[发明专利]一种高能量密度钠离子电池正极材料及制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种高能量密度钠离子电池正极材料及制备方法和应用。该高能量密度钠离子电池正极材料，是通过可激发V⁴⁺/V⁵⁺(4.0V vs.Na⁺/Na)电压平台的金属离子取代Na₃V₂(PO₄)₃中不提供此高电压平台容量的V³⁺得到的。其中，通过将Na₃V₂(PO₄)₃中不提供V⁴⁺/V⁵⁺电压平台容量的V³⁺用可激发出此电压平台的金属离子取代，一方面，使得该高能量密度钠离子电池正极材料可以激发出V⁴⁺/V⁵⁺(4.0V vs.Na⁺/Na)的电压平台，另一方面，使得到的正极材料具有较高的理论比容量、优异的循环稳定性和倍率性能以及较高的能量、功率密度等优点。因此，本发明提供的高能量密度钠离子电池正极材料具有极高的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米材料与电化学技术领域，其主要涉及一种高能量密度钠离子电池正极材料及制备方法和应用。

背景技术

传统化石能源由于被无节制的开采、储量急剧减少，已无法满足人类日益增长的需求。探寻新的拥有高能量密度且无污染的储能系统已成为当今科学界的一项重要挑战。锂离子电池由于高能量密度、转化效率高等特点，已广泛应用于各个领域。锂矿的大量开采导致锂原料价格日益攀升，且锂离子电池存在析锂现象，有重大的安全隐患。钠元素与锂元素位于同一主族，具有相似的化学性质，电极电位相近，成本相对较低，有望替代锂离子电池体系。

磷酸钒钠属于NASICON结构(sodium super ionic conductor，钠超离子导体)，是应用于钠离子电池的一种典型电极材料。Na₃V₂(PO₄)₃具有三维开放的钠离子输运通道，具有较高的钠离子扩散速率、离子电导率和结构稳定性。Na₃V₂(PO₄)₃在1.6V和3.4V vs.Na⁺/Na各有一个充放电平台，分别对应V³⁺/V²⁺和V⁴⁺/V³⁺氧化还原电对。但是由于自身结构的原因，Na₃V₂(PO₄)₃的本征导电性较差，限制其理论比容量的充分发挥。

因此，本领域亟需一种新型的电池正极材料，以解决Na₃V₂(PO₄)₃中存在的导电性较差、理论比容量难以充分发挥等问题。

发明内容

本发明主要解决上述当前钠离子电池正极材料存在的储钠容量低、稳定性差、能量密度低等问题，提供了一种高能量密度钠离子电池正极材料及制备方法和应用。其中，通过采用可激发出V⁴⁺/V⁵⁺(4.0V vs.Na⁺/Na)电压平台的金属离子部分替代Na₃V₂(PO₄)₃中的不提供此高电压平台的V³⁺，在保证原有晶体结构不变和保持电中性的前提下形成新的正极固溶体Na₃V_2-xAl_x(PO₄)₃，激发V⁴⁺/V⁵⁺氧化还原对(4.0V vs.Na⁺/Na)，提高基体能量密度。具体内容如下：