[发明专利]一种金属掺杂磷酸钒钠复合电极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电极材料领域，具体涉及一种金属掺杂磷酸钒钠复合电极材料及其制备方法和应用

背景技术

钠离子电池具有钠资源丰富、价格低廉且分布广泛等优势。钠离子电池的开发及应用可在一定程度上缓解锂资源严重短缺的问题，具有一定的市场竞争力。因此，近期钠离子电池电极材料的研究和开发得到人们的广泛关注，并逐渐成为电池材料和储能技术领域的热点课题。

Na₃V₂(PO₄)₃是一种重要的钠离子电池电极材料，是聚阴离子型钠离子电池电极材料的典型代表。Na₃V₂(PO₄)₃具有较大的三维开放通道结构，可供钠离子进行快速脱/嵌。Na₃V₂(PO₄)₃属于六角晶系，空间群为R-3c。Na₃V₂(PO₄)₃作为钠离子电池正极材料使用时，充放电过程中发生典型的两相反应，晶体结构变化为Na₃V₂(PO₄)₃/NaV₂(PO₄)₃，对应V⁴⁺/V³⁺的氧化还原电对，充放电平台为3.4V，理论比容量(对应于每分子2个Na+脱/嵌)是117.6mAh·g^-1。Na₃V₂(PO₄)₃不仅可用作钠离子电池正极材料，也可以作为负极材料。作为钠离子电池负极材料使用时，基于V³⁺/V²⁺氧化还原对，充放电平台为1.6V。目前的研究报道中，Na₃V₂(PO₄)₃作为钠离子电池负极材料使用时的放电比容量低于150mAh·g^-1，具体机理尚未明确。

在充放电过程中，Na₃V₂(PO₄)₃材料可保持良好的晶体结构稳定性、体积变化小且具有良好的热稳定性，利于提高Na₃V₂(PO₄)₃电极材料的循环稳定性和工作安全性。然而，Na₃V₂(PO₄)₃的电子电导差，在充放电过程中很难达到其理论比容量且倍率性能不理想。这严重影响了Na₃V₂(PO₄)₃电极材料的能量密度，进而对其在大规模储能应用方面造成不利影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种金属掺杂磷酸钒钠复合电极材料及其制备方法及应用。所述金属掺杂磷酸钒钠复合电极材料具有电子电导优异，放电比容量高以及倍率性能优良等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种金属掺杂磷酸钒钠复合电极材料，所述金属掺杂磷酸钒钠复合电极材料为呈微纳米复合颗粒状的Na₃V_2-xM_x(PO₄)₃/C复合电极材料；

所述Na₃V_2-xM_x(PO₄)₃/C复合材料为核壳结构，核心为Na₃V_2-xM_x(PO₄)₃，外壳为无定型碳层；

所述无定型碳层厚度为1-10nm。

进一步地，所述Na₃V_2-xM_x(PO₄)₃/C复合电极材料中M为Mg、Ca、Sr、Ba、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Cd中的一种或一种以上。