[发明专利]一种类石墨烯碳包覆磷酸钒钠材料及其制备方法和作为钠离子电池正极材料的应用

说明书

本发明公开了一种类石墨烯碳包覆磷酸钒钠材料及其制备方法和作为钠离子正极材料的应用。该类石墨烯碳包覆磷酸钒钠材料由类石墨烯碳层均匀包覆二维纳米片状磷酸钒钠晶体构成；其制备方法是将阴离子型表面活性剂与磷源、烃类混合物、钒源和钠源依次球磨混合，得到磷酸钒钠前驱体；所述磷酸钒钠前驱体置于保护气氛中煅烧，即得结晶性好、纳米尺寸均一、类石墨烯碳包覆完整、电化学性能优异的石墨烯碳包覆磷酸钒钠材料，将其作为钠离子正极材料应用，钠离子电池表现出优异的循环性能和倍率性能；且石墨烯碳包覆磷酸钒钠材料的制备工艺简单，原料价廉，易于放大批量化生产。

技术领域

本发明涉及一种钠离子电池正极材料，具体涉及一种类石墨烯碳包覆磷酸钒钠材料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

随着太阳能、风能、潮汐能等可再生能源的不断开发和利用，亟需发展有效的电能储存方式。锂离子电池因其能量密度高、能量转换效率高、循环寿命长等优点，在能量存储领域占据着主导地位。但是，由于锂资源的储量有限、价格上涨，限制了其大规模应用。科研界和产业界的很多研究者们都在寻求锂离子电池的替代技术。钠离子电池技术由于金属钠的自然丰度，成本低廉且与金属锂属于同一主族，有着相类似的电化学性能，而成为一种在大型能量存储转化系统中很有应用前景的新型技术。然而，由于钠离子的半径(9.8纳米)较大，难以在电极材料的晶体结构中快速的脱嵌。因此，需要电极材料内部具有较大的空隙和离子扩散隧道。

近年来，诸如Na_xCoO₂，V₂O₅，Na_0.44MnO₂，聚阴离子化合物(Li₃V₂(PO₄)₃， Na₃V₂(PO₄)₃，Na₂FeP₂O₇)等材料均被用来做钠离子电池电极材料。聚阴离子型化合物由于其优良的热稳定性和结构稳定性，非常有利于提升电池体系的安全性能和长循环寿命。其中磷酸钒钠以其宽阔的离子扩散隧道和快速的钠离子迁移速率而被认为是最有前景的钠离子电池正极材料之一。与磷酸钒锂类似，磷酸钒钠具有钠快离子导体结构，其中两个分离的[VO₆]八面体和三个[PO₄]四面体通过共用氧原子连接建立起聚阴离子框架结构[V₂(PO₄)₃]^3-。其中存在两种类型的钠离子，一种位于六倍协调通道，另一种位于八倍协调通道。这种开放的三维框架结构非常有益于钠离子的快速稳定的嵌入和脱出。然而，磷酸盐材料电子导电性差(～10^-9S cm^-1)的缺陷极大地阻碍了它的实际应用。

目前研究者们开发了很多提升磷酸钒钠电导率的策略。通过构建分层纳米结构可以有效缩短钠离子的扩散路径，促进离子扩散动力学。通过将磷酸钒钠纳米晶体与导电碳材料或者导电聚合物复合是提升电极材料机械稳定性、化学稳定性和电子导电性的另一个有效途径。特别是基于有机高分子原位碳化后生成导电碳包覆磷酸钒钠已被广泛的用来提升其电子导电性和电化学性能。由于石墨烯具有优越的导电性、超高的比表面积和很好的机械强度等特点,其在锂离子电池电极材料改性方面显示出优异的表现。而石墨烯在钠离子电池电极材料方面的应用才刚刚起步。

尽管研究者们通过掺杂、复合、包覆、纳米化、改善电解液等策略改善磷酸钒钠的电化学性能。但是，电子导电性差、离子扩散速率慢、高温烧结团聚、包覆碳结构难以调控依旧是磷酸钒钠、磷酸钛钠和磷酸钒锂等聚阴离子型电极材料面临的共同难题。

发明内容