[发明专利]一种多电子传输钒基氧代氟磷酸钠电池材料及其制备方法

说明书

一种多电子传输钒基氧代氟磷酸钠电池材料及其制备方法，其化学式为：Na_x‑δA_δ(V_1‑α‑βQ_αM_βO_yP_1‑εZ_εO₄)₂F_3‑2y‑ηX_η；制备方法包括以下步骤：一、将钒源、磷源、Z源和碳源按比例混合均匀，保护性气氛下热处理，粉碎研磨过筛，得到中间产物VP，0≤α≤1,0≤β≤1,0≤y≤1,0≤ε≤1；二、将钒源和磷源混合热处理得到中间产物VOP；三、将VP和VOP按比例混合，再加入钠源、氟源、A源、M源、X源，混合均匀，在500℃‑900℃保护性气氛下烧结1h‑8h，粉碎研磨过筛后得到目标材料粉末，即多电子传输钒基氧代氟磷酸钠电池材料；本发明工艺简单、操作简便、成本低廉，适合规模化生产，有助于制造高性能、低成本的室温可充钠电池，促进其广泛应用。

技术领域

本发明涉及钠电池正极材料技术领域，特别涉及一种多电子传输 钒基氧代氟磷酸钠电池材料及其制备方法。

背景技术

室温可充钠电池相比锂电池具有显著的资源、价格和安全优势， 非常有潜力成为锂离子电池的新型廉价替代产品，在大规模储能等领 域展示出巨大的技术潜力和广阔的应用前景。钠电池以其低廉的成本 和优良的性能成为大规模储能的极佳选择，不仅可将太阳能等间歇性 清洁能源进行存储并网，而且可对电网进行智能调频调峰，促进电网 的安全稳定运行、提高能源使用效率和保护地球生态环境【Nature Reviews Materials,2016,1:16013；分子科学学报,2016,32:265； EnergyEnvironmental Science,2013,6:2338.】。

发展钠电池的关键在于设计和研发高容量、高电压、快充放、长 寿命、宽工况的先进储钠电极材料【Advanced Energy Materials,2016, 6:1501727；Science China-Materials,2015,58:715.】。钒基氧代氟磷酸 钠Na_x(VO_yPO₄)₂F_3-2y(0≤x≤4,0≤y≤1)具有理论容量大(243mA h g^-1)【Nature Communication,2016,7:10308.】、平均电位高【Chemistry of Materials,2015,27:6008.】、电压极化小【Journal of MaterialsChemistry,2012,22:22301.】、热力学稳定【Journal of American Chemical Society,2013,135:13870.】、嵌脱钠体积变化小【Journal of Materials Chemistry,2012,22:20535.】等优点，是一类非常具有前景 的室温可充钠电池正极家族材料。我国钒、钠资源储量均位居世界前 列，开发、生产和利用钒基氧代氟磷酸族钠电池材料具有得天独厚的 自然条件和成本优势，对于资源优化、产业升级和国民经济建设亦具 有重要的战略和现实意义。

然而，如何能够在钒基氧代氟磷酸钠Na_x(VO_yPO₄)₂F_3-2y中实现多 电子传输是发展该材料的首要问题。多电子传输要求在充放电过程中 能够进行多个Na⁺的可逆脱嵌，从而显著提高材料的实际比容量。目 前文献资料报道一般能够可逆嵌脱约2个Na⁺，所产生的比容量和比 能量分别约为120～150mA h g^-1和500-580Wh Kg^-1，无法与商用锂电 池媲美。且材料的离子电导、电子电导、倍率特性和循环稳定性也都 无法满足实用要求。

发明内容