[发明专利]一种磷酸钒钠复合电极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电极材料领域，具体涉及一种磷酸钒钠复合电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着锂离子电池的成功商业化，锂的需求量大大增加，而锂的储量有限，且分布不均，这对于发展要求价格低廉、安全性高的智能电网和可再生能源大规模储能的长寿命储能电池来说，将是一个严重的瓶颈问题。因此，亟需发展下一代综合效能优异的储能电池新体系。与锂离子电池相比，钠离子电池具有钠资源丰富、价格低廉且分布广泛等优势。因此，作为一种锂离子电池的潜在替代品，钠离子电池近期得到了人们的广泛关注。

电极材料是钠离子电池技术的关键。由于钠离子与锂离子相比具有更重的原子质量、更大的离子半径和更低的标准电极电位，这使得Na+在电极材料中的脱/嵌更加缓慢，进而影响电池的循环和倍率性能。因此，为了发展性能优异的钠离子电池，开发具有高能量密度的电极材料至关重要。

作为一种重要的钠离子电池电极材料，Na₃V₂(PO₄)₃是Na₃M₂(PO₄)₃(M＝Al³⁺，Sc³⁺，Ti³⁺和Fe³⁺)族化合物中重要的一员，属于NASICON型聚阴离子化合物，也是聚阴离子型钠离子电池电极材料的典型代表。Na₃V₂(PO₄)₃具有较大的三维通道结构，可供钠离子进行快速脱/嵌。Na₃V₂(PO₄)₃属于六角晶系，空间群为R-3c，晶胞参数为Na₃V₂(PO₄)₃每个晶胞包含6个Na₃V₂(PO₄)₃化合式量，其晶体结构是由每个VO₆八面体通过共用氧原子与3个PO₄四面体相连组成，其中Na⁺有两个占据位点：Na1和Na2。其中，Na1位置Na⁺的占有率是1，而Na2位置Na+的占有率是2/3，并且在充放电过程中Na2位置的2个Na+首先脱出或嵌入，晶体结构变化为Na₃V₂(PO₄)₃/NaV₂(PO₄)₃，对应V⁴⁺/V³⁺的氧化还原电对，充放电平台为3.4V。充放电过程中，Na₃V₂(PO₄)₃材料可保持良好的晶体结构稳定性、体积变化小且具有良好的热稳定性，利于促进Na₃V₂(PO₄)₃电极材料的循环稳定性和工作安全性。

作为钠离子电池正极材料，Na₃V₂(PO₄)₃的理论比容量(对应于每分子2个Na⁺脱/嵌)是117.6mAh·g^-1,略低于过渡金属氧化物钠离子电池正极材料。并且，Na₃V₂(PO₄)₃的电子电导差，在充放电过程中很难达到其理论比容量，并且导致其倍率性能不理想。这些严重影响了Na₃V₂(PO₄)₃电极材料的能量密度，进而对其在大规模储能应用方面造成不利影响。因此，如何改善Na₃V₂(PO₄)₃材料的电子电导率，提高其放电比容量、大电流充放电性能是钠离子电池推广应用的亟需解决的技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种磷酸钒钠复合电极材料及其制备方法和应用。所述磷酸钒钠复合电极材料具有高比容量高倍率性能等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：