[发明专利]一种碳包覆的磷酸铁钠钠离子电池正极材料、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种碳包覆的磷酸铁钠钠离子电池正极材料、其制备方法及应用，是将碳源化合物、含磷的钠源化合物、铁源化合物及螯合剂溶解于甲醇和N,N‑二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌、干燥后得到凝胶前驱体，将凝胶前驱体在氮气气氛下经过两次煅烧，即得到碳包覆的磷酸铁钠钠离子电池正极材料。本发明提供的钠离子电池正极材料颗粒粒径为15～45nm，具有优越的储钠容量、优异的充放电循环稳定性(循环100周后，容量保持率为94.2％)，是钠离子电池的理想正极材料；本发明合成工艺简单、成本低廉，便于产业化控制，能满足大规模能量存储器件的应用要求。

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种钠离子电池正极材料的制备及应用，特别涉及一种碳包覆的磷酸铁钠材料的制备及应用。

背景技术

能源是社会发展不可或缺的基本条件，也是人类赖以生存的物质基础，随着石油、煤炭等传统化石能源日益枯竭，开发利用新能源，研究发展高安全性、低成本储能技术刻不容缓。锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长、自放电小等优势在便携式电子设备、动力汽车中得到了广泛应用，与此同时，不断减少的锂资源和不断攀升的锂价格，使得人们将更多的目光转向了钠离子电池。

钠离子电池与锂离子电池具有相似的工作原理，但是在成本、资源、能耗方面，钠离子电池在大规模储能领域具有更大的市场竞争优势，这意味着，使用钠离子电池替代锂离子电池具有很强的可行性。由于钠离子半径比锂离子半径大，钠离子在正负极之间脱嵌过程更加困难，这就对钠离子电池的电极材料提出了更高的要求。

铁基正极材料olivine型LiFePO₄成功的商业化应用为NaFePO₄的发展带来了更多机会。NaFePO₄由于其理论容量高、热稳定性好、电压平台高、结构稳定且原料丰富等特点，有望成为下一代优选的钠离子电池正极材料。与LiFePO₄不同，NaFePO₄主要有maricite和olivine两种晶型：olivine型NaFePO₄是热力学不稳定相，常规方法无法直接合成，常采用化学或者电化学离子交换法合成，制备工艺复杂，成本高；maricite型NaFePO₄虽属于热力学稳定相，由于缺乏Na⁺扩散通道，常常被认为不具有电化学活性。Jongsoon Kim等人在《EnergyEnvironmental Science》上发表的题为“Unexpected discovery of low-costmaricite NaFePO₄ as a high-performance electrode for Na-ion batteries”文章中通过球磨法制备出纳米化的maricite型NaFePO₄，将该电极材料用于钠离子电池时，发现其经过200圈的循环后仍然具有优异的循环稳定性，且其比容量可达到142mAh g^-1。这说明，通过降低maricite型NaFePO₄颗粒至纳米尺度，可有效的激发NaFePO₄电化学活性；然而，耗时耗能的球磨工艺严重限制了其产业化应用的可能性，无法满足大规模能量存储的需求。

因此，如何简单快速地制备纳米化的maricite型NaFePO₄则显得尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于，克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种制备方法简便、成本低且便于产业化控制的、纳米尺度的、具有优异循环稳定性和高放电容量的碳包覆的磷酸铁钠钠离子电池正极材料、其制备方法及应用。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种碳包覆的磷酸铁钠钠离子电池正极材料，所述钠离子电池正极材料化学式为NaFePO₄/C，为碳包裹磷酸铁钠纳米颗粒的复合结构。

优选的，所述碳包裹磷酸铁钠纳米颗粒的粒径为15～45nm。