[发明专利]钠离子电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及纳米材料和电化学领域，公开了一种柔性的无粘结剂钠离子电池Na₃V₂(PO₄)₃/C复合电极的制备方法。本发明以去水为溶剂，加以增稠剂来调节溶液黏度，然后加入钒源、络合剂、钠源、磷酸源化合物制备成纺丝液，通过静电纺丝技术得到纺前体，然后将收集的纺前体进行热压处理和预氧化处理，然后在惰性气体中进行烧结得到Na₃V₂(PO₄)₃/C纤维膜，所得的纤维大小均匀，直径小，比表面大，可以直接剪裁成圆形电极片，用于钠离子电池中表现出较高的充放电比容量和良好循坏稳定性，并且该制备方法工艺简单，反应条件参数易于控制，有利于实现大规模生产。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学领域，具体涉及一种钠离子电池正极材料Na₃V₂(PO₄)₃/C的制备方法。

背景技术

从便携式电子设备到时下引人注目的电动汽车，锂离子电池作为高能量密度的储能器件得到了广泛的应用。虽然现在锂离子电池在消费市场中占有主导地位，但是由于锂的地壳储量少(0.002％左右)且分布不均匀，使得锂离子电池在未来将会面临资源和价格的双重瓶颈。钠元素丰富，价格低廉，且与锂具有相似的化学性能，钠离子电池应用于储能领域具有可持续利用和商业化的优势和巨大潜力。

具备钠超离子导体(NASICON)结构的Na₃V₂(PO₄)₃，由于其钠离子三维扩散，相对较高的电压平台(3.4V)，高理论比能量(400Whkg^-1)，以及优秀的热稳定性能让Na₃V₂(PO₄)₃成为目前最有前景的钠离子正极材料之一。传统技术主要基于高温固相法，溶胶-凝胶法、水热法制备Na₃V₂(PO₄)₃/C，这些工艺都有如下优缺点：

(1)高温固相法

高温固相法是一种传统的制粉工艺，虽然有其固有的缺点，如能耗大、效率低、粉体不够细、易混入杂质等。但该法具有制备的粉体颗粒无团聚、填充性好、成本低、产量大、制备工艺简单等优点。

(2)溶胶-凝胶法

由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。

与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。缺点是所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；通常整个溶胶-凝胶过程所需时间较长，常需要几天或几周；凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。

(3)水热法

其最大优点是一般不需高温烧结即可直接得到结晶粉末，避免了可能形成微粒硬团聚，也省去了研磨及由此带来的杂质。水热过程中通过调节反应条件可控制纳米微粒的晶体结构、结晶形态与晶粒纯度。既可以制备单组分微小单晶体，又可制备双组分或多组分的特殊化合物粉末。可制备金属、氧化物和复合氧化物等粉体材料。所得粉体材料的粒度范围通常为0.1μm至几微米，有些可以达到几十纳米。所得到的粉末纯度高、分散性好、均匀、分布窄、无团聚、晶型好、形状可控、利于环境净化等。缺点是：水热法需要高温高压步骤，使其对生产设备的依赖性比较强，同时也大大增加了经济成本，和时间成本。