[发明专利]一种钠离子电池负极材料三磷酸铁钠及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钠离子电池负极材料三磷酸铁钠及其制备方法。该方法包括：将钠盐或钠的碱性化合物、铁盐或铁的氧化物、磷酸盐或磷的氧化物前驱体充分均匀混合，在还原性气氛或惰性气氛中200~400℃进行预处理后，既可以在惰性气氛中也可以在还原性气氛下700~900℃处理6‑24h制得三磷酸铁钠。该方法还包括在制备过程中加入碳材料，对产物进行碳包覆。碳材料在前驱体混合时加入或在烧结反应时加入。本发明方法工艺简单，操作容易，预处理和烧结过程既可以在惰性气氛中进行，同时也可以在还原气氛中进行，适用于工业化生产高性能钠离子电池负极材料三磷酸铁钠。所得三磷酸铁钠性能良好，有希望成为下一代钠离子电池负极材料。

技术领域

本发明涉及一种钠离子电池负极材料，具体涉及一种钠离子电池负极材料三磷酸铁钠 [Na_xFe₄(PO₄)₃(1.1≦x≦1.2)] 及其制备方法。

背景技术

具有优异电化学性能的锂离子电池是目前最成熟和最具发展潜力的能量存储器件，已广泛应用在各种小型便携式电子设备中，并逐渐开始应用在混合动力汽车和电动汽车等大型设备中。随着锂离子电池的应用领域越来越广泛，金属锂的价格及其资源的局限性引起人们的关注。与此同时，由于钠与锂在元素周期表上相邻，并处于同一主族，它们具有许多相似的物理化学性质。另外，钠元素在地球上的资源非常丰富，分布非常广泛，可以说无处不在。因此，钠离子电池很快便引起科学家们的关注，有望成为继锂离子电池的另一个热门的储能体系。

相比起锂离子电池，钠离子电池的发展具有以下几点优势：(1) 由于钠与锂的物理化学性质相类似，导致锂离子电池和钠离子电池的工作原理一样，因此科学家们可以借鉴过去20多年的锂离子电池研究经验快速开发出综合电性能优异的钠离子电池；(2)钠元素在地球底壳含量非常丰富，制备简单，相比起锂元素具有明显的成本优势；(3)金属钠的电极电位比金属锂要低0.3V左右，因此可以利用分解电位比较低的电解质盐和溶剂，从而使电解质的选择性更多。然而，钠离子电池也具有比较明显的缺点。首先，金属钠相对金属锂更加活泼，其对实验环境要求更加苛刻，需要严格控制氧气和水分。其次，由于钠离子的半径要比锂离子的半径大，从而导致钠离子更加不易从电极材料中脱嵌；最后，钠原子要比锂原子重，而且具有比较高的电极电位，所以钠离子电池的工作电压及能量密度相对要低。然而，由于钠具有资源丰富及成本低廉等优势，因此钠离子电池在对体积要求不高的电网级(MWh)储能电池体系中仍具有很大的发展潜力和应用前景

目前钠离子电池负极材料主要包括硬碳、合金和钛基化合物。硬碳是应用最广的一类钠离子电池负极材料，但由于钠离子半径较大，在石墨层间的嵌/脱较困难，而且首次充放电时易形成不可逆SEI钝化层，导致首周库伦效率降低，这是制约该类碳材料应用的主要因素。金属单质或者合金在钠离子嵌入/脱出过程中存在严重体积膨胀，造成容量快速衰减，电极稳定性降低。

本发明通过适合工业化生产的简单工艺，首次合成了另一种全新的磷酸盐聚阴离子负极材料——三磷酸铁钠，开辟了另一钠离子电池负极材料的全新领域。目前还没有文献报道三磷酸铁钠这一化合物，因此，也就没有任何文献报道该类型磷酸盐在钠离子电池负极材料方面的应用。三磷酸铁钠[Na_xFe₄(PO₄)₃(1.1≦x≦1.2)]材料作为钠离子电池负极材料性能优异，嵌钠电位低（0.5~1.5V），比容量高（首次放电比容量达600 mAh g^-1）。尽管Na_xFe₄(PO₄)₃(1.1≦x≦1.2)的循环稳定性稍微一般，仍然为寻找新的钠离子电池负极材料提供了一条道路。本发明详细叙述了一种新型钠离子电池负极材料三磷酸铁钠[Na_xFe₄(PO₄)₃(1.1≦x≦1.2)]的制备方法，并研究了其电化学特性。

发明内容