[发明专利]金属氧化物/氮-磷共掺杂碳复合材料及其制备方法和在钠离子电池负极材料中的应用

说明书

本发明公开了一种金属氧化物/氮‑磷共掺杂碳复合材料及其制备方法和在钠离子电池负极材料中的应用。该复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)将金属氧化物与含氮有机聚合物单体溶液混合，然后进行聚合反应，得到含氮有机聚合物包覆金属氧化物的复合物；(2)煅烧，得到金属氧化物/氮掺杂碳复合材料；(3)将金属氧化物/氮掺杂碳复合材料与金属氧化物前驱体溶液混合，得到粉末材料；(4)将步骤(3)所得的粉末材料和次磷酸钠在惰性气体环境中碳化处理，得到金属氧化物/氮‑磷共掺杂碳复合材料。本发明所得到的复合材料具有优异的电化学性能，在钠离子电池以及其他电极材料中具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，具体涉及一种金属氧化物/氮-磷共掺杂碳复合材料及其制备方法和在钠离子电池负极材料中的应用。

背景技术

气候变化和化石资源的枯竭导致能源生产/消费结构由高碳向低碳、无碳转变的必然趋势，这就需要低成本、可持续的太阳能、风能等可再生能源储存/转换系统。在电化学储能技术中，锂离子电池(LIBs)以其具有竞争力的能量密度(150-250Wh/kg)和循环寿命(一般为～1000循环)，作为消费电子产品和电动汽车的主要能源来源而备受关注。然而，新一代储能装置在各种应用中，特别是在电动汽车电源中，面临着比锂更大的功率密度和更高的能量密度、更低的成本和更丰富的资源、比目前的LIBs更长的寿命等更严格的要求。因此探寻一种可替代产品成为当前的研发重点。

钠离子与锂离子的物理化学性质相似，其中钠资源在地壳中的含量相对锂资源更加丰富，其中钠的价格远低于锂的价格，因此钠离子电池在可替代锂离子电池的研发中存在较大可能，逐渐成为广大科研工作人员的研究对象。钠离子电池的主要构成可分为正负极电池壳、正极材料、隔膜电解液、负极材料、垫片、弹片。在钠离子负极材料中，过渡金属氧化物电极材料有着优异的性能，其中以典型材料二氧化钼(MoO₂)为例，其有着838mAh g^-1的高理论容量，以及在充放电过程中有着高的稳定性，而且其电阻率在300K的条件下展现出约8.8×10^-5Ωcm^-1低的电阻率值，从而其饱受科研工作者的关注。

然而在充放电过程中的钠离子嵌入与脱出过程会造成金属氧化物材料严重体积膨胀。目前主要改善电极材料体积膨胀和导电性的问题主要通过与碳材料相复合的方式。例如，Gao和Majid Beidaghi等人以MoO₃纳米片为前驱体，通过与无定型碳的复合得到了MoO₂纳米片/碳复合材料，表现出明显提升的储钠性能，在0.1C下经50次循环后其可逆容量相比未经碳包覆的MoO₂纳米片要高出将近260mAh/g。但由于片层之间堆积紧密，不利于电解液的浸润和钠离子的扩散，其倍率性能仍不甚理想。因此，基于电极材料的合理结构设计，与高导电性碳复合，开发具有优异循环稳定性和倍率性能的金属氧化物类电极材料是推动它在钠离子电池中应用的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属氧化物/氮-磷共掺杂碳复合材料及其制备方法和在钠离子电池负极材料中的应用，提升材料的电化学性能。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

本发明公开了一种金属氧化物/氮-磷共掺杂碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属氧化物与含氮有机聚合物单体溶液混合，然后进行聚合反应，得到含氮有机聚合物包覆金属氧化物的复合物；

(2)将步骤(1)中所得的含氮有机聚合物包覆金属氧化物的复合物进行煅烧，得到金属氧化物/氮掺杂碳复合材料；

(3)将步骤(2)所得的金属氧化物/氮掺杂碳复合材料与金属氧化物前驱体溶液混合，得到粉末材料；

(4)将步骤(3)所得的粉末材料和次磷酸钠在惰性气体环境中碳化处理，得到金属氧化物/氮-磷共掺杂碳复合材料。