[发明专利]一种钠离子电池正极材料的制备方法

说明书

本发明属于钠离子电池技术领域，更具体地，涉及一种钠离子电池正极材料的制备方法。本发明提供了一种合成工艺简单且成本低的钠离子电池正极材料Nasubgt;2/subgt;FePOsubgt;4/subgt;F的制备方法。将FePOsubgt;4/subgt;·2Hsubgt;2/subgt;O粉末与NaF研磨混合，将混合后的原料置于水热反应釜中，进行水热反应得到Nasubgt;2/subgt;FePOsubgt;4/subgt;F前驱体材料，然后经烧结得到Nasubgt;2/subgt;FePOsubgt;4/subgt;F正极材料。本发明制备的钠离子正极材料Nasubgt;2/subgt;FePOsubgt;4/subgt;F的首次可逆容量可达110mAh/g，接近于理论比容量，且循环性能好，具有广泛的应用价值和极大的市场前景。

技术领域

本发明属于钠离子电池技术领域，更具体地，涉及一种钠离子电池正极材料的制备方法。

背景技术

随着全球锂矿资源竞争的日益加剧，锂价或将持续上涨，目前已高居50万/吨，锂资源的紧缺已严重影响锂电池的稳步发展。众所周知，钠与锂位于同一主族，具有相似的物化特性，但钠资源分布非常丰富，地壳丰度高达2.75％，而锂资源仅为0.0017％。更值得一提的是，研究者发现钠离子电池和锂离子电池其工作原理相似、关键技术融通，制备成相应的电极材料时，两种电池材料又表现出相似的性质。因此，在锂资源供给面临瓶颈，锂价“高攀不起”的当下，资源丰富且成本低的钠离子电池格外备受关注。已有不少研究者将目光投向来源丰富、成本更低、电化学性能更稳定、使用更安全的水溶液体系钠离子电池，使其在储能电池、基站备用电源、低速四轮车、电动两轮车等领域得以广泛应用，将与锂电形成互补格局。

虽然钠离子电池已备受关注，但钠离子具有较大的离子半径将使其在充放电脱嵌钠离子的过程中，动力学速率极其缓慢，这是研究者不得不面临且亟需解决的问题。同时，由于离子半径大不仅限制了材料的离子传输，也会在充放电过程中发生相变，导致材料结构变形，进而影响电池的循环稳定性。已有研究表明，可通过离子掺杂与表面包覆可解决上述提及问题。例如，Sun等人于2022年采用聚四氟乙烯为碳源和补氟剂，制备了碳包覆Na₃V₂(PO₄)₂F₃复合材料，显著提高了电池的可逆容量、倍率容量和循环稳定性。同年，Lu等人也报道了以甘蔗渣为碳源的碳包覆钠离子正极材料Na₂FePO₄F。结果表明，包覆碳后的正极材料电化学性能明显优于未包覆碳源的材料。

报道居多的钠离子正极材料主要有层状氧化物类化合物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子类化合物。经分析，层状氧化物类的正极材料具有比容量高的显著优势，但循环性能差；而普鲁士蓝类化合物也有较高比容量，但其毒性大。相比而言，聚阴离子类的正极材料最大优势在于循环稳定性好，且可应用于水溶液体系，大大增加了其安全性能。

作为电极材料，比容量是衡量电池性能至关重要的因素。研究者采用包覆、掺杂等多种技术以提高电极的比容量、循环稳定性等。虽然Lu等人已有用草酸铁、氟化钠、磷酸二氢铵、醋酸钠和甘蔗渣为原料，采用流变相法制备得到了钠离子正极材料Na₂FePO₄F，但在0.1C倍率下的首圈放电比容量为93mAh/g，循环40圈后放电比容量为85mAh/g；当倍率提高至1C时，首圈放电比容量仅约30mAh/g。同时，现有仅公开的一项有关正极材料Na₂FePO₄F的专利文献，在0.1C倍率下的首圈放电比容量也仅为120mAh/g。由此可见，现有正极材料的合成技术仍存在些许不足，比容量、循环稳定性和安全性均有待提高。因此，亟需开发一种易于工业化生产且实用性能好、绿色无污染、低成本的钠离子正极材料的技术。

发明内容