[发明专利]一种碳掺杂磷酸钒钠正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳掺杂磷酸钒钠正极材料及其制备方法和应用。所述正极材料中磷酸钒钠和第一碳层构成的Na₃V₂(PO₄)₃/C复合颗粒被包裹于作为第二碳层的碳网中。所述正极材料的制备方法包括：1)将碳源、磷源、钒源和钠源溶于水中，混合后得到溶液；2)将溶液混合并加热，干燥后得到干凝胶；3)将干凝胶经过两段煅烧温得到Na₃V₂(PO₄)₃/C；4)配制pH为8.3‑8.7的缓冲溶液，将Na₃V₂(PO₄)₃/C和多巴胺盐酸盐分散到缓冲溶液中，混合，固液分离，干燥得到粉末；5)将粉末在氩气气氛下，经过两段煅烧得到所述正极材料。所述正极材料具有优良的电化学性能，可用作钠离子电池正极材料。

技术领域

本发明属于储能材料与技术领域，具体涉及一种碳掺杂磷酸钒钠正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因其高的开路电压、高的能量密度、长的循环寿命、环境友好性性等优点被广泛应用于便携式电子设备市场并且已成为新能源汽车的首选能源，随着锂离子电池的广泛使用，市场对锂资源的需求量也大大增加，然而地壳中锂的储量仅为0.0065％，而且分布不均匀，锂资源的价格逐渐攀升，且无法满足日益增长的市场需求，因此开发储量丰富、分布均匀、廉价、环境友好的、安全的可代替资源成为重中之重。

钠在地壳中储量丰富，约占地壳储量的2.64％，且在全球分布均匀，提炼方法简单，成本低廉，此外，钠与锂位于元素周期表的同一主族，化学性质相似，完全可能取代锂成为发展新能源、实现大规模生产的新材料。

在钠离子正极材料中，磷酸钒钠具有NASION框架结构，这种结构使Na⁺在脱出/嵌入过程中不至于产生太大的体积变化，因此其结构稳定性好，安全性高，是一种有前景的钠离子电池正极材料。但是磷酸盐的电子导电性差，限制了其倍率性能和循环性能的发挥，因此需要对它进行碳掺杂改性研究，以提高其倍率性能和循环性能。人们对此已经开展了一部分研究，但是都存在着一些不足。

CN 104733731 A公开了一种制备均匀碳包覆磷酸钒钠材料的方法，将V₂O₅、NH₄H₂PO₄和Na₂CO₃或NH₄VO₃、H₃PO₄和Na₂CO₃溶于蒸馏水中；Na₃V₂(PO₄)₃与葡萄糖的摩尔比为2:3～4:3混合均匀；将上述溶液转移到水热反应釜中，进行苷化反应；室温下冷却后开釜，将得到的悬浊液超声使其分散均匀，然后在水浴下磁力搅拌蒸发水分得到溶胶，溶胶在烘箱中干燥得到凝胶；将上述凝胶充分研磨并在氩气中预烧；再次充分研磨，在氩气中煅烧得到均匀碳包覆的Na₃V₂(PO₄)₃材料。该方案存在的缺点是工艺复杂，制备周期长。

CN 105336924 A公开了一种碳包覆的磷酸钒钠正极材料的制备方法，该方案以葡萄糖作为还原剂和碳源，水为分散剂，将NH₄VO₃、NaH₂PO₄·2H₂O和葡萄糖在水中球磨，经过喷雾干燥，煅烧后，得碳包覆的磷酸钒钠正极材料。该方案存在的缺点是合成材料的倍率性能还有待进一步一高。

因此，研究能够使磷酸钒钠正极材料的倍率性能和循环性能等电化学性质得到更好的提升的碳掺杂改性方法仍是一个重要的方向。

发明内容