[发明专利]高性能磷酸钒钠对称型钠离子电池材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种高性能不同形貌磷酸钒钠对称型钠离子电池材料及其制备方法，其可作为钠离子电池正极材料和负极材料。 

背景技术

随着对能源需求的日益增长，探寻新的能源储存系统来克服传统燃料储能已成为当今一项挑战。由于可充电锂电池的低价、长循环寿命、高能量密度和不错的可逆性的特征，它已成为诸多研究的焦点。毫无疑问，大规模的实施可再生能源的发展要求成本低廉且高效的储能系统。然而，随着锂离子电池进入量化生产，对金属锂的大量需求,定会导致其价格在不久的将来大幅度上涨。 

金属钠，在元素周期表中,位于金属锂的下方。在某种程度上来说，它们有着相似的物理性质和化学性质。因此，在可充电电池方面，金属钠有可能成为金属锂的最具潜力的替代品。而且，金属钠的含量在自然界中很是可观(地壳中的丰富度位居第四)。不仅如此，廉价也是其优势之一。这一切金属钠所具备的优点，赋予了基于钠离子可充电电池研究的可能性，也就是说，由于金属钠与金属锂的相似性，能够在金属锂身上实现的发展，也应同理可以实施在金属钠上。照这种观点，很显然，钠离子电池开辟了一条发展储能系统的新方向。 

磷酸钒钠是一种很具有潜力的电极材料，因为它是典型的钠超离子导体型结合体。其具有充放电平台高，理论容量高和结构稳定等诸多优点。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、符合绿色化学的要求、具有优良电化学性能的不同形貌的磷酸钒钠钠离子电池材料及其制备方法。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：磷酸钒钠对称型钠离子电池电极材料，其为外层附有均匀碳层的磷酸钒钠纳米颗粒，磷酸钒钠纳米颗粒大小为60-90nm，采用下述方法制得，包括以下步骤： 

1）首先量取10ml去离子水置于100ml烧杯中，称取2mmol的偏钒酸铵放入烧杯中搅拌20-30分钟，至混合溶液混合均匀； 

2）量取3mmol的磷酸滴入步骤1）的混合溶液中，完全滴入后，继续搅拌30分钟； 

3）称取1.5mmol的碳酸钠慢慢加入步骤2）中的棕色混合溶液中，继续搅拌20分钟； 

4）向步骤3）所得溶液中加入乙炔黑，其加入量占所加入的偏钒酸铵、磷酸和碳酸钠总质量的10%，在常温下搅拌4-6小时，得到混合溶液； 

5）将步骤4）所得的混合溶液放入70℃的烘箱烘干24小时； 

6）将步骤5）所得干燥粉末取出放置真空管式炉中在氩气氛围中烧结，其中先以300-400℃烧结4小时，再以700-900℃烧结8小时；待管式炉慢慢冷却后，即得到外层附有均匀碳层的磷酸钒钠纳米颗粒。 

磷酸钒钠对称型钠离子电池电极材料，其为磷酸钒钠纳米管，直径在20-30nm，呈卷曲的管状缠绕在一起；采用下述方法制得，包括以下步骤： 

1）首先量取10ml去离子水置于100ml烧杯中，称取2mmol的偏钒酸铵放入烧杯中搅拌20-30分钟，至混合溶液混合均匀； 

2）量取3mmol的磷酸滴入步骤1）的混合溶液中，完全滴入后，继续搅拌30分钟； 

3）称取1.5mmol的碳酸钠慢慢加入步骤2）中的棕色混合溶液中，继续搅拌20分钟； 

4）向步骤3）所得溶液中加入碳纳米管，其加入量占所加入的偏钒酸铵、磷酸和碳酸钠总质量的10%，在常温下搅拌4-6小时，得到混合溶液； 

5）将步骤4）所得的混合溶液放入70℃的烘箱烘干24小时； 

6）将步骤5）所得干燥粉末取出放置真空管式炉中在氩气氛围中烧结，其中先以300-400℃烧结4小时，再以700-900℃烧结8小时；待管式炉慢慢冷却后，即得到磷酸钒钠纳米管。 

磷酸钒钠对称型钠离子电池电极材料，其为磷酸钒钠纳米片，厚度在150-200nm，长与宽均在5-6μm；均采用下述方法制得，包括以下步骤： 

1）首先量取10ml去离子水置于100ml烧杯中，称取2mmol的偏钒酸铵放入烧杯中搅拌20-30分钟，至混合溶液混合均匀； 

2）量取3mmol的磷酸滴入步骤1）的混合溶液中，完全滴入后，继续搅拌30分钟； 

3）称取1.5mmol的碳酸钠慢慢加入步骤2）中的棕色混合溶液中，继续搅拌20分钟； 

4）向步骤3）所得溶液中加入石墨，其加入量占所加入的偏钒酸铵、磷酸和碳酸钠总质量的10%，在常温下搅拌4-6小时，得到混合溶液； 

5）将步骤4）所得的混合溶液放入70℃的烘箱烘干24小时；