[发明专利]三聚磷酸混合过渡金属钠盐在制备锂离子电池或锌离子电池中的应用

说明书

本发明公开一种三聚磷酸混合过渡金属钠盐在制备锂离子电池或锌离子电池中的应用。该三聚磷酸混合过渡金属钠盐的化学式为：Na_xB_3‑xC_yD_2‑yP₃O₁₁，其中B为K、Li、Ca、Rb、Cs；x的范围为0＜x≤3；C、D为Mn、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Mg、Ru、Rh、Tc、In、Mo，y的范围为0≤y≤2。本发明利用溶胶凝胶法，建立一种适合工业化生产的合成高性能多功能二次电池电极材料的方法。且该三聚磷酸混合过渡金属钠盐能够用于多种摇椅式电池(锌离子、钠离子或锂离子电池)的正极或负极，具有多功能性且具有高性能和高工作电压等，有助于简化生产线，降低生产成本。

技术领域

本发明属于离子电池电极材料技术领域，特别涉及一种三聚磷酸混合过渡金属钠盐(Na_xB_3-xC_yD_2-yP₃O₁₁)在制备锂离子电池或锌离子电池中的应用。

背景技术

锂离子电池由于具有优异的电化学性能，已经成为目前发展最成熟的能量储能器件之一并广泛应用在各种小型便携式电子设备中，同时也逐渐开始应用在混合动力汽车和电动汽车等动力能源领域。随着锂离子电池应用的日渐广泛，锂资源的价格及其固有的资源局限性正逐渐引起人们的关注。与此同时，由于钠与锂在元素周期表上相邻并处于同一主族，它们具有许多相似的化学性质。此外，钠元素和锌元素在地球上的储量十分丰富。分布十分广泛。因此，钠离子电池和锌离子电池由于其低成本的特性很快地引起了科学家们的关注，有望成为继锂离子电池之后成为另一个热门的储能体系。

与锂离子电池相比，钠离子电池具有以下几个明显的优势：1)由于钠元素与锂元素及其相关化合物具有相似的物化性质，因此钠离子电池与锂离子电池具有相近的工作原理。科学家可以借鉴过去锂离子电池的研究经验快速开发出综合性能优异的钠离子电池，使得钠离子电池的产品开发周期小于预期；2)钠元素在地壳中的含量排名第六，此外，海洋中更是有取之不尽的钠元素，资源十分丰富，制备简单，相比锂离子电池在原材料方面具有明显的成本优势；3)金属钠的电极电位要比金属锂要低0.3V左右，因此可以利用分解电位较低的电解质，同时还可以开发水系的电解质，摒弃易燃的有机电解质，提高电池电芯的安全性。然而，钠离子电池也有明显的缺点。首先，钠离子的半径要比锂离子大得多，从而导致钠离子更加不易在电极材料中自如的脱嵌；其次，钠离子的相对原子质量要比锂离子也大得多，从而导致相同体系下的钠离子电池的比容量普遍低于锂离子电池；最后，虽然较低的电极电势赋予了钠离子电池在电解质选择方面的多样性，但同时也导致了钠离子电池的能量密度普遍低于锂离子电池。虽然钠离子电池具有这些不可忽视的缺点，但瑕不掩瑜，资源丰富以及成本低廉的优点使得钠离子电池在对体积能量密度要求不高的电网级(MWh)储能电站体系中仍然具有很大的发展潜力和应用前景。

而锌离子电池通常以水系电池为主。由于锌离子半径略小于钠离子，理论上说，钠离子可以自由脱嵌的材料，锌离子同样也可以在其中自由脱嵌，并且不需要更换隔膜。锌离子电池的优势为：可以使用水作为电解液的溶剂，相比钠离子电池和锂离子电池使用的有机液体，更加易得和低成本。同时，有机液体会污染环境且非常易燃，使用水作为溶剂更加安全。

聚阴离子型材料的应用是解决钠离子电池正极材料的稳定性问题的有效方案，以聚阴离子型磷酸盐材料为例，由较强的P-O键结合而成的四面体结构将氧离子紧紧地束缚在磷离子的周围，使这种材料具有较好的热稳定性。但该材料的电子和离子电导率差，不适宜大电流充放电，虽然通过摻杂和碳包覆等手段已经大大地提高了其电子电导率，但其离子电导率仍然较低。

三聚磷酸混合过渡金属钠盐可作为钠离子电池的正极材料，但是并没有任何文献报道该类型材料在其他离子电池电极材料方面的应用。

发明内容