[发明专利]一种磷酸钛钠/碳复合材料、其制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明属于电极材料合成领域，涉及一种磷酸钛钠/碳复合材料、其制备方法及用途，尤其涉及一种磷酸钛钠/碳复合材料、其制备方法及用于钠离子电池的用途。

背景技术

近年来，面对能源危机、金融危机以及人类对气候危机越来越清晰地认识，维护生态平衡，保护环境是关系到人类生存、社会发展的根本性问题。

随着社会经济的发展，能源危机问题越来越困扰着人们的生存环境，许多国家纷纷从不同的角度提出研究解决问题的对策。公共设施作为城市公共空间交流的载体，在人们的生活中扮演着角色，太阳能、风能、潮汐能及能源储存转换等许多可再生能源资源将逐渐变成商业项目。可以预见，能源形式之间的逐渐替代将改变世界经济和政治版图以及人类的生存和生活方式。

目前铅酸电池、锂离子电池广泛应用于在储能领域，铅酸电池虽然价格低廉、安全性高，但由于其自放电大，寿命短且对环境不友好，逐渐被锂离子电池取代，但锂离子电池造价较高，其生产过程对环境要求较高，安全性不如铅酸电池，在一定程度上减缓了其取代铅酸的速度。

钠离子电池的诞生能够结合锂离子电池和铅酸电池的优点，以NaFeFe(CN)₆为正极，以磷酸钛钠为负极，电解液采用水基含钠离子的溶液。

钠在地壳中含量丰富，来源广泛，能够有效降低电池材料的成本，开发出针对储能的水基钠离子电池具有重大的意义。

磷酸钛钠作为钠离子电池重要的电极材料，其性能的优劣极大的影响了钠离子电池的性能，因而研究性能优异的磷酸钛钠材料势在必行，目前采用传统方法制备的磷酸钛钠普遍存在电导率偏低、碳包覆不均匀的问题，从而导致磷酸钛钠的容量普遍偏低，循环性能较差。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种磷酸钛钠/碳复合材料、其制备方法及用途。本发明的磷酸钛钠/碳复合材料具有颗粒细小，分散均匀，磷酸钛钠表面包覆的碳层均匀度高、致密性好的优点，采用本发明的磷酸钛钠/碳复合材料制备的电极用于钠离子电池表现出非常优异的电化学性能，放电容量在115mAh/g以上，循环500周后容量保持率在95％以上。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种磷酸钛钠/碳复合材料，所述复合材料包括由一次颗粒聚集而成的二次颗粒，所述一次颗粒包括磷酸钛钠颗粒及包覆在磷酸钛钠颗粒表面的碳层，其中，所述碳层是经由两次碳包覆制备得到的。

本发明的磷酸钛钠/碳复合材料中的碳层是经由两次碳包覆得到的，因而均匀性非常好，且碳层均匀致密，有效解决了一次碳包覆导致的包覆层不均匀的问题。

本发明的磷酸钛钠/碳复合材料中致密的碳层均匀地包覆在磷酸钛钠的表面，使得该复合材料的稳定性好，采用本发明的磷酸钛钠/碳复合材料制备的电极用于钠离子电池表现出非常优异的电化学性能，采用本发明的磷酸钛钠/碳复合材料制备的电极用于钠离子电池表现出非常优异的电化学性能，放电容量在115mAh/g以上，循环500周后容量保持率在95％以上。

本发明中的磷酸钛钠/碳复合材料的形貌为球形，磷酸钛钠/碳复合材料的粒径在微米级。

优选地，所述二次颗粒的粒径为10μm～30μm，例如为10μm、12μm、15μm、16μm、18μm、20μm、21μm、22.5μm、23μm、24.5μm、25.5μm、27μm、28μm、29μm或30μm等。

优选地，所述一次颗粒的粒径为200nm～300nm，例如200nm、220nm、230nm、240nm、255nm、260nm、270nm、275nm、280nm、290nm、295nm或300nm等。

优选地，所述一次颗粒中的碳层的厚度为1nm～10nm，例如1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm等。

优选地，所述两次碳包覆即一次碳包覆和二次碳包覆，这两次碳包覆均采用喷雾干燥的方法。

第二方面，本发明提供如第一方面所述的磷酸钛钠/碳复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将钠源、钛源、磷源和任选的掺杂元素源混合，得到前驱体；

或者，将磷酸钛钠分散，得到前驱体；

(2)向步骤(1)得到的前驱体中加入碳源和溶剂，混合均匀，得到一次浆料，进行喷雾干燥，在惰性气氛下于第一温度焙烧，实现一次碳包覆；