[发明专利]碳包覆磷酸钛锰钠微米球及其制备方法和应用

说明书

本涉及碳包覆磷酸钛锰钠微米球电极材料及其制备方法，该材料可作为钠离子电池的正极活性材料，包括如下步骤：1)将碳源，锰源，磷酸二氢钠粉末及二(2‑羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛依次加入去离子水中，搅拌溶解；2)在步骤1)所得溶液进行喷雾干燥，获得前驱体；3)将步骤2)所得到的前驱体在惰性气体氛围进行煅烧，煅烧后即得到Na₃MnTi(PO₄)₃@C微米球。本发明的有益效果在于：作为钠离子电池正极材料，表现出高的可逆容量，良好的循环稳定性和较高的倍率性能。其次，该合成方法简单，产率高，利于市场化推广，同时为探索大规模合成优异性能的纳米材料做出了努力。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学领域，具体涉及碳包覆磷酸钛锰钠微米球电极材料及其制 备方法，该材料可作为钠离子电池的正极活性材料。

背景技术

一直以来，能源和环境问题都是当今世界最受关注的议题，然而随着能源需求的不断增 大，环境污染也日渐严峻，人们面临着化石能源枯竭和环境恶化的窘境，新的能源体系亟待 探索。大力发展新能源，实现可持续发展，是解决这一问题的根本途径。太阳能、风能、潮 汐能、水能、地热能、海洋能、生物质能等新能源虽然具有天然的自我再生功能，但这些新 能源体系有很强的地域性和间歇性，将它们有效利用仍面临着众多技术问题。因此，开发高 效便捷的储能技术对于改变能源结构，发展新能源至关重要。

二次电池由于能够反复充放电，效率高、环境适应性强，具有优异的经济实用性，而成 为储能研究的主要方向。其中，锂离子电池因其高电压和高能量密度受到广泛应用，然而地 球上锂资源储备有限，锂离子电池的广泛应用加剧了锂资源的短缺，同时极大地限制了电动 汽车和大规模储能两大产业的发展。因此，发展资源丰富和价格低廉的新型储能体系——以 钠为基础原料的钠离子电池被人们广泛关注。钠离子电池以储量丰富、价格低廉以及与锂离 子电池相近的电化学性质等优势更适用于大规模电网储能设备以及电动汽车用储能电池，也 逐渐成为储能领域的研究热点。钠离子电池的电化学性能主要取决于电极材料的结构和性能， 通常认为，正极材料的性能(如比容量、电压和循环性)是影响钠离子电池能量密度、安全 性以及循环寿命的关键因素。因此，正极材料性能的改善和提升，以及新型正极材料的开发 和探索一直是钠离子电池领域的研究热点。在众多正极材料中，聚阴离子型化合物因为其独 特的NASICON结构、高理论能量密度、良好的热力学稳定性及较大的内部离子扩散通道而 成为最有希望的材料之一。然而这类材料本征电子电导率低，导致其库伦效率偏低，循环稳 定性差，同时，在电化学反应过程中，材料两相反应机制引起晶格体积变化，进一步降低其 可逆性和循环性，因此，改善材料的循环稳定性，提高倍率性能，成为目前研究工作中的重 点。

由自然界含量丰富的钛锰组成的具有NASICON结构的Na₃MnTi(PO₄)₃安全无毒，与碳 复合形成Na₃MnTi(PO₄)₃@C又能进一步克服其导电性差的缺陷，作为钠离子电池正极材料时 展现出优异的电化学性能。在0.2C的倍率下，容量可达160mAh g^-1,在2C的倍率下循环500圈，容量仍能保持92％。该结果表明Na₃MnTi(PO₄)₃@C微米球材料具有优异的高倍率特性，是钠离子电池的潜在应用材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳包覆磷酸钛锰钠(Na₃MnTi(PO₄)₃@C)微米球电极材料及 制备方法，其制备过程简单，能耗低，大批量获得的Na₃MnTi(PO₄)₃@C微米球电极材料具有 良好的电化学性能，解决了钠离子电池正极材料电压平台较低，库伦效率较差，容量快速衰 减等缺点。