[发明专利]一类高功率钠离子电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一类高功率钠离子电池正极材料及其制备方法，该钠离子电池正极材料为Na_4y+z‑xFe_x(P₂O₇)_yF_z/C复合材料，其中，碳的质量百分比为0～50％；钠元素、铁元素、磷元素、氟元素的摩尔比为(3～8):(3～5):(3.5～8):(0.8～3)。本发明钠离子电池正极材料具备快速充放电能力，功率密度高达50000W/kg，且充放电循环稳定、成本低廉，能满足大规模储能钠离子电池的应用要求。

技术领域

本发明属于钠离子电池正极材料技术领域，尤其涉及一类高功率钠离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

为了应对化石能源的日益减少及其产生的环境污染，我国正在大力发展风能、太阳能等新能源技术。但由于这些自然资源先天的波动性和不连续性，其产生的电能会使电网系统紊乱而不能直接并网，导致弃风、弃光严重，同时也是对新能源产业巨额投入的严重浪费。为解决这一问题，发展廉价、稳定的大规模储能技术作为可再生能源储存和转换的枢纽已经成为迫在眉睫的战略性课题。

众多候选中，以二次电池为代表的电化学储能系统，技术成熟、能量转化效率高，是最具潜力的发展方向。二次电池中，铅酸电池、高温钠硫电池、全钒液流电池虽然都能满足兆瓦级大规模储能系统的要求，但因为具有毒性或腐蚀性或成本太高，使得它们的应用受到一定限制。另外，作为先进二次电池的代表，锂离子电池是目前能量密度最高的电化学储能体系，已被广泛用作交通工具及便携式电子产品的动力电源，也具备用于大型兆瓦级储能电站的潜力。然而，全球锂资源的储量有限且分布不均，随着电动汽车市场的快速发展，锂的需求量急剧增加，导致锂离子电池成本居高不下且节节攀升。近年，与锂离子电池工作原理相似的室温钠离子电池脱颖而出，引起研究者浓厚的兴趣。相比锂离子电池，钠离子电池工作电压和能量密度略低，但由于钠储量丰富，电池的成本更低，使其在大规模应用中具有较大的优势和发展前景。

作为大规模的电化学储能系统，不仅要求储电容量满足需求，而且要求系统具备一定的功率，能够实现快速削峰填谷，稳定系统。电池由于其本身固有的性质所限，功率输出性能不及超级电容器，加之钠离子半径较大，在固态电极材料和电极/溶液界面中的传输速率缓慢，使得当前钠离子电池的功率密度无法满足大规模储能系统的要求。因此，寻找能稳定储存且允许快速脱嵌的储钠电极材料，特别是正极材料，是钠离子电池实现规模应用的关键。

目前，钠离子电池正极材料主要包括过渡金属氧化物、普鲁士蓝类和聚阴离子型化合物三类。过渡金属氧化物Na_xMO₂(包括O₃-型和P₂-型，M＝Fe,Cr,Mn,Co,Ni)正极，普遍存在成本高、安全性低或结构稳定性差等缺点。普鲁士蓝类化合物Na_1+xM₁M₂(CN)₆的性能与其晶格中的缺陷和水分含量密切相关，因此合成条件非常苛刻，高温下的不稳定性以及CN^-潜在的毒性也不利于它的发展。受LiFePO₄在锂离子电池中成功应用的激励，聚阴离子型正极材料在钠离子电池中的应用前景也受到一致看好。聚阴离子型化合物结构稳定，能允许钠离子的反复脱嵌，热稳定性好，成本低廉。然而，这类正极工作电压不高，而且由于大阴离子基团的存在，电子和离子电导率极低，这些缺陷制约了其大规模应用。

发明内容

针对现有技术中钠离子电池存在的功率密度无法满足大规模储能系统的要求，本发明提供了一类高功率钠离子电池正极材料及其制备方法。