[发明专利]棒状钠离子正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种棒状钠离子正极材料及其制备方法和应用，该材料包括棒状的基材及穿插于所述基材中的纳米纤维，所述纳米纤维上负载C‑Na，所述棒状钠离子正极材料的化学通式为Na（Fe_aT_b）PO₄/CNF‑c(C‑Na)，其中T为Ni、Co、Zn、Mn、Fe、V、Ti或Mo中的至少一种，0.9≤a1，0b≤0.2，0.001≤c≤0.1。本发明一方面采用掺杂部分过渡金属元素，改善其电化学性能，另一方面通过加入调控剂合成棒状钠离子正极材料，并加入负载C‑Na的纳米纤维来调节大小棒状材料比例，防止单一结构导致其稳定性、电子传递特性较单一，优化单一的Na（Fe_aT_b）PO₄棒状纳米结构的组成，加入的纳米纤维能缓解钠离子嵌入和脱出过程中产生的应力以及体积变化。

技术领域

本发明属于钠离子电池技术领域，具体涉及一种棒状钠离子正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池(LIBs)能提供较高的能量密度，但钠离子电池(SIBs)是扩大可充电电池种类的最有前途的选择之一。当前提高SIBs性能的主要方法是掺杂锌、锰、铁等元素，其主要目的在于降低成本和供应风险，调控正负极材料的性能。

SIBs正极材料根据其结构可分为四种主要类型，即聚阴离子化合物、转化材料、层状氧化物和富钠材料。其中，NaFePO₄钠离子电池正极材料是聚阴离子化合物中最有前途的候选材料，因热稳定性良好、原材料常见，能满足许多应用要求。然而，该材料的充放电循环性能较差以及钠的扩散率较低，导致其导电性低、容量保持率低，限制了其进一步发展。

为解决上述问题的方法有很多，包括改变材料结构、形貌改变、掺杂和涂层等。在这些方法中，掺杂、形貌改变已被证明是一种有效和通用改进方法。形貌改变不仅可以提高电导率，而且可以模拟合成过程中的生长过程，掺杂本身可以提高正极材料的电导率。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种棒状钠离子正极材料及其制备方法和应用，一方面采用掺杂部分元素，改善其电化学性能，另一方面改变材料的形貌，通过加入调控剂合成棒状钠离子正极材料，并加入负载C-Na的纳米纤维来调节大小棒状材料的比例，优化棒状纳米结构的组成，通过上述两方面改进措施，借此来解决低循环性能、低能量密度、低导电性问题。

根据本发明的一个方面，提出了一种棒状钠离子正极材料，包括棒状的基材及穿插于所述基材的纳米纤维，所述纳米纤维上负载C-Na，所述棒状钠离子正极材料的化学通式为Na（Fe_aT_b）PO₄/CNF-c(C-Na)，其中T为Ni、Co、Zn、Mn、Fe、V、Ti或Mo中的至少一种，0.9≤a1，0b≤0.2，0.001≤c≤0.1。

在本发明的一些实施方式中，所述基材与所述纳米纤维的质量比为20：（0.02-1）；所述纳米纤维的截面直径与所述基材的截面直径之比为1：（0.5-5）。进一步优选的，所述纳米纤维的截面直径大于所述基材的截面直径。所述纳米纤维的截面直径与所述基材的截面直径之比为1：（0.5-1）。

在本发明的一些实施方式中所述C-Na的负载量为所述纳米纤维质量的0.1-10%。

本发明还提供所述的棒状钠离子正极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将磷酸源、铁源、钠源、T源、调控剂和负载C-Na的纳米纤维分散液进行混合，在惰性气氛下干燥，得到待烧结物料；

S2：所述待烧结物料在惰性气氛下先进行低温烧结以分解所述调控剂，得到一烧粉料，将所述一烧粉料进行洗涤、干燥、球磨，再进行高温烧结，即得所述棒状钠离子正极材料。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述磷酸源为磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸、磷酸钠或磷酸氢钠中的至少一种。