[发明专利]生物质碳/聚氟磷酸锰钠复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种生物质碳/聚氟磷酸锰钠复合材料的制备方法及其应用。先利用质量百分比浓度为5%的氢氧化钠溶液浸泡甘蔗渣，制得碳源，再通过球磨法将水合醋酸锰、氟化钠、磷酸二氢氨、乙酸钠和碳源，在无水乙醇中球磨，制得流变相浆体，而后通过原位热解法将流变相浆体煅烧制得生物质碳/聚氟磷酸锰钠复合材料。本发明的生物质碳/聚氟磷酸锰钠复合材料用于锂离子电池正极材料。本发明的优点在于：在聚氟磷酸锰钠粒子表面包覆碳层，能够很好的解决先制成聚氟磷酸锰钠纯相，再添加高温碳化生成的生物碳而制成复合材料，该类复合材料不能大幅度提高聚氟磷酸锰钠的倍率性能和循环性能的不足。

技术领域

本发明属于锂离子电池的正极材料领域，具体涉及一种生物质碳/聚氟磷酸锰钠复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

锂离子电池由于具有超高能量密度，锂金属具有反复充电的能力，成为动力电池的研究热点。传统的锂离子电池是使用锂合金金属氧化物为正极材料，但因配置元素的不同造成正极材料性能差异很大，阻碍了锂离子电池的快速发展。随着科学技术的发展和储能设备的需求增高，对锂离子电池的比容量和使用寿命等方面要求也越来越高。在目前研究水平下，传统的锂离子电池正极材料资源稀少、电导性较差等问题使其无法更好的去适应发展的需求，所以开发研究新型的锂离子电池正极材料意义重大。考虑到锂元素资源的匮乏，人们发现聚阴离子型中的一部分钠基氟化磷酸盐体系化合物，由于具有良好的电化学性能，可考虑作为锂离子电池正极材料。该类化合物具有强电负性的氟元素能够适量提高充放电电压，钠基氟化磷酸盐体系化合物有可能出现两个或两个以上的电子转移，可以大大提高电池的比容量。

为提高锂离子电池的综合性能，要对电池材料进行系统的研究，但正极材料是重之又重的。因为正极材料可以影响电池的能量密度、功率大小、使用寿命和成本。主要表现为两方面：一是正极材料容量每提高50%，电池的功率密度就会提高28%；另一方面是在目前的商业化锂离子电池生产中，正极材料的成本大约占整个电池成本的40%。正极材料价格的降低直接决定着锂离子电池价格的降低。因此，锂离子电池正极材料的研究，对提高锂离子电池性能和降低其成本意义重大。

所谓的聚阴离子型化合物就是指一系列含有八面体或者四面体阴离子结构单元(XO_m)^n-(Y)^k-（X = P、S、Mo和W等，Y = F和OH等）的化合物的总称，在该种结构框架中四面体和八面体进行三维连接，最终形成网状结构，结构都十分稳定。钠基氟化磷酸盐是一种重要的聚阴离子型化合物，这类材料在锂离子电池中表现出优良的电化学性能，并且电极反应可以描述为混合的Li/Na插入机制。钠基氟化磷酸盐材料的发现打破了传统观念，即锂离子电池中的正极材料必须是锂基化合物，并扩大了寻找优异电极材料的范围。但钠基氟化磷酸盐的电子导电率低和离子扩散速度较慢，电化学活性与其他材料相比较弱，因此通过减小尺寸颗粒并结合研究合适的改性手段来增加导电率和扩散率变成了新型正极材料的研究重点。

Na、Mn在地球上含量丰富，本专利制备了聚氟磷酸锰钠，同时利用生物质碳材料作为碳源对聚氟磷酸锰钠材料进行包覆，可使成本更为低廉，使用原位热解法令有机碳源在烧结过程中分解，最后得到的生物碳材料比表面积较大，该生物质碳材料的包覆也能减小电极材料的粒径，同时生物碳材料为高导电性材料，有助于电子的传递。

我国南方是主要的产糖区，甘蔗渣是制糖业的主要副产品，其资源非常丰富，但是目前只有少量甘蔗渣用于制板造纸、栽培农作物等，大部分的甘蔗渣都被直接用作燃料，既污染环境，又浪费资源。本专利利用甘蔗渣作为碳源，可以提高甘蔗渣的综合利用程度，符合绿色环保。

发明内容

本发明的目的在于针对钠基氟化磷酸盐的电子导电率低和离子扩散速度较慢的缺陷，提供了一种生物质碳/聚氟磷酸锰钠复合材料的制备方法及其应用。

制备生物质碳/聚氟磷酸锰钠复合材料的具体步骤为：