[发明专利]一种氮掺杂球形磷酸钒钠/碳复合材料及其制备方法和钠离子电池

说明书

本发明提供了一种氮掺杂球形磷酸钒钠/碳复合材料及其制备方法和钠离子电池，本发明使用复合天然多糖，充分利用各自的性能与结构优势，通过吸附、螯合、聚集、水热与溶剂热反应，使其发生交联聚合，经碳热还原热处理制备得氮掺杂球形磷酸钒钠/碳复合材料，用作钠离子电池正极材料，其放电电压容量、倍率和循环性能优异。

技术领域

本发明属于钠离子电池正极材料技术领域，尤其涉及一种氮掺杂球形磷酸钒钠/碳复合材料及其制备方法和钠离子电池。

背景技术

锂离子电池(LIBs)已经得到广泛应用，但是锂资源匮乏及其特性使得电池成本高、安全性低。而钠资源丰富且其与锂具有相似的化学性质，这使得钠离子电池有可能取代锂离子电池并具有很大应用前景，已引起人们的广泛关注与研究，其中磷酸钒钠(NVP)正极材料就是研究热点之一，它具有高的理论比容量(117.6mAh g^-1)，电压平台平稳，安全性高，资源丰富，成本低，应用潜力大，但是钠离子尺寸大、离子扩散传输慢、导电性差、电化学性能低等缺点严重制约着它的应用。

WenChao Duan等人以V₂O₅，NH₄H₂PO₄，Na₂CO₃和抗坏血酸为原料通过水热辅助的溶胶-凝胶法合成了NVP/C纳米复合材料，将其用作钠离子电池正极材料时，在1C的倍率下放电容量可以达到94.9mAh g^-1，循环700圈后容量保持率达到96.1％，但是其倍率等性能低，结构较差，分散性不均匀，所以在充放电过程中结构容易坍塌。专利文献CN201711057052.2公布了一种通过溶胶-凝胶法制备磷酸钒钠的方法，通过包覆了一层碳的磷酸钒钠颗粒包裹于第二层碳网中，形成双层碳结构的磷酸钒钠复合材料，将其用作钠离子电池正极材料时，在2C的低倍率下放电容量也只为95.8mAh g^-1。专利文献CN105336924A公布了一种通过球磨和喷雾干燥相结合的方法制备碳包覆磷酸钒钠的方法，使用葡萄糖作为还原剂和碳源，水为分散剂，将NH₄VO₃、NaH₂PO₄·2H₂O和葡萄糖在水中进行球磨，经过喷雾干燥，煅烧后制得碳包覆的磷酸钒钠正极材料，作为钠离子电池正极时，在1C的倍率下首次放电容量为93.5mAh g^-1，循环了50圈后容量保持率为97.7％，但其制备过程复杂，其性能也较低。因此，目前急需开发具有优良性能的钠离子电池正极材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氮掺杂球形磷酸钒钠/碳复合材料及其制备方法和钠离子电池，该方法制备的复合材料作为正极电极极片具有优异的比容量、高倍率和循环稳定性。

本发明提供了一种氮掺杂球形磷酸钒钠/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将壳聚糖的酸溶液和含天然多糖的水溶液混合，得到复合糖溶液；

将钠源、钒源和磷源与所述复合糖溶液混合，搅拌，反应后再加入添加剂，得到混合物；

将所述混合物水热反应，分离，水洗，得到湿沉淀物；

将所述湿沉淀物进行溶剂热反应，分离，洗涤后干燥，得到前驱体粉末；

将所述前驱体粉末在惰性气氛下热处理，冷却，得到氮原位掺杂球形磷酸钒钠/碳复合材料。

优选地，所述天然多糖选自海藻酸钠、淀粉、木糖醇和羧甲基纤维素中的一种或多种。

优选地，所述壳聚糖的酸溶液中壳聚糖的质量浓度为0.2～0.4％；

所述含天然多糖的水溶液中天然多糖和水的质量体积比为(0.5～0.8)g:100mL；