[发明专利]一种过渡金属掺杂的磷酸钛锰钠/碳复合正极材料及其制备和在钠离子电池中的应用

说明书

本发明属于钠离子电池材料领域，具体公开了一种过渡金属掺杂的磷酸钛锰钠/碳复合正极材料，为过渡金属掺杂的磷酸钛锰钠与碳材料的复合材料，所述的过渡金属掺杂的磷酸钛锰钠的化学式为Na₃Mn_1‑xM_xTi(PO₄)₃，其中，0＜x≤0.2；M为过渡金属Fe、Co或Ni。本发明还公开了所述的复合正极材料的制备以及应用。本发明人发现，通过所述的过渡金属部分替换磷酸钛锰钠晶格中的锰，可以明显提升电学性能，特别是明显提升在大电流下的容量发挥；其用作钠离子电池正极材料表现出高电压、高容量和极佳的循环稳定性。该制备方法操作简单，商业应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及一种高能钠离子电池正极材料，具体涉及一种钠的快离子导体型正极材料，以及该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引起锂价不断攀升，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，钠的快离子导体型正极材料具有较好的结构稳定性、热稳定性等优势而得到成为研究的热点。此外，其三维离子通道有利于快速导钠，因此此类正极材料往往表现出出色的大倍率性能。钠的快离子导体材料中，以磷酸钒钠(Na₃V₂(PO₄)₃)的研究最为广泛。Na₃V₂(PO₄)₃电压平台仅为3.3～3.4V，且金属钒价格昂贵，钒源有毒，不利于大规模产业化应用。最近，一种新型钠的快离子导体材料Na₃MnTi(PO₄)₃被提出，表现出3.5V和4.1V两个反应平台的高电压特性。然而Na₃MnTi(PO₄)₃的电导率低，容量难以发挥，且倍率性能极差。

发明内容

针对现有钠离子电池正极材料存在的不足，本发明的提供了一种高能量密度，高倍率的过渡金属掺杂钠的磷酸钛锰钠/碳复合正极材料(本发明也称为快离子导体型正极材料，Na₃Mn_1-xM_xTi(PO₄)₃/C或者简称复合正极材料)。

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高能钠离子电池正极复合材料Na₃Mn_1-xM_xTi(PO₄)₃/C的方法。

本发明第三目的在于，提供一种过渡金属掺杂的磷酸钛锰钠/碳复合正极材料在钠离子电池中的应用。

本发明第四目的在于，提供了一种包含过渡金属掺杂的磷酸钛锰钠/碳复合正极材料的正极。

本发明第五目的在于，提供一种组装有本发明创新性正极的钠离子电池。