[发明专利]一种钠离子电池复合正材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及了一种钠离子电池复合正材料及其制备方法，特别涉及一种原位自组装形成的FePO₄@多壁碳纳米管复合材料及其制备方法。

背景技术

近几年，人们对于环保以及开发可再生能源的逐渐重视，世界各国的研究者们都尝试将锂离子电池作为中大型储能单元应用于电动汽车，智能电网，以及太阳能和风能的储能系统上。锂离子电池以其高能量密度，良好的倍率和循环性能，已广泛应用在手机，平板电脑，数码产品上。虽然锂离子电池有诸多的优势，但是锂资源并不丰富，全球许多锂矿储存在偏远或者政治敏感地区，在中型汽车电池上逐步增加的锂用量会最终推升锂化合物的价格，使得制造大型存储设备将会异常昂贵。所以，采用资源丰富和价格便宜的原材料组成大型充放电电池成为必然趋势。由于钠与锂化学性质相近，并且来源丰富，成本低廉，环境友好，钠离子电池被认为是在大型储能装置上替代锂离子电池的合适选择。已有许多关于钠离子正极材料的研究工作被相继报道，如Na_xCoO₂， Na_0.44MnO₂，Na_0.6MnO₂，NaCrO₂，Na_xVO₂，Na₃V₂(PO₄)₃，Na₃V₂(PO₄)₂F₃，Na₃V₂O₂(PO₄)₂F，Na₂FePO₄F，NaFeF₃等。类似于LiFePO₄结构的橄榄石型的NaFePO₄也被作为钠离子电池正极材料作为研究，但是该材料在钠离子电池中的电化学性能不理想，循环性能很差。

作为LiFePO₄材料所得到的脱锂产物，正交结构FePO₄也被视为正极材料，但其不能直接通过化学路径合成。研究者们对其他结构的FePO₄进行了探索，以获取能够直接合成以及电化学活性的材料。结果表明，无定形结构的FePO₄材料具有很高的电化学活性，高于三角晶结构的FePO₄材料。无定形结构的FePO₄材料由于具有概念上无缺陷的相，这有利于该材料中锂离子的传输和电子的导电。FePO₄作为电极材料具有许多优势，首先，铁三价化合物作为原材料来源丰富，成本低，易获取；其次，FePO₄的化学合成过程简单，环境友好以及不需要惰性气体保护；最后，FePO₄具有高达178 mAh/g的理论比容量。然而，FePO₄和LiFePO₄一样，也存在电子导电性差和离子扩散系数低等缺点，研究人员用了很多方法来提高FePO₄材料的电子导电性和离子扩散系数。例如，合成纳米尺寸颗粒，离子掺杂，制备微孔结构，加载导电材料，以此来增强FePO₄材料在锂离子电池中的电化学性能。碳包覆也是一种实用的时段，其不仅可以增强电极材料的电子导电性，也可以在充放电循环中减小材料表面与电解液的副反应来以此增强循环稳定性。然而，在热处理过程中，由于Fe³⁺容易还原成为Fe²⁺，所以不能用传统的碳热还原法来对FePO₄进行碳包覆。作为高性能碳材料，CNTs广泛用于锂离子电池的研究。并在电极材料中扮演不同角色，如作为合成牺牲模板，导电添加剂，导电载体。