[发明专利]一种碳包覆磷酸钒猛钠复合材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种钠离子电池正极材料，特别涉及一种碳包覆Na₄MnV(PO₄)₃构成的复合材料和固相合成Na₄MnV(PO₄)₃/C的方法，以及Na₄MnV(PO₄)₃/C作为钠离子正极材料的应用，属于钠离子电池领域。

背景技术

随着锂离子电池已经在3C产品及电动车领域取得了快速发展，并表现出良好的发展前景的同时，由于金属锂资源在地壳丰度的匮乏，锂离子电池难以满足在大型储能领域中的大规模应用，其制造成本也将随锂资源的匮乏呈不断上升的趋势。与锂元素相比，钠元素在地壳中储量丰富且来源更加广泛，且钠元素与锂在元素周期表中处于同一主族，所以与锂有着相似的理化性质。因此，相对低廉的制造成本及与锂离子电池相媲美的钠离子电池成为一种最具潜力的可实现产业的大规模储能用的电池体系。然而，由于钠离子的离子半径要比锂离子的离子半径大，使得在动力学上钠离子在电极材料中嵌入与脱出比锂离子更加困难，且钠离子相对较正的氧化还原电位和较大的原子质量，使得钠离子电池正极材料的电压偏低，能量密度不高。因此，提高钠离子电池正极材料电压及能量密度的成为研究的重点。

与锂离子电池类似，在钠离子电池正极材料中，比较有代表性的是P2型和O3型层状氧化物体系，如P2-Na_2/3[Fe_1/2Mn_1/2]O₂，O3-NaFe_0.5Co_0.5O₂，但层状材料在有机电解液中不稳定，在高电压下容易发生分解，导致电池循环性能较差。聚阴离子型正极材料体系中，Na₂Fe₂(SO₄)₃具有3.8V的理论平台，具有与锂离子电池相媲美的平台但由于硫酸盐体系具有吸湿性容易引起材料表面中毒效应，导致了材料制备过程对生产环境要求苛刻、材料性能不稳定等问题。磷酸盐体系具有三维晶体结构，具有良好的热稳定性和电化学稳定性，但是材料的电压相对于硫酸盐体系较低。钒源价格昂贵，地壳丰度低，相比较锰源具有价格低廉，来源广泛。采用锰基的磷酸盐正极材料能有效地降低钠离子电池的制造成本。

发明内容

针对现有技术中钠离子电池材料存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种包覆均匀、性质稳定、晶相单一及电化学活性高的Na₄MnV(PO₄)₃/C复合材料。

本发明的另一目的在于提供一种条件温和、操作简单、成本低廉的制备Na₄MnV(PO₄)₃/C复合材料的方法，该方法能够实现大规模生产。

本发明的第三个目的是在于提供所述Na₄MnV(PO₄)₃/C复合材料应用作为钠离子电池正极材料的应用，钠离子电池表现出高能量密度、高工作电压、良好的循环稳定性能以及优异的倍率性能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种Na₄MnV(PO₄)₃/C复合材料，其由碳包覆Na₄MnV(PO₄)₃颗粒构成。本发明的技术方案通过有机物热解产生碳原位均匀包覆在Na₄MnV(PO₄)₃颗粒表面，改善了Na₄MnV(PO₄)₃颗粒材料表面的电子导电性，使复合材料具有良好的倍率性能。同时，碳包覆改善了活性材料与电解液之间的界面稳定性，能有效地提高电池的循环寿命。

优选的方案，Na₄MnV(PO₄)₃颗粒粒径为70～2000nm。

优选的方案，Na₄MnV(PO₄)₃颗粒的碳包覆层厚度为3～50nm。