面积并且与电解液良好接触；进而促进钠离子的扩散，并减小充放电过程中的结构体积变化。此外，分级结构在循环过程中可以有效抑制自团聚现象，故分级结构的微纳米电极材料展现出极大的优势。但是通过简单的溶剂热法结合高温煅烧方法，合成一种三维分级碳包覆NaTi₂(PO₄)₃/C微米花并用作钠离子电池电极材料仍未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种三维分级碳包覆的 NaTi₂(PO₄)₃/C微米花及其制备方法，其工艺简单、符合绿色化学的要求，并具有优良的电化学性能。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种三维分级碳包覆NaTi₂(PO₄)₃/C微米花，其直径约为5-10μm；碳包覆NaTi₂(PO₄)₃/C纳米片亚单元厚度仅为1-5nm，且其内部有孔径大小为2-30nm的介孔，其表面碳层厚度为2-5nm，所述的纳米片亚单元相互搭接形成了一个三维导电网络。

所述的三维分级碳包覆NaTi₂(PO₄)₃/C微米花的制备方法，包括有以下步骤：

1)将钛源滴加到一定量的乙二醇溶液中进行搅拌，得到无色透明溶液；

2)依次将相应量的钠源、磷源、碳源溶解在一定量的去离子水中，然后滴加到步骤1) 所得的溶液中继续搅拌；

3)将步骤2)所得的混合溶液转移到反应容器中进行水热反应后，自然冷却至室温，将产物进行直接干燥得到前驱体固体；