[发明专利]一种氮掺杂碳包覆的磷酸铬锰钠@介孔碳复合材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用

说明书

本发明属于钠离子电池技术领域，具体公开了一种氮掺杂碳包覆的磷酸铬锰钠@介孔碳复合材料，包括介孔碳，以及原位分散在介孔碳中的氮掺杂碳包覆的磷酸铬锰钠。本发明还公开了所述的材料的制备和在用作钠离子电池活性材料中的应用。本发明所述的复合材料，其作为钠离子电池正极材料具有高比容量，高安全性，高倍率特性的特点，且制备方法操作简单，成本低廉，具有极大的商业应用前景。

技术领域

本发明涉及一种钠离子电池正极材料，具体涉及一种氮掺杂碳包覆的磷酸铬锰钠@介孔碳复合材料及其制备方法，以及氮掺杂碳包覆的磷酸铬锰钠@介孔碳复合材料作为钠离子电池正极材料的应用，属于钠离子电池领域。

背景技术

锂离子电池由于具有高能量密度、高稳定性、长寿命等优势，已经迅速占据便携式电子产品(笔记本电脑，智能移动装备，平板电脑等)市场，并不断向电动交通工具领域渗入。但是，锂资源在地壳中储量低，并且地域分布不均，使得锂离子电池在大范围推广应用的过程中锂价格不断攀升，导致锂离子电池价格居高不下。因此，锂离子电池在大规模储能领域的应用受到限制。钠离子电池由于钠资源储藏量丰富、环境友好，被认为是一种理想的大规模储能应用技术而得到世界的广泛关注。

过去的几十年时间里，科研工作者对钠离子电池的正极材料开展了广泛研究。在现有的正极材料体系中，聚阴离子型化合物体系被认为是最具有商业前景的钠电正极材料体系。在聚阴离子型化合物体系中，NASICON型磷酸盐体系材料由于具有优异的钠离子电导率，且材料结构稳定性及热稳定性高，引起世界广泛关注。目前研究最为火热的NASICON型磷酸盐体系材料—磷酸钒钠，具有优异的电化学性能。但是其电压平台在3.4V，能量密度较低，并且价格较高，影响了其进一步商业化应用。

锰元素被广泛应用于锂离子电池和钠离子电池正极材料中。将锰引入 NASICON结构具有以下优势：1)Mn⁴⁺/Mn³⁺和Mn³⁺/Mn²⁺氧化还原电对的激活为正极材料提供高电压以及多电子反应以提高容量；2)稳定的NASICON三维框架结构保证了材料的长寿命；3)锰的价格低廉能够降低材料的成本。2016年， Goodenough课题组首次用Mn取代Na₃V₂(PO₄)₃中一半的V从而制备得到更廉价、更绿色、更高电压的Na₄MnV(PO₄)₃。除了V³⁺/V⁴⁺的电压平台外元素Mn的加入使得Mn²⁺/Mn³⁺的3.6V高电压平台得以实现，能够获得更高的能量密度。但是该材料中的Mn³⁺/Mn⁴⁺氧化还原对被证实是电化学惰性的，并且V的存在仍然会阻碍其进一步应用。因此，激发Mn³⁺/Mn⁴⁺氧化还原对在NASICON框架结构中的电化学活性仍然面临巨大挑战。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种稳定性高、比表面大、导电性良好，且活性物质形貌好，电化学活性好的氮掺杂碳包覆的磷酸铬锰钠@介孔碳复合材料。

本发明的第二个目的在于提供一种重复性好、操作简单、环境友好、成本低廉的上述氮掺杂碳包覆的磷酸铬锰钠@介孔碳复合材料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供上述氮掺杂碳包覆的磷酸铬锰钠@介孔碳复合材料作为钠离子电池正极材料的应用，旨在获得高充放电比容量、优异的倍率性能和循环稳定性能的钠离子电池。

一种氮掺杂碳包覆的磷酸铬锰钠@介孔碳复合材料，包括介孔碳，以及原位分散在介孔碳中的氮掺杂碳包覆的磷酸铬锰钠。