[发明专利]一种碳包覆磷酸钒钠微球及其制备方法和作为钠离子电池正极材料的应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆磷酸钒钠微球及其制备方法和作为钠离子电池正极材料的应用。碳包覆磷酸钒钠微球由表面包覆有导电碳层的磷酸钒钠纳米片组装构成；其制备方法是将溶有五氧化二钒的双氧水溶液缓慢加入至含有机钠盐、磷源和含氮有机物的水溶液中，搅拌均匀，得到混合液；所述混合液转移至水热反应釜中进行水热反应，得到磷酸钒钠水凝胶；所述磷酸钒钠水凝胶经过干燥后，置于保护气氛中煅烧，即得结晶良好、形貌稳定、尺寸均一、电化学性能优异的碳包覆磷酸钒钠微球；将其用于制备钠离子电池，可以获得循环稳定性和倍率性能优异的钠离子电池；且碳包覆磷酸钒钠微球的制备工艺简单，可重复性高，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种钠离子电池正极材料，具体涉及一种碳包覆磷酸钒钠微球及其制备方法和作为钠离子电池正极材料的应用；属于钠离子电池制备技术领域。

背景技术

当今世界，化石燃料仍然是我们主要的电力能源供给资源。然而，随着化石燃料的广泛使用伴随着大量的温室气体排放和环境污染问题，造成了全球环境危机。因此，太阳能、风能、潮汐能、核能、生物能等可再生能源的开发和利用迫在眉睫。但是，因为电网供电需要稳定且不间断的电力供应，部分可再生能源的供给受气候、季节和地域的影响非常严重，目前并入电网还有很多技术难题亟需解决。为了克服这个问题，基于可充电二次电池的大规模电化学储能技术以其循环效率高、能量供给灵活、服役寿命长、维护成本低等优势而受到世界各国政府的高度重视。

目前的电网储能技术主要集中在锂离子电池、液流电池和高温电池领域。其中，锂离子电池已在混合动力电池和插电式电动车中广泛应用，并且成为潜在的下一代大规模储能技术。由于不断增长的市场需求和锂资源的地域分布严重不均，锂资源的价格一路攀升，逐渐难以满足大规模、低成本的储能应用领域的要求。近年来，由于钠与锂具有类似的电化学脱嵌机理，且钠在地壳中的储量丰富、价格低廉，研究者们把目光集中在了室温钠离子电池上。但是由于钠的离子半径比锂大，且较高的氧化还原电位使得钠离子电池的能量密度和功率密度难以满足应用需求。当前制约钠离子电池实际应用的关键就在缺乏可稳定脱嵌钠离子的电极材料。寻求能够稳定脱嵌钠离子的电极材料是目前钠离子电池技术发展的关键所在。

目前典型的钠离子电池正极材料包括层状氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士蓝及其衍生物和有机化合物等。在众多的钠离子电池电极材料中聚阴离子型化合物被认为是具潜力的一类。以磷酸盐为例，它含有特殊的具有强共价键的PO₄四面体单元，价电子与聚阴离子相对分离。这种特殊的三维框架结构非常有利于钠离子的嵌入和脱出。具有的磷酸盐电极材料具有优越的离子导电性和结构稳定性，其中钒基和铁基NASICON结构材料被认为是最有前景的钠离子电池电极材料。此外，NASICON结构的材料也代表了一类用于全固态离子电池、全固态空气电池等混合电池的固体电解质。

尽管如此，电子导电性差、离子扩散速率慢、高温烧结结构难以控制依旧是Na₃V₂(PO₄)₃、NaTi₂(PO₄)₃、Li₃V₂(PO₄)₃和LiFePO₄等磷酸盐体系电极材料的共同难题。

发明内容

针对现有的磷酸钒钠材料存在电子导电性差、离子扩散速率慢、高温烧结结构难以控制等技术缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种结晶良好、形貌稳定、尺寸均一、电化学性能优异的碳包覆磷酸钒钠微球。

本发明的第二个目的是在于提供一种工艺简单、原料价廉、易于放大批量化生产的制备碳包覆磷酸钒钠微球的方法。

本发明的第三个目的是在于提供一种碳包覆磷酸钒钠微球作为钠离子电池正极材料的应用，将其作为正极材料制备的钠离子电池表现出高循环稳定性和高倍率性能。