[发明专利]一种具有三明治结构的碳包覆焦磷酸锰钠@还原氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有三明治结构的碳包覆焦磷酸锰钠@氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用，该复合材料由表面均匀分布有碳包覆焦磷酸锰钠颗粒的氧化石墨烯片堆叠构成。在溶有磷源、钠源、锰源及络合剂的水溶液中加入氧化石墨烯后，依次进行超声处理、液氮冷冻及冷冻干燥，得到前驱体；所述前驱体置于保护气氛下，进行热处理，即得具有三明治结构的碳包覆焦磷酸锰钠@氧化石墨烯复合材料，其作为钠离子电池正极材料具有优良的电化学性能，且“Na‑Mn‑P‑O”体系资源丰富，成本低廉，且该制备方法操作简单，商业应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及一种钠离子电池正极材料，具体涉及一种具有三明治结构的碳包覆焦磷酸锰钠与氧化石墨烯的复合正极材料及其制备方法，以及复合材料作为钠离子电池的应用，属于钠离子电池领域。

背景技术

锂离子电池由于具有高能量密度、高稳定性、长寿命等优势，已经迅速占据便携式电子产品(笔记本电脑，智能移动装备，平板电脑等)市场，并不断向电动交通工具领域渗入。但是，锂资源在地壳中储量低，并且地域分布不均，使得锂离子电池在大范围推广应用的过程中锂价不断攀升，导致锂离子电池价格居高不下。因此，锂离子电池在大规模储电领域的应用受到限制。钠离子电池由于钠资源蕴藏量丰富、环境友好，被认为是一种理想的大规模储电应用技术而得到世界的广泛关注。

过去的几十年时间里，科研工作者对钠离子电池的正极材料开展了广泛研究。在现有的正极材料体系中，聚阴离子型化合物体系被认为是最具有商业前景的钠电正极材料体系。在聚阴离子型化合物体系中，焦磷酸盐体系材料由于具有开放的三维通道以及较高的结构稳定性、热稳定性等优势而得到研究者的重视。目前报道较多的焦磷酸铁钠具有极佳的电化学性能，在0.1C的倍率下可逆比容量接近理论比容量95mAh/g。但是Fe²⁺/Fe³⁺的氧化还原电位较低，使得焦磷酸铁钠放电平台较低，因此能量密度不高。焦磷酸锰钠具有97.5mAh/g的理论比容量，以及3.7V(vs Na/Na⁺)以上的高电压，具有更好的储钠性能且成本低廉。然而，由于焦磷酸锰钠材料本身导电性能差，其作为电极材料的倍率性能和循环性能差强人意。此外，目前焦磷酸锰钠材料合成方法多为传统固相烧结法，所得产物粒径大，材料动力学性能差，不利于材料容量的发挥。因此如何提高焦磷酸锰钠的倍率性能、循环性能以及提升材料比容量，成了焦磷酸锰钠作为钠离子电池正极材料研究的关键问题。

发明内容

针对现有的焦磷酸盐体系钠离子正极材料存在的不足，本发明的一个目的在于提供了一种稳定性好，活性物质分散性好，形貌均匀，具有特殊“三明治”结构的碳包覆焦磷酸锰钠@还原氧化石墨烯复合材料。

本发明的另一个目的是在于提供一种重复性好、操作简单、环境友好、成本低廉，具有工业应用前景的制备碳包覆焦磷酸锰钠@还原氧化石墨烯复合材料的方法。

本发明的第三个目的是在于提供一种碳包覆焦磷酸锰钠@还原氧化石墨烯复合材料作为钠离子电池正极材料的应用，制备的钠离子电池中具有高充放电比容量、良好倍率性能和循环稳定性能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种具有三明治结构的碳包覆焦磷酸锰钠@还原氧化石墨烯复合材料，其由表面均匀分布有碳包覆焦磷酸锰钠颗粒的还原氧化石墨烯片堆叠构成。

本发明的技术方案中焦磷酸锰钠颗粒由碳层均匀包覆，不但提高了焦磷酸锰钠颗粒的导电性，可以获得更高的容量发挥和倍率性能，而且碳层包覆层提高了焦磷酸锰钠的热稳定性和化学稳定性，有利于改善其循环性能。同时，碳包覆焦磷酸锰钠颗粒均匀负载在还原氧化石墨烯片的表面，改善了碳包覆焦磷酸锰钠颗粒的均匀分散，获得更高的比表面，提高电化学活性，而还原氧化石墨烯片与还原氧化石墨烯片以堆叠形式构成三明治结构，进一步提高了复合材料的稳定性。