[发明专利]一种碳量子点调控的多孔氟磷酸钒钠复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种碳量子点调控的多孔氟磷酸钒钠复合材料及其制备方法和应用，该制备方法包括以下步骤：将钒源和有机酸溶解于去离子水中形成混合溶液，调节pH值至2~6，升温，然后依次加入钠源、磷源和氟源；向所得溶液中加入聚合物溶液，陈化，真空冷冻干燥，得到前驱体；对所述前驱体进行预热，然后在管式炉中非氧化气氛下煅烧；煅烧结束后，冷却至室温，洗涤、干燥，得到三维多孔氟磷酸钒钠复合材料。本发明的方法制成的复合材料，具有相互连通的蜂巢状多孔三维结构，其作为正极材料，具有优异的电化学性能，显著改善一般正极材料的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及正极材料制备技术领域，更具体地，涉及一种碳量子点调控的多孔氟磷酸钒钠复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于传统化石能源消耗加剧和能源安全等因素的制约以及人们对生态环境保护观念的增强，能源的可持续发展利用和存储受到世界各国的高度重视。电化学储能相比于机械储能、电磁储能和相变储能具有效率高、成本低、安全方便等特点，己发展成为当前主要的储能技术。锂离子电池是一种在能量密度和功率密度上均占有优势的蓄电池，可用于电子产品，航空航天，军事军工等众多领域。

随着锂离子电池的广泛应用，尤其是电动汽车市场的快速发展，锂资源被大量消耗并将濒临枯竭。根据锂离子“摇椅式”电池原理，富钠离子化合物可类似富锂离子正极材料，提供可脱嵌的钠离子及结构，钠离子电池近年来己成为热点研究问题，各类储钠材料己被广泛研究用作二次钠离子电池电极材料。

在众多钠离子电池正极材料中，有着NASICON(钠超离子导体)结构的聚阴离子型化合物氟磷酸钒钠，相比其它电极材料有着较高的电压平台(＞3.95V)且结构和热稳定性好，是一种比较理想的钠离子电池正极材料的候选者，然而，氟磷酸钒钠材料本身较低的电子电导率导致其倍率性能不够理想，同时也限制了其高比容量的发挥，其他研究通过添加不同的碳源进行原位包覆的方式提高其导电性，从而提高了材料的电子传输效率，减少电极材料的极化和电池内阻，进而提高材料的结构稳定性、循环性能和倍率性能。然而在高温烧结过程中容易发生颗粒团聚现象，不利于电极材料与电解液的充分接触。另外，在晶粒长大过程中包覆在晶粒表面的碳层往往分布不均匀，导致材料电子传输效率提升有限。

因此，寻找一种新的碳层包覆和空隙调控方法并应用于钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠体系，对于提高钠离子电池的电化学性能有重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种碳量子点调控的多孔氟磷酸钒钠复合材料的制备方法，通过该方法制备的氟磷酸钒钠复合材料，具有丰富的相互连通的孔结构，结晶性好、物相纯净，作为正极材料应用于电池中，可大幅度提高电池的循环性能和倍率性能，且放电比容量高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种碳量子点调控的多孔氟磷酸钒钠复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将钒源和有机酸溶解于去离子水中形成混合溶液，调节pH值至2~6，升温，然后向所述混合溶液中依次加入钠源、磷源和氟源，得到第一溶液，冷却至室温；

S2、向所述第一溶液中加入聚合物溶液，陈化，真空冷冻干燥，得到氟磷酸钒钠前驱体；所述聚合物溶液由碳量子点溶解于溶剂中制成，所述溶剂为水、乙醇、丙酮、乙二醇、四氢呋喃中的至少一种；

S3、对所述前驱体进行预热，然后在管式炉中非氧化气氛下煅烧；煅烧结束后，冷却至室温，洗涤、干燥，得到三维多孔氟磷酸钒钠复合材料。

在一些实施方式中，步骤S3中，预热温度为300~400℃，升温速率为2~10℃/min，保温时间为2~4h。

在一些实施方式中，步骤S3中，煅烧温度为600~850℃，升温速率为2~10℃/min，保温时间为1~3h。