[发明专利]一种磷酸铁钠复合正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种磷酸铁钠复合正极材料及其制备方法和应用，所述复合正极材料由基体和包覆层组成，所述基体为NaFePO₄，所述包覆层为氮掺杂碳，以及Ti₄O₇。本发明通过复合高导电材料、引入第二相等手段，同时引入氮掺杂碳和亚氧化钛对磷酸铁钠进行改性，利用二者之间的配合作用解决了现有技术中磷酸铁钠电子导电性差、离子扩散速率慢的问题，同时改善了材料的比容量和倍率特性，获得了性能更为优异的钠离子电池正极材料。制备过程中通过简单球磨法一次合成，工艺简单，成本低，利于大规模生产，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及钠离子电池正极材料技术领域，具体涉及一种磷酸铁钠复合正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着人类日益增加的化石能源消耗，雾霾、温室效应等环境问题日益严重。各国都在将基于化石燃料的经济模式向基于新能源为基础的经济模式转变，发展可再生能源和清洁能源成为我国经济和社会发展的一项重大战略任务。目前，社会的高速发展对高安全性、低成本储能技术的需求迫在眉睫。锂离子电池是使用也是研究最为广泛的储能电池，但是由于金属锂的储量有限，价格逐年攀升，以及大规模储能技术的需求，使得钠离子电池的研究逐渐吸引关注。

从成本、能耗、资源等角度来说，钠离子电池在规模化储能方面具有很大的市场竞争优势。由于钠离子的半径比锂离子大，当前的研究关键是开发能够稳定快速脱嵌钠离子的电极材料。

在诸多钠离子电池正极材料中，聚阴离子型化合物以其优异的结构稳定性、安全性和合适的电压平台被认为是最有应用前景的一类电极材料。其中，磷酸铁钠材料原料丰富，价格低廉，具有三维的离子扩散通道，良好的安全性能，吸引了广泛的关注。但它电子导电性差、离子扩散速率慢等问题，仍然影响了它的进一步应用。

现有技术中一般采用掺杂的方法对磷酸铁钠材料进行改性。例如CN105140489B公开了一种钛掺杂的碳包覆磷酸铁钠材料及其制备方法，利用球磨+煅烧的方式得到了钛掺杂的碳包覆磷酸铁钠材料。所得材料在2.0-4.5V电压范围内，1C倍率下，首次充放电克容量可达63.7mAh·g^-1，在充放电过程中，1C循环50次后，容量保持率可达96.8％。CN105161688A公开了一种碳包覆的磷酸铁钠-磷酸钒钠复合材料及其制备方法，先制备得到钒酸铁，然后以钒酸铁为原料经过球磨、返磨、煅烧等步骤得到了碳包覆的磷酸铁钠-磷酸钒钠。所得材料在2.0-4.0V电压范围内，1C倍率下，首次充放电克容量可达101.8mAh·g^-1；在充放电过程中，1C循环50次后，容量保持率可达96.5％。CN105280899A公开了一种制备碳包覆的磷酸铁钠材料的方法：将Fe(NO₃)₃·9H₂O、NaH₂PO₄·2H₂O、葡萄糖、柠檬酸、乙二醇混合后水浴制备凝胶，烘干后经过研磨、煅烧制得碳包覆的磷酸铁钠材料。所得材料在1C首次放电克容量可达41.8mAh·g^-1，经过50次循环后，容量保持率为93.5％。

上述方法虽然一定程度上改善了磷酸铁钠的电化学性能，但是其导电性、比容量以及倍率性能仍有进一步提升的空间。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种磷酸铁钠复合正极材料及其制备方法和应用，利用氮掺杂碳和亚氧化钛对磷酸铁钠之间的配合作用对磷酸铁钠进行改性，得到了具有高导电性、高比容量、高倍率特性、快速充放电和长循环寿命的磷酸铁钠复合正极材料。

第一方面，本发明提供了一种磷酸铁钠复合正极材料，所述复合正极材料由基体和包覆层组成，所述基体为NaFePO₄，所述包覆层为氮掺杂碳，以及Ti₄O₇。