[发明专利]香蒲碳负载的磷酸钒钠纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种香蒲碳负载的磷酸钒钠纳米复合材料及其制备方法和应用，通过冷冻干燥法制得前驱体，通过高温热处理8‑10小时后得到香蒲碳负载的磷酸钒钠纳米复合材料，该复合材料负载的磷酸钒钠为液滴状纳米颗粒，具有较大的比表面积，为电化学反应提供更多的反应活性位点。同时，由香蒲碳化后得到的碳基质提高了复合材料的电子传输速率，从而加快该复合材料的反应动力学。本发明中，有效提供了磷酸钒钠复合材料的电子电导率差，从而在实现高放电比容量的同时，获得具有优异的倍率性能和循环稳定性的新型钠离子电池正极材料。在移动设备、电动汽车、大规模储能等领域具有广阔的发展前景。

技术领域

本发明涉及香蒲碳负载的磷酸钒钠纳米复合材料领域，具体涉及一种香蒲碳负载的磷酸钒钠纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着传统化石燃料的迅速消耗以及社会发展对能源需求的不断增加，人们逐渐将更多的时间和精力致力于清洁无污染的绿色能源的开发与利用，包括太阳能、风能、水能等。在这之中，电化学储能具有成本低、能量密度高、循环寿命长等优点，而成为一种较优的选择。在众多电化学储能系统中，锂离子电池由于其高能量密度、高功率密度和长循环寿命被认为是极具潜力的储能系统。然而，锂离子的进一步应用面临着巨大的挑战即成本问题，无论是锂资源的匮乏，还是加工制造方面，不断攀升的成本限制了其应用。因此亟待开发可替代的储能系统来满足人们日益增长的需求。钠离子电池在此时走进人们的视野。首先，钠是地球上的第四大元素，在地壳储量约为2.6％，海水中有取之不尽用之不竭的钠资源，便于提炼。其次，钠源供应量大，价格低廉，最后钠和锂的化学性质相似，可将锂离子电池中的理论应用于钠离子电池上。而在众多的钠离子电池正极材料中，快离子导体Na₃V₂(PO₄)₃正极材料拥有独特的三维导电网络，较高的电压平台和理论比容量和良好的循环稳定性等优点，使其在储能领域极具应用潜力。

但是，Na₃V₂(PO₄)₃的电子导电率较差，在充放电过程中，容量衰减明显。因此，将Na₃V₂(PO₄)₃材料进行复合改性，并得到纳米尺寸的材料，有助于提高其电化学性能。香蒲碳负载的磷酸钒钠纳米复合材料可用于钠离子电池正极材料，获得高比容量和优异的电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于针对磷酸钒钠电子导电性差的缺陷进行复合改性，提供了一种香蒲碳负载的磷酸钒钠纳米复合材料及其制备方法和应用，通过该方法制得的香蒲碳负载的磷酸钒钠纳米复合材料用作钠离子电池正极材料，具有高充放电容量、优异的倍率性能和循环稳定性。

本发明所述的香蒲碳负载的磷酸钒钠纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将香蒲置于瓷舟中，放入管式炉中氩气氛围下500℃～700℃进行热处理1～5小时使之碳化，自然冷却至环境温度，得到负载材料香蒲碳；

2)将三氯化钒溶于去离子水中，环境温度下搅拌得到褐色溶液，然后将磷酸二氢钠、葡萄糖溶于褐色溶液中，搅拌均匀，形成深绿色溶液；

3)将步骤1)制备的负载材料香蒲碳浸泡在步骤2)中得到的深绿色溶液，使之充分浸润，然后将所得混合溶液在液氮条件下迅速冷冻，然后置于冷冻干燥机中干燥18h～30h，得到前驱体；

4)将步骤3)制得的前驱体放入管式炉中在氩气氛围下进行热处理，反应温度为650-850℃，反应时间为6-12小时，冷却至环境温度，得到香蒲碳负载的磷酸钒钠纳米复合材料(目标产物)。

步骤1)中，所述的热处理的条件为：550℃～650℃进行热处理1.5～3小时；进一步优选，600℃进行热处理2小时。

步骤2)中，所述的三氯化钒、磷酸二氢钠、葡萄糖的质量比为8：8～10：8～10，进一步优选为8：9：9。