[发明专利]一种焦磷酸钒钠/碳复合正极材料、制备及其应用

说明书

本发明公开了一种钠离子电池多孔焦磷酸钒钠正极材料的制备方法，通过水热法制备颗粒均匀的氮掺杂碳包覆的多孔焦磷酸钒钠微粒。钒源和含氮碳源单体经过水热反应，使得相应的导电聚合物在氧化钒微粒上原位生长，再将水热产物与钠源和磷源球磨得到前驱体，煅烧、洗涤、干燥后得颗粒均匀的氮掺杂碳包覆的多孔焦磷酸钒钠微粒。此外，本发明还公开了采用所述的制备方法制得相应的钠离子电池正极材料。本发明制备方法简单，原料成本低廉。所制备的材料为氮掺杂碳包覆的多孔焦磷酸钒钠，水热法在钒源表面原位生成导电聚合物，调控材料形貌与碳层的均匀性，该材料用于钠离子电池，展示出优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于钠离子电池领域，具体涉及一种钠离子电池正极材料焦磷酸钒钠及其形貌调控与碳包覆的制备方法。

背景技术

人类社会的生存与发展与能源密切相关，化石能源如煤炭、石油、天然气等自然资源的普遍应用促进了世界的发展与社会的进步。然而，随着人类的发展和社会的进步，全世界范围内能源消耗一直在保持着正的增长。由于地球上的这些矿物能源有限，能源危机便成为了新世纪时代的主题。为了解决该问题，大规模储能技术成为了一个重要的研究领域。

在众多储能技术中，二次电池在能源存储和转化方面具有重要意义。锂离子电池目前占据了便携式移动电子设备的主要市场，而且正在向混合电动汽车市场方向飞速发展，这将导致锂的需求量将大大增加，然而地球上锂的资源非常有限，基于这种现状和需求，储量丰富的钠进入了人们的视野，钠与锂位于同一主族，具有相似的化学性质，且钠元素在地壳中的含量远远高于锂，所以，钠离子电池是一种非常有前景的二次电池。

目前，基于材料开发成本以及应用前景的考虑，钠离子电池中研究最多的、最受科研人员关注的当属钠离子电池正极材料。目前报道的储钠正极材料主要有聚阴离子型化合物、普鲁士蓝类钠盐和过渡金属氧化物。过渡金属氧化物有钴酸钠、锰酸钠等，其特点在于容量较高，但是循环性能差，特别是在高电压下，耐过充性能和热稳定性能差。普鲁士蓝类钠盐Na_xM_y[Fe(CN)₆](M＝Fe，Co，Ni，Cu等)是一类含有变价过渡金属的配合物，这类化合物具有完整的立方晶型，具有三维的空间结构，存在着大量配位空隙，有利于钠离子的可逆脱出和嵌入，但这类化合物的容量衰减机制尚不清楚，性能还有待提高。聚阴离子型化合物主要有过渡金属(焦)磷酸盐，氟磷酸盐等；磷酸盐类化合物常以快离子导体型或橄榄石结构稳定存在，含有较大的离子通道和三维开放性的结构骨架；而且过渡金属磷酸盐的框架结构较为稳定，用于正极时充放电过程中，具有较好的循环稳定性和较高的安全性能，但是这类材料的主要缺点是电子电导率低，高倍率放电时容量衰减大。所以如何解决聚阴离子型化合物电子导电率低是研究的重点与热点，近年来，主要的方法集中在表面改性、粒子掺杂和颗粒纳米化。表面改性一般是通过包覆等手段材料表面包覆一层导电率高的材料，比如碳包覆，从而提高材料整体导电性；离子掺杂主要是通过金属、非金属离子的掺杂来提高物质的本征导电性；颗粒纳米化是通过将材料制备成纳米尺寸的微粒，减小电子、离子的迁移来提高导电性。而提高导电性的方法也从单一的包覆、掺杂和纳米化发展为多种途径结合来提高材料的导电性。

发明内容

本发明第一目的在于提供一种焦磷酸钒钠/碳复合正极材料。

本发明第二目的在于提供一种焦磷酸钒钠/碳复合正极材料的制备方法，旨在提供一种工艺简单、重复性好、成本低廉、环境友好的制备方法。

本发明第三目的在于提供所述的正极复合材料的在钠离子电池领域的应用，旨在通过所述的正极材料，提升钠离子电池的电化学性能。

一种焦磷酸钒钠/碳复合正极材料，以多孔焦磷酸钒钠为核，核的表面包覆有多孔的壳层；所述壳层材料为氮掺杂碳材料。

本发明所述结构的复合正极材料为多孔的纳米结构，表面包覆有掺氮碳，很好的解决了焦磷酸钒钠电子导电性差的缺点；具有优异的电学性能，例如，良好倍率性能和长循环稳定性能。