[发明专利]一种碳包覆制备的磷酸钛钠材料及制备和应用

说明书

本发明涉及一种碳包覆的磷酸钛钠材料的制备方法和应用。该材料的表示方法为：NaTi₂(PO₄)₃/C。本发明通过原位碳包覆和溶胶凝胶法结合，制备出纳米级别，颗粒分布均匀的碳包覆磷酸钛钠材料，并将其用作锂离子电池中负极，具有良好的电化学性能。与其他负极材料相比，该材料具有离子传导率高，安全环保，价格便宜及电化学性能稳定的优势，在高性能动力电池及电化学储能电池技术中均具有广阔的应用前景。

技术领域：

本发明涉及一种碳包覆制备的磷酸钛钠材料，及其在锂离子电池中的应用，属于化学电源领域。

技术背景：

锂离子电池具有比能量高，自放电系数小，效率好，循环寿命长等优势，被广泛用于便携式电源设备应用和动力/混合动力电池应用和研发中。根据反应机理的不同，锂离子电池的负极材料主要分为三大类：脱嵌型负极、合金型负极和转化型负极材料。常见的商业化用的碳材料属于脱嵌型负极材料，充放电过程中，锂离子在其层间进行嵌入和脱出。而随着电动汽车和大规模储能技术的发展，对高能量密度锂离子电池的需求日益增加。与脱嵌型负极相比，合金型负极及转化型负极具有更高的比能量，更能满足高能量密度锂离子电池的要求，受到研究者们的广泛关注。而目前研究较多的硅基、锡基材料及氧化物等，均面临着充放电过程中结构变化大，体积膨胀大等问题，其循环稳定性成为制约其发展的重要因素。

磷酸钛钠是一种聚阴离子型材料，具有NASICON快离子导体结构，三维的聚阴离子骨架使其具有高离子传导率和高结构稳定性的优点。但由于其本征电导率低，往往通过碳包覆、和导电材料复合等方法提高其导电性，并用作钠离子电池负极材料。而由于钠的沉积电位比锂高0.4V，磷酸钛钠在用作钠离子电池负极时，只能发生钠离子的嵌入和脱出反应，严重限制了其比能量。而在用作锂离子电池负极材料时，更低的放电电压使其可以发生转化反应，发挥更高的比容量。且与其他转化型负极材料相比，原位碳包覆的磷酸钛钠负极材料具有良好的导电骨架，其无定型产物能更好地分散于导电骨架中，结构稳定性好，生成的磷酸盐具有良好的锂离子传导性，可以加快锂离子的传输，从而使磷酸钛钠负极材料表现出优良的倍率性能和循环性能。

发明内容：

本发明涉及一种碳包覆制备的磷酸钛钠材料，及其在含锂离子电解液的电池中的应用。本发明通过原位碳包覆和溶胶凝胶法结合，制备出纳米级别，颗粒分布均匀的碳包覆磷酸钛钠材料，并将其用作锂离子电池负极，具有优良的倍率性能和循环稳定性。与其他转化型负极材料相比，原位碳包覆的磷酸钛钠负极材料具有良好的导电骨架，其无定型产物能更好地分散于导电骨架中，结构稳定性好，生成的磷酸盐具有良好的锂离子传导性，可以加快锂离子的传输，从而使磷酸钛钠负极材料表现出优良的倍率性能和循环性能，在高性能动力电池及电化学储能电池技术中均具有广阔的应用前景。

本发明具体的技术方案如下：

(1)将碳源与钛源按摩尔比1：(0.5-2)的比例溶解于无水乙醇中，并在20～70℃下搅拌混合均匀；将化学计量比的钠源、磷源分别用先乙醇溶解再加入到溶有钛源和碳源的乙醇溶液中，搅拌0.5-3h后得到前驱体溶液，加入去离子水后形成凝胶；

(2)将(1)所得凝胶在70～120℃下干燥，研磨得到前驱体粉末；

(3)将前驱体粉末在300-400℃煅烧3-5h，得到预碳化的材料；

(4)将预处理材料在700-850℃条件下煅烧6-20h，得到碳包覆的磷酸钛钠材料；

步骤(3)和(4)在惰性气氛中进行煅烧，所述惰性气氛采用的气体为氩气或氮气中的一种或二种。

制备过程(1)中前驱体溶液中钛源摩尔浓度0.3-0.5mol/L；碳源：钛源：钠源：磷源的化学计量比为(1-4)：2:1:3；去离子水用量为前驱体溶液体积的5％-10％。