[发明专利]一种磷酸钒钠/碳复合正极材料及其微波辅助合成与应用

说明书

本发明一种磷酸钒钠/碳复合正极材料及其微波辅助合成与应用，其中方法包括：将磷酸二氢钠与偏钒酸铵按化学计量比混合溶解得混合液一，然后加入体积分数为30.0％～36.7％的甘油，搅拌混合均匀得混合液二，磷酸二氢钠的浓度为180～210mmol/L，偏钒酸铵的浓度为120～140mmol/L；将混合液二置于微波水热反应器中，升温至175～185℃下反应15～90min；反应结束后，自然冷却至室温，得灰绿色悬浮状沉淀；过滤、冷冻干燥后升温至700～800℃，煅烧6～10h，即得。本发明采用微波水热法能快速合成NVP前驱体与甘油的复合物，再经煅烧制备出具有三维片花结构的磷酸钒钠/碳复合物正极材料，该三维片花结构由二维纳米薄片组成，作为钠离子电池正极材料具有优异的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及钠离子电池电极材料技术领域，特别涉及一种磷酸钒钠/碳复合正极材料及其微波辅助合成与应用。

技术背景

随着化石资源的枯竭，以及环境污染问题的日益突出，能源问题已成为当今社会关注的焦点。应对日益严峻的能源挑战，利用可持续清洁能源发电是关键。然而，常见的可再生清洁能源如风能、太阳能、潮汐能等稳定性和持续性差，所产生的电能无法直接并入电网中使用。因此，迫切地需要发展安全、高效、经济的储能技术。锂离子电池因能量密度高、使用寿命长、安全性高等优点，受到广泛的研究和应用。然而锂的储量有限(仅占地壳的0.0065％)，价格昂贵，限制了其在大面积储能中的应用。钠与锂有许多相似的物理化学性质，且其储量丰富(约占地壳的2.86％)，因此钠离子替代锂离子的钠离子电池受到广泛的关注。但是钠离子具有较大的离子半径和较慢的动力学速率，制约了其商业化的进程。

斜方晶系的磷酸钒钠，分子式为Na₃V₂(PO₄)₃(缩写为NVP)，具有钠快离子导体结构(NASICON)，具有很高的钠离子扩散系数，且钠离子嵌入/嵌出过程体积变化小，电压平台适中(3.4V)，理论比能量高(400Wh/kg)、热稳定性好，因此作为很有前景的钠离子电池正极材料备受研究者们关注。但是磷酸钒钠的导电性较差，导致其实际储钠容量较低，倍率性能较差。碳包覆和构筑多级纳米结构被认为是提高磷酸钒钠电化学性能的两个有效途径：碳包覆能够有效提高颗粒间的电子传输速率；多级纳米结构一方面能够提供大的比表面积，提高电极材料与电解液的接触反应面积；另一方面能够减小电子和离子在磷酸钒钠颗粒内部的传输距离，并提供连续的电子传输路径，从而提高电子和离子的整体传输速率。

目前，研究者们普遍采用模板法来合成磷酸钒钠/碳复合物的多级结构。如申请公布号CN 108134082A的专利文献公开了一种模板法和高温球磨法相结合来合成磷酸钒钠的方法，制备得到纳米片堆积花状结构的NVP，其具体操作过程中利用原材料合成的中间相为模板，然后球磨中间相，高温煅烧得到纳米片堆积的花状结构的NVP。但该申请案存在以下缺点：能耗大、流程冗长，产物不均一。本发明拟提供一种微博辅助合成磷酸钒钠/碳复合正极材料的方法及合成的磷酸钒钠/碳复合正极材料在钠离子电池中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种磷酸钒钠/碳复合正极材料及其微波辅助合成与应用。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

提供一种微波辅助合成磷酸钒钠/碳复合正极材料的方法，具体包括如下步骤：

(1)制备前驱体反应溶液：将磷酸二氢钠与偏钒酸铵按化学计量比(3：2)混合，并溶解于去离子水中形成磷酸二氢钠与偏钒酸铵的混合液一，然后往混合液一中加入甘油作为碳源和形貌调控剂，搅拌混合均匀得到磷酸二氢钠、偏钒酸铵与甘油的混合液二，甘油占混合液二的体积分数为30％～36.7％；，混合液二中：磷酸二氢钠浓度为180～210mmol/L，偏钒酸铵浓度为120～140mmol/L；磷酸二氢钠浓度：偏钒酸铵浓度为3：2；