[发明专利]一种过渡金属离子掺杂磷酸钒钠正极材料的制备方法

说明书

本发明属于钠离子电池正极材料技术领域，且公开了一种过渡金属离子掺杂磷酸钒钠正极材料的制备方法，所述材料采用溶胶凝胶‑高温烧结法通过以下步骤制备而成：S1.称取适量的钒源化合物、钠源化合物、磷源化合物和过渡金属离子源化合物，以及一定量的还原剂。本发明通过溶胶凝胶‑高温烧结法在磷酸钒钠电极材料中掺杂过渡金属离子，如铁离子、钴离子和铬离子等，解决了钠离子电池磷酸钒钠正极材料的电导率低，倍率性能差的问题，提高了材料在充放电过程中的循环稳定性，改善材料的容量衰减问题，同时，生产方法简单、掺杂量易于控制，易于量化生产和推广应用。

技术领域

本发明属于钠离子电池正极材料技术领域，具体为一种过渡金属离子掺杂磷酸钒钠正极材料的制备方法。

背景技术

几十年来，由于人类社会对如煤、石油和天然气等传统化石能源的过度使用及依赖，不仅使得自然资源面临枯竭，还产生了如温室效应、酸雨等影响生态平衡的现象，因而寻找新的能源对传统石化能源进行替代已经刻不容缓。

而锂离子电池从20世纪90年代开始就被商业化应用，一度成为社会各界的研究热点，但随着各行业对锂离子电池的使用要求越来越高，锂离子电池的弊端也逐渐开始显现出来，其中，锂金属资源在全球分布不均匀且开采难度大，难以满足市场需求的同时大大地提升了生产成本，由此，具有更好综合性能的新型储能电池系统的研发显得格外重要，在锂的同族元素中，钠不仅与其具有相似的物理化学性能，并且钠元素在全球分布广泛，在地壳中元素含量排名第六，开采方便，在降低生产成本的同时减小了对环境的破坏。由此钠离子电池成为了新的研究热点。

作为钠离子电池组成最重要部分之一的正极，是提升电池能量密度、循环寿命和降低成本的关键因素，钠离子电池正极材料主要有层状氧化物、隧道状氧化物、聚阴离子型化合物等，在众多的正极材料中，具有NASICON结构的聚阴离子型磷酸钒钠(化学式Na3V2(PO4)，简称NVP)，是一种快离子导体材料，具有开放的三维骨架结构，为钠离子的运输提供通道，极大提升了离子输送速度，并且其高工作电压(3.7V左右)以及高理论比容量(117mAh·g-1)使得磷酸钒钠成为极具应用前景的钠离子电池正极材料。

但磷酸钒钠材料存在着本征电子电导率低的缺点，作为钠离子电池正极时制约了电池的倍率性能和大电流条件下循环稳定性。而在磷酸钒钠中掺杂一定种类和数量的其它元素被认为是提升电子电导率的有效方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过渡金属离子掺杂磷酸钒钠正极材料的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种过渡金属离子掺杂磷酸钒钠正极材料的制备方法，为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种过渡金属离子掺杂磷酸钒钠正极材料的制备方法，采用溶胶凝胶-高温烧结法通过以下步骤制备而成：

S1.称取一定摩尔比的钠源、钒源、磷源和过渡金属离子源，以及一定量的还原剂；

S2.将步骤S1中称取的钒源、碳源溶入到去离子水中，在60℃的水浴锅中，在磁力搅拌30-60min后，形成蓝色溶液；

S3.将步骤S2中的蓝色溶液溶解S1中称取的钠源、磷源及过渡金属离子源，不断加热、搅拌，直至形成溶胶凝胶前驱体1；

S4.将步骤S3中得到的溶胶凝胶前驱体进行鼓风干燥，干燥后在玛瑙研钵中研磨，直至得到均匀的粉末状材料2；

S5.将步骤S4中粉末状材料转移至管式炉中，进行Ar气氛保护下的350℃ -2h的前热处理过程，之后取出样品进行二次研磨，研磨后进行600℃下2-8h 的后热处理过程，得到的过渡金属离子掺杂的Na3V2(PO4)3材料。

优选地，S1中所述的钠源化合物为氟化钠；钒源化合物为偏钒酸铵；所述的磷源化合物为磷酸二氢铵；所述的还原剂为一水合柠檬酸。