[发明专利]一种高性能钠缺陷型正极材料及钠离子电池

说明书

本发明提供了一种高性能钠缺陷型正极材料及钠离子电池，属于无机材料领域。本发明提供了一种高性能钠缺陷型正极材料，化学式如下：Na_4‑x□xFeV(PO₄)₃，其中，0x≤0.6。本发明提供的钠离子电池的正极的原料包括：Na_4‑x□xFeV(PO₄)₃、至少一种导电材料以及至少一种聚合物粘合剂。本发明不仅降低了NASICON型磷酸盐的制造成本，还激发超过2个钠离子在NASICON型里磷酸盐结构中的电化学活性，在钠离子电池中展现出了极高的稳定性、优异的倍率性能以及出色的库仑效率。本发明提供的钠离子电池具有较高的工作电压和良好循环性能。

技术领域

本发明涉及一种高性能钠缺陷型正极材料及钠离子电池，属于无机材料领域。

背景技术

目前，社会对电子设备、电动汽车和智慧电网的需求不断增长，使得开发低成本高性能的储能系统成为一个主要问题(Tarascon and Armand,2001；Dunn,Kamath andTarascon,2011)。锂离子电池(LIBs) 被广泛应用于移动电子产品和电动汽车等领域，然而，对于智慧电网等大型储能系统而言，电池主要材料在地球中的含量和成本成为了影响其发展的关键因素。目前在地壳中由于锂资源储量有限和地域分布不均而使其成本随着需求的增长而逐年增加(Tarascon,2010)。因此，寻找其他低成本的电池系统来代替锂离子电池是较为迫切的。钠离子电池(SIBs)具有广泛的钠储量和较低的成本，是目前十分具有发展前景的可充电电池(Slateret al.,2013；Hwang,Myung and Sun,2017)。然而，钠离子电池面临的挑战之一如何构筑具有优异电化学性能且可以实际应用的电极材料。

研究人员付出了许多努力来开发用于新型钠离子电池电极材料，特别是正极材料。目前有两类正极材料受到了极大关注，分别是钠的层状氧化物和聚阴离子材料。在这方面，关于层状氧化物(Doubaji et al.,2014；Hwang et al.,2019；Xiao etal.,2019)和聚阴离子材料如磷酸盐(Jian et al.,2012；Kim et al.,2013)、氟磷酸盐和硫酸盐(Barpanda et al.,2014；Dwibedi et al.,2016；Lander,Tarascon and Yamada,2018)的报道很多。层状氧化物以其高容量著称，但其循环性能较差(Kleiner et al.,2018)，而聚阴离子材料具有较高的工作电压和良好的循环性能，展现了较好的应用前景(Zhu et al.,2017；Yan et al.,2019)。在所有的聚阴离子化合物中，与热分解低和水反应活性高的硫酸盐相比，磷酸盐由于其具有P-O键从而具有良好的结构稳定性，引起了人们的广泛关注。磷酸盐中的NASICON结构已被广泛研究，其通式Na₃M₂(PO₄)₃ (M＝过渡金属)。其中一种被广泛研究的材料，即Na₃V₂(PO₄)₃，是一种十分具有应用前景的阴极材料(Jian et al.,2012,2013；Zhu etal., 2014；Xianghua Zhang et al.,2019；Xinxin Zhang et al.,2019)，其电化学性能与V³⁺/V⁴⁺在3.4V左右的氧化还原反应有关(Jian et al.,2012, 2013)。然而V盐价格偏高，这会导致制作成电极材料本较高。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种通过在 Na₃V₂(PO₄)₃(NVP)结构的每个单元中用Fe²⁺和Na⁺共同取代V³⁺从而制备出的高性能钠缺陷型正极材料，同时还提供了使用该材料作为正极的钠离子电池。