[发明专利]一种磷酸钒钠碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种磷酸钒钠碳复合材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：（1）将钒源、磷源、钠源、碳源以及草酸溶于水中混匀制备前驱体溶液；（2）将前驱体溶液与乙二醇混匀后，在170~200℃下反应10~16小时，分离沉淀并干燥获得中间产物；（3）将中间产物研磨后在惰性气氛保护下煅烧获得所述磷酸钒钠碳复合材料，煅烧为两步法煅烧，第一步温度为300~350℃，时间为4~8小时；第二步温度为750~850℃，时间为4~6小时。本发明复合材料为规则的球形颗粒，颗粒间相互连接形成疏松的多孔结构，这种结构有利于缩短钠离子在磷酸钒钠材料中的扩散路径，此外碳材料也能改善磷酸钒钠本征电导率不足的问题。

技术领域

本发明涉及钠离子电池技术领域，特别是涉及一种磷酸钒钠碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

钠离子电池具有成本低廉，钠资源丰富，提取技术成熟，安全性能好等优点，被认为是理想的下一代储能电池。钠离子电池与锂离子电池工作原理类似，电池工作时，钠离子可逆的在正负极材料的晶体结构中嵌入/脱出，实现充放电。尽管钠离子电池具有上述优势，其商业化应用仍受困于寻找合适的钠离子电池正负极材料。其中正极材料是限制钠离子电池能量密度的关键材料之一。钠离子电池常见的正极材料包括金属氧化物NaMO₂氧化物，如NaCoO₂，NaMnO₂，NaFeO₂等，虽然他们具有较高的氧化还原电位，但由于钠离子半径比锂离子要大得多，使得在嵌入脱出过程中结构发生不可逆转变，造成容量迅速下降。第二类研究较多的为聚阴离子型化合物，它们是基于磷酸盐，氟磷酸盐等形成聚阴离子骨架的化合物。典型的有NaFePO₄，这种材料与LiFePO₄相比可逆性较差，这是由于Na⁺嵌入会发生固溶体反应，生成新相，阻碍反应进一步发生，因此没有像LiFePO₄一样的自由迁移通道。另一类钠超离子导体NASICON材料，也是一种具有典型三维骨架架构的聚阴离子化合物，其中Na₃V₂(PO₄)₃是研究较为广泛的一种NASICON材料，其具有高能量密度，稳定结构，较稳定的工作平台和较好的热稳定性，被认为是最具前景的正极材料。它的晶体结构包括三方晶系与单斜晶系两种。三方晶系的Na₃V₂(PO₄)₃晶体结构中VO₆八面体角与PO₄四面体共角相连组成三维骨架。Na⁺可以沿着x，y，z轴三个方向扩散，因此离子的扩散系数较高。然而由于P-O键，V-O键的作用力较强，使得该材料的自由电子数较少，电子导电率低，材料在大电流充放电的倍率性能较差。