[发明专利]一种钠离子电池三维复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于钠离子电池技术领域，具体公开了一种钠离子电池三维复合负极材料及其制备方法和应用。本发明的钠离子电池三维复合负极材料FePS₃/rGO具有片层结构，rGO片层表面均匀附着有微小的FePS₃纳米片。FePS₃为三元过渡金属磷硫化物，具有特殊的二维层状结构，层间以范德尔瓦尔斯力结合，这种结构有利于钠离子在层间的快速运动与存储。本发明将FePS₃与rGO进行复合，有效地缓冲了FePS₃材料在反应过程中的体积膨胀，促进了电子/离子的快速转移，能够在保持较高比容量的前提下实现较长的循环寿命。同时，材料体系稳定性的提高也大大增强了材料的倍率性能，由此制备的钠离子电池的放电容量高，倍率性能优良。

技术领域

本发明属于钠离子电池技术领域，具体涉及一种钠离子电池三维复合负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

自1991年锂离子电池首次被商业化应用，在过去30年间作为高效的储能装置而得到广泛地应用发展，然而随着电动汽车以及大规模储能的需求增长，锂资源由于其资源有限会导致成本的升高，因此，钠离子电池由于其相似的储能性质以及钠资源的丰富性被期望作为更加便宜的储能系统。但是根据热力学计算，大部分碳材料不适于作为钠离子电池的负极材料，而合金材料与转化材料基于合金化和转化反应的机理，其具有更高的比容量，但是在Na⁺嵌入脱出时会发生较大的体积变化，不可避免的造成活性材料的破碎、粉化，使得电接触阻值增大，从而导致电池容量快速且严重的衰减。例如，FePS₃是一种三元过渡金属磷硫化物，具有特殊的二维层状结构，层间以范德尔瓦尔斯力结合，这种结构有利于钠离子在层间的快速运动与存储，其转化反应机理与传统的插入反应和合金化反应不同。该材料作为钠离子电池负极材料时，理论容量超过1300 mAh/g，但是FePS₃材料在充放电过程中由于钠离子的嵌入脱出会引起材料严重的体积膨胀，导致容量发生衰减，材料的稳定性也大幅度降低，影响其循环性能。

为了提高FePS₃负极材料的比容量和循环寿命，中国专利CN111261857A（南航大学）公开了一种钠离子电池用FePS₃/NC复合负极材料，制备步骤包括：1）将FePS₃、盐酸多巴胺加入Tris缓冲溶液中，搅拌12-48 h，固液分离，得到FePS₃@PDA材料；2）将步骤1）制得的FePS₃@PDA材料在还原性气氛或惰性气氛中于500-800℃保温1-5 h，即得。该专利制备的FePS₃/NC复合负极材料呈片层结构，FePS₃片层表面均匀附着有碳颗粒，有效缓冲了材料在反应过程中的体积膨胀，促进了电子/离子的快速转移。然而，该复合负极材料的制备工艺复杂、产量低，不适合大规模生产。因此，有必要设计新的FePS₃复合负极材料，以进一步优化工艺，适合大量制备，同时提高材料的比容量和循环寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种钠离子电池三维复合负极材料，以解决现有技术中钠离子电池负极材料制备工艺复杂，产量较低的问题。

其次，本发明提供一种钠离子电池三维复合负极材料的制备方法。

再次，本发明提供一种钠离子电池三维复合负极材料在制备钠离子电池中的应用。

最后，本发明提供一种使用上述钠离子电池三维复合负极材料的钠离子电池。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种钠离子电池三维复合负极材料，所述材料呈片层结构，包括石墨烯和附着在石墨烯表面的FePS₃。