[发明专利]一种碳包覆磷酸铁钠复合电极材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆磷酸铁钠复合电极材料及其制备和应用，所述的复合电极材料应用在电化学储能，包括粒径为30‑90nm的碳包覆磷酸铁钠颗粒，所述碳包覆磷酸铁钠为三维菱形结构，所述复合电极材料中具有孔道。上述的碳包覆磷酸铁钠复合电极材料制备方法包括以下步骤：步骤1：制备铁基金属有机框架；步骤2：将铁基金属有机框架与磷酸二氢钠以预设比例混合，在保护气氛下进行热解反应，得到所述的碳包覆磷酸铁钠复合电极材料。本发明制得的复合电极材料储钠容量高、循环性能稳定、倍率性能优异等优势。

技术领域

本发明属于电化学储能电极材料技术领域，尤其涉及一种碳包覆磷酸铁钠复合电极材料及其制备和应用。

背景技术

能源为人类文明的发展提供了物质基础。随着全球经济的飞速发展，人类对能源的需求不断提高。目前，天然气、石油、煤等为人类提供主要的能源。然而人类对这些化石能源的无止境开采，造成了极大的环境污染问题。此外，化石能源本身的不可再生性导致其逐渐枯竭。

电化学储能具备安全性高、效率高、价格低廉和操作简单等特点，最适合现如今能源的发展。其中锂离子电池更具有安全性高、环境友好、能量密度大、循环时间长、无记忆效应等特点，已经广泛应用于便携式电子产品、电动汽车以及大中型储能电池中。然而锂资源在全球分布极不均匀，主要分布于南美洲，且在地壳中的丰度较低，因此锂资源价格波动剧烈，势必将成为战略资源；并且为满足日渐增长的需求量，我国锂资源高度依赖进口。

锂资源短缺势必导致锂电池在电动汽车以及大中型储能电池和设备中的应用受到制约。因此，为满足大规模能源存储系统的要求，寻找下一代具有高功率密度和能量密度及低成本的储能器件与电极材料具有重要意义。钠和锂属同一主族元素，在电池工作中均表现出相似的“摇椅式”电化学充放电行为。钠离子电池储能体系以其原料丰富、成本低、分布广泛、能量转换效率高等诸多优势成为替代锂离子电池的新一代电池主角。市场预期钠电池在电网储能、低速电动车场景下的铅酸电池替换、大型交通设备动力供应等，对能量密度要求略低、对电池稳定性和成本更加敏感的应用场景下，将有广阔前景。此外，钠离子电池正极材料不含钴(或多元正极材料中含钴量较低)、含镍少的特点，很大程度地降低了后期防范废弃电池重金属污染的回收成本。比起锂离子电池，钠离子电池除了具备显著经济效益外，其保障我国能源安全、降低废弃电池污染等政治意义和社会效应，同样值得引起关注。因此，发展针对于大规模储能的钠离子电池具有重要的战略意义。

但是，钠离子半径比锂离子半径大，导致能适用于锂离子电池的电极材料未必可以很好地适用于钠离子电池，所以寻找合适的电极材料来进行储钠，以及确保钠离子能在材料中快速的可逆嵌入/脱嵌成为了一个巨大的挑战。因此，寻找比容量高、结构稳定且价格低的正极材料是提高钠离子电池整体性能的关键。

目前报道的钠离子电池正极材料主要为普鲁士蓝类化合物、金属氧化物和聚阴离子型化合物。但是钠离子电池材料多集中在形貌控制和改性上。无法为半径较大的钠离子快速传输提供更多的通道，电导率、钠离子扩散迁移率有待进一步提升。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种碳包覆磷酸铁钠复合电极材料及其制备和应用，所得到的碳包覆磷酸铁钠复合电极材料具有大量的孔道，作为电化学储能的正极材料，具有储钠容量高、循环性能稳定和倍率性能优异等优势。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种碳包覆磷酸铁钠复合电极材料，用于电化学储能，所述复合电极材料包括粒径为30-90nm的碳包覆磷酸铁钠颗粒，所述碳包覆磷酸铁钠为三维菱形结构，所述复合电极材料中具有孔道，所述孔道的平均孔径为10-30nm，所述复合电极材料的孔隙率为25-40％，所述碳包覆磷酸铁钠复合电极材料通过热处理金属有机框架制备。

优选地，所述孔道包括平均孔径为10-20nm和平均孔径为20-30nm的孔道。

根据相同的发明构思，本发明还提供了一种碳包覆磷酸铁钠复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：