[发明专利]一种NASICON结构磷酸盐Na4FeV(PO4

说明书

本发明公开了一种NASICON结构磷酸盐Na₄FeV(PO₄)₃材料的合成方法及其应用。通过简易的溶胶‑凝胶工艺制备具有NASICON结构的Na₄FeV(PO₄)₃材料，该材料应用于钠离子电池正极材料时，展现了较高的首圈库伦效率、高可逆容量、稳定的循环性能以及优良的倍率特性。本发明所采用的溶胶‑凝胶工艺具有简单易操作、适用于大规模样品合成，同时能够使得反应物在原子尺度均匀混合，产物的粒径相对较小，能够缩短电子和离子的传输距离进而有效提升材料的可逆比容量、倍率特性以及循环稳定性等综合电化学性能。

技术领域

本发明属于新能源材料储能领域，具体涉及一种NASICON结构磷酸盐Na₄FeV(PO₄)₃材料的合成方法及其应用。

背景技术

随着科学技术不断发展，锂离子电池的应用领域也不断拓展，然而金属锂原料在地球储量不足，难以大规模应用于大型储能器件领域中。与锂离子电池相比，钠离子电池具有钠源储量丰富、价格低廉、钠离子不与铝形成合金，可用铝箔作为负极集流体，可进一步降低成本，在快速充放电速率下出现钠枝晶和爆炸的可能性比锂电低的优点，而且钠的标准电极电位比锂的标准电极电位仅高0.33 V。因此，作为锂离子电池的补充品，钠离子电池是非常有潜力应用于大规模储能领域储能装置。然而，目前的钠离子电池正极材料存在可逆容量较低、倍率特性不理想等技术瓶颈而未能实现大规模应用，因此很有必要研发新型高比能的钠离子电池正极材料。

在众多的材料中，NASICON（钠快离子导体）结构类型的材料具有开放的三维结构框架以及较高的离子电导率，广泛应用于钠电池的固态离子导体、正极材料以及负极材料中。如单斜晶系的Na₃ZrSi₂PO₁₂的室温离子导电率高达1.0 × 10^-3 S/cm，Na₃V₂(PO₄)₃作为钠离子电池正极材料展现出高达3.3 V的工作电压以及较高的比容量和稳定的循环性能，NaTi₂(PO₄)₃负极材料具有良好的倍率特性。本专利通过溶胶-凝胶工艺合成具有NASICON结构的磷酸盐Na₄FeV(PO₄)₃，并将其作为钠离子电池正极材料，在1.8-3.8 V电压区间内，理论容量为110 mAh g^-1。电化学性质测试结果表明，该材料展现了较高的可逆容量、稳定的循环性能和良好的倍率性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种NASICON结构磷酸盐Na₄FeV(PO₄)₃材料的合成方法及其应用。

合成NASICON结构磷酸盐Na₄FeV(PO₄)₃材料的具体步骤为：

（1）按4:1:1:3的化学计量比分别称取相应的钠源、铁源、钒源和磷源，在磁力搅拌的状态下溶解在去离子水中，再转到90 ℃的油浴锅中磁力搅拌，然后加入适量的二水合草酸（H₂C₂O₄·2H₂O），继续磁力搅拌蒸发水分得到干凝胶。

（2）将步骤（1）获得的干凝胶置于管式炉中，以2 ℃/min的升温速率升至450~650℃，在体积比为19:1的氩气-氢气混合还原气氛下进行热处理6~12 h，最后以2 ℃/min的降温速率冷却至室温，即制得NASICON结构磷酸盐Na₄FeV(PO₄)₃材料。