[发明专利]一种聚阴离子钠离子电池电极

说明书

本发明公开了一种聚阴离子钠离子电池电极及制备方法。本发明还提供了其制备方法。与现有技术相比，本发明以Zr、Al进行双金属掺杂，可以有效的影响聚阴离子化合物结构的变化、扩大晶面间隙，加速Na+迁移、同时产生大量的空穴载流子，增加聚阴离子化合物的电子传导率，增大聚阴离子化合物的导电性。同时Zr、Al共掺杂与改性石墨烯复合的策略可以显着提高结构稳定性，扩大Na⁺迁移通道，建立完善的导电网络，提高聚阴离子化合物的储钠性能。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，尤其涉及一种聚阴离子钠离子电池电极及其制备方法。

背景技术

钠离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液、集流体组成。其工作原理是其充放电过程一方面依靠钠离子在正负极之间嵌入脱出从而内部形成通路，另一方面通过电子在电极上得失并传输得以在外电路产生电流。钠离子电池相对于锂离子电池有很多优势：

(1)在能量密度方面，钠离子电池的能量密度在100-150W.h/kg；

(2)快充性能更好，其在于钠离子相对于锂离子斯托克斯直径更小，相同浓度的钠盐电解液比锂盐电解液离子导电率更高；

(3)低温性能更好，即使在零下低温环境，放电保持率也在85％以上；

(4)安全性能好；

(5)热稳定性强；

(6)成本低。

正极材料提供电池工作时需要的钠离子，且在很大程度上决定着电池所能提供的输出电压，是电池的重要组成部分。钠离子电池正极材料分为过渡金属氧化物、聚阴离子化合物、普兰士蓝类类似物三类。

聚阴离子类化合物是指由聚阴离子多面体和过渡金属离子多面体通过强共价键链接形成具有三维网状结构的化合物，化学式为Na_xM_y(X_aO_b)Z_w，其中M为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ca、Mg、Al、Nb等中的一种或几种；X为S、Si、P、As、B、Mo、W等中的一种；Z为F、OH等中的一种。常用的聚阴离子型正极材料可以为NaFePO₄、Na₂FeP₂O、Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇、Na₃V₂(PO₄)₃、Na₃NiZr(PO₄)₃、Na₃V₂(PO₄)₂F₃、Na₂FePO₄F、Na₂FeSiO₄中的一种；

聚阴离子化合物的结构较为稳定，有利于实现长期循环、热稳定性普遍较好，具有较高的安全性。聚阴离子类正极材料得益于聚阴离子基团的诱导作用和稳定而坚固的结构框架，使得聚阴离子类正极材料表现出比层状氧化物更高的氧化还原电位和Na+脱嵌过程中最小的结构重排，赋予电池长循环寿命、强稳定性、安全性。聚阴离子型正极材料通常可提供含有丰富离子扩散通道的储钠框架，离子在体相内的扩散取决于通道的维度和对载荷离子的作用。

然而，在聚阴离子化合物结构框架中，过渡金属离子往往被不传导电子的聚阴离子基团分隔，其价电子的电子云因孤立而阻碍了电子交换，致使材料的本征电子电导率极低，限制了聚阴离子正极的实际应用。而这类材料本征电子电导率低，导致其库伦效率偏低，循环稳定性差，同时，在电化学反应过程中，材料两相反应机制引起晶格体积变化，进一步降低其可逆性和循环性。