[发明专利]一种软碳包覆磷酸钛钠介孔复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种软碳包覆磷酸钛钠介孔复合材料及其制备方法与应用。该方法使用壳聚糖和柠檬酸作为碳源，充分利用二者性能与结构等优势，通过吸附、螯合反应和水热处理，使其发生交联聚合反应，最后通过热处理得到软碳包覆磷酸钛钠介孔复合材料。本发明得到的软碳包覆磷酸钛钠复合材料具有孔径为2‑10nm的介孔结构，软碳包覆层和介孔结构可显著提高NaTi₂(PO₄)₃材料的导电性，有利于钠离子的脱出与嵌入，软碳骨架为钠离子通过活性材料和电解液提供了连续的转移路径，而且薄软碳层缩短了NaTi₂(PO₄)₃中钠离子的扩散路径，同时对钠离子嵌入/脱出过程中引起的体积膨胀进行调节，其放电电压随容量变化小、电化学性能优异。

技术领域

本发明是一种软碳包覆磷酸钛钠介孔复合材料及其制备方法与应用，属于钠离子电池负极材料技术领域。

背景技术

目前钠离子电池负极材料研究较多的是碳基材料、合金类材料、钛基类材料以及其他类型的储钠负极材料。磷酸钛钠NaTi₂(PO₄)₃(NTP)属于钛磷酸盐类钠离子电池负极材料，为NASICON型结构，是一种快离子导体材料，由于其固有的成本低、安全性高、结构稳定性好、合适的电压平台和高能量密度等优点，被认为是钠离子电池(SIB)理想的负极材料之一。然而，NTP存在低的电导率、较大的钠离子半径、电子和Na离子的缓慢动力学、高倍率循环性能差等缺点，因而达不到理想效果。当前，主要以碳包覆或与石墨烯、碳纳米管复合来制备磷酸钛钠负极。而碳包覆材料主要采用葡萄糖、柠檬酸等形成硬碳(HC)包覆层。

硬碳是指在2500℃以上的高温也难以石墨化的无定型碳；软碳是指在2500℃以上的高温下能石墨化的无定型碳。硬碳材料虽具有高的可逆比容量，结构稳定，安全性能好等优点，但是存在放电电压随容量变化大、充放电效率低等问题，现在硬碳材料主要用作锂离子电池负极材料，而用于包覆NTP负极材料其效果不理想。如：中国专利文献CN108615855A公开了一种碳包覆制备的磷酸钛钠材料及制备和应用，该方法使用溶胶凝胶法，以柠檬酸作为碳源，两次烧结制备了硬碳包覆的NTP材料，在1C下首次放电比容量为200mAh/g，循环200圈后容量仅为150mAh/g。

软碳(SC)具有较高的石墨化程度，与电解液的相容性好,作为负极材料具有平稳的充放电电位平台，充放电容量大且效率高，倍率性能、循环性能和导电性好等优点。经检索，现有公开的碳包覆NTP材料多为硬碳包覆NTP，未见有关软碳包覆NTP负极材料的报道，并且均未有介孔结构，且电化学性能较差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种软碳包覆磷酸钛钠介孔复合材料及其制备方法与应用。本发明使用壳聚糖和柠檬酸作为碳源，充分利用二者各自的性能与结构优势，通过吸附、螯合反应和水热处理，使其发生交联聚合反应，经热处理制备得到软碳包覆磷酸钛钠介孔复合材料，用作钠离子电池负极材料，其放电电压随容量变化小、倍率和循环性能优异。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种软碳包覆磷酸钛钠介孔复合材料，所述的复合材料包括磷酸钛钠颗粒和包覆在磷酸钛钠颗粒表面的软碳骨架，复合材料中NaTi₂(PO₄)₃的质量含量为85-95％，碳的质量含量为5-15％；该复合材料具有介孔结构，孔径为2-10nm。

本发明还提供一种软碳包覆磷酸钛钠介孔复合材料的制备方法。

一种软碳包覆磷酸钛钠介孔复合材料的制备方法，包括步骤如下：

(1)将壳聚糖溶于酸性溶液中，搅拌得到溶液A；

(2)将钠源、磷源溶于去离子水中搅拌，并调节PH值，得到溶液B；