[发明专利]一种掺杂硅酸铁钠电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种掺杂硅酸铁钠电极材料及其制备方法和应用，所述电极材料的分子式为Na_2‑yFe_1‑xMn_xSiO_4‑yF_y，其中0x≤0.2，0y≤0.3。本发明利用锰、氟阴阳离子共掺杂对硅酸铁钠进行改性，锰、氟发挥良好的协同效应，大幅提高了硅酸铁钠电极材料的电化学性能，所得电极材料具有高导电性、高电压、高比容量、高倍率特性和长循环寿命，在性能上具有明显优势。本发明提供的制备方法可通过简单球磨法一次合成，工艺简单，可控性强，成本低，具有良好的经济效益和应用前景。

技术领域

本发明涉及钠离子电池正极材料技术领域，具体涉及一种掺杂硅酸铁钠电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着人类日益增加的化石能源消耗，雾霾、温室效应等环境问题日益严重。各国都在将基于化石燃料的经济模式向基于新能源为基础的经济模式转变，发展可再生能源和清洁能源是我国经济和社会发展的一项重大战略任务。社会的高速发展对高安全性、低成本储能技术的需求迫在眉睫。目前，锂离子电池是使用也是研究最为广泛的储能电池，但是由于金属锂的储量有限，价格逐年攀升，以及大规模储能技术的需求，使得钠离子电池的研究逐渐吸引关注。

从成本、能耗、资源等角度来说，钠离子电池在规模化储能方面具有很大的市场竞争优势。由于钠离子的半径比锂离子大，当前的研究关键是开发能够稳定快速脱嵌钠离子的电极材料。

在诸多钠离子电池正极材料中，硅酸盐因具有出色的化学稳定性，且硅资源丰富和环境友好等优点而备受青睐，但硅酸铁钠的合成较为困难，合成方式仍存在一定局限。

Shouding Li等人首次通过固相法和溶胶凝胶法合成了Na₂FeSiO₄材料，在作为钠离子电池正极材料时，在10mA g^-1电流密度下，循环20周容量可保持在106mAh g^-1(Li S,Guo J,Ye Z,et al.Zero-strain Na₂FeSiO₄as novel cathode material for sodium-ionbatteries.ACS applied materialsinterfaces,2016,8(27):17233-17238)。WenhaoGuan等人则通过溶胶凝胶法合成了Na₂FeSiO₄/C电极材料，材料呈三维交联网状结构，在与碳复合后，材料的循环性能明显提升。在0.1C(1C＝276mA g^-1)电流密度下，循环100圈容量仍能保持在181mAh g^-1，而纯的Na₂FeSiO₄材料则在循环40圈后容量衰减到100mAh g^-1左右(Guan W,Pan B,Zhou P,et al.A high capacity,good safety and low cost Na₂FeSiO₄-based cathode for rechargeable sodium-ion battery.ACS applied materialsinterfaces,2017,9(27):22369-22377)。

另外，在硅酸铁钠的应用方面，CN107492630A公开了一种钠离子电池柔性电极材料及其制备方法和钠离子电池，该电极材料包括：多根碳纳米纤维组成的碳纳米纤维网络骨架，和分布在多根碳纳米纤维之间的主体材料颗粒，所述主体材料颗粒可以为Na₂FeSiO₄。CN108134089A公开了一种高担量活性物质电极的制备方法，该方法在电极浆料制备过程中加入造孔剂，电极浆料经涂覆设备刮涂在铝箔集流体上，形成电极-集流体一体化电极，其中电极浆料中的电极活性物质可以为硅酸铁钠。