[發(fā)明專利]三維分級(jí)碳包覆NaTi2(PO4)3/C微米花電極材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610305281.0
• 申請(qǐng)日: 2016-05-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105810912B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 麥立強(qiáng);徐暢
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/58;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 崔友明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料與電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維分級(jí)碳包覆NaTi₂(PO₄)₃/C微米花電極材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

面對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境挑戰(zhàn)、資源緊缺，大力發(fā)展可再生清潔能源是人類必須面對(duì)和解決的一個(gè)問(wèn)題。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)符合當(dāng)今能源的發(fā)展方向，其中鋰離子電池具有能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作電壓高、無(wú)記憶效應(yīng)、工作溫度范圍寬、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種便攜電子設(shè)備、混合動(dòng)力汽車，甚至純電動(dòng)汽車。這不僅對(duì)鋰資源的需求量大大增加，也對(duì)鋰離子電池提出了更高要求。而鋰的儲(chǔ)量有限且分布不均，鋰離子電池的功率密度較低，則同時(shí)限制了鋰離子電池在混合動(dòng)力汽車及純電動(dòng)汽車中的應(yīng)用。因此，新一代綜合性能優(yōu)異的儲(chǔ)能電池體系是當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的研究前沿和熱點(diǎn)之一。同屬堿金屬的鈉元素，具有與鋰類似的物理化學(xué)性質(zhì)，在地球上儲(chǔ)量十分豐富，分布廣泛、提取簡(jiǎn)便、成本低廉。對(duì)應(yīng)的鈉離子電池也具有與鋰離子電池類似的工作原理，工作電勢(shì)較鋰離子電勢(shì)高，電解質(zhì)的選擇范圍更廣。所以，鈉離子電池有望成為替代鋰離子電池的新一代儲(chǔ)能電池體系。由于鈉離子半徑大于鋰離子半徑，鈉元素的相對(duì)原子質(zhì)量高于鋰，使得鈉離子在電池材料中嵌入與脫出更難。故選擇合適的鈉離子電池電極材料，是提高鈉離子電池技術(shù)的關(guān)鍵。

納米材料具有高的比表面積以及較好的反應(yīng)活性，用作電極材料時(shí)與電解液接觸面積大、可以縮短離子傳輸距離，能有效提高材料的電化學(xué)活性；在獲得高倍率長(zhǎng)壽命的電化學(xué)性能方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。另一方面，NASICON(鈉超離子導(dǎo)體)類材料，具有三維開(kāi)放的離子輸運(yùn)通道，結(jié)構(gòu)中有大量Na空位，具有高的離子遷移速率，因此是鈉離子電池電極材料的研究熱點(diǎn)。磷酸鈦鈉(NaTi₂(PO₄)₃)屬于典型的NASICON類材料，具有穩(wěn)定的三維框架結(jié)構(gòu)，較高的比容量，良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，以及綠色無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)被用作鈉離子電池電極材料引起了人們的廣泛關(guān)注。但是，由于磷酸根產(chǎn)生的誘導(dǎo)效應(yīng)以及磷酸基團(tuán)的電子絕緣性，導(dǎo)致NaTi₂(PO₄)₃的電子導(dǎo)電性低，用作電極材料時(shí)存在循環(huán)穩(wěn)定性差，高倍率性能差的問(wèn)題。

為了提高NaTi₂(PO₄)₃的電化學(xué)性能，研究者們采取了很多措施，例如控制材料尺寸、設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)、碳包覆及離子摻雜等。分級(jí)結(jié)構(gòu)因具有低維的構(gòu)筑單元，統(tǒng)一的次級(jí)形貌，獲得了高比表面積并且與電解液良好接觸；進(jìn)而促進(jìn)鈉離子的擴(kuò)散，并減小充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)體積變化。此外，分級(jí)結(jié)構(gòu)在循環(huán)過(guò)程中可以有效抑制自團(tuán)聚現(xiàn)象，故分級(jí)結(jié)構(gòu)的微納米電極材料展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。但是通過(guò)簡(jiǎn)單的溶劑熱法結(jié)合高溫煅燒方法，合成一種三維分級(jí)碳包覆NaTi₂(PO₄)₃/C微米花并用作鈉離子電池電極材料仍未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)而提供一種三維分級(jí)碳包覆的 NaTi₂(PO₄)₃/C微米花及其制備方法，其工藝簡(jiǎn)單、符合綠色化學(xué)的要求，并具有優(yōu)良的電化學(xué)性能。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，一種三維分級(jí)碳包覆NaTi₂(PO₄)₃/C微米花，其直徑約為5-10μm；碳包覆NaTi₂(PO₄)₃/C納米片亞單元厚度僅為1-5nm，且其內(nèi)部有孔徑大小為2-30nm的介孔，其表面碳層厚度為2-5nm，所述的納米片亞單元相互搭接形成了一個(gè)三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

所述的三維分級(jí)碳包覆NaTi₂(PO₄)₃/C微米花的制備方法，包括有以下步驟：

1)將鈦源滴加到一定量的乙二醇溶液中進(jìn)行攪拌，得到無(wú)色透明溶液；

2)依次將相應(yīng)量的鈉源、磷源、碳源溶解在一定量的去離子水中，然后滴加到步驟1) 所得的溶液中繼續(xù)攪拌；

3)將步驟2)所得的混合溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)容器中進(jìn)行水熱反應(yīng)后，自然冷卻至室溫，將產(chǎn)物進(jìn)行直接干燥得到前驅(qū)體固體；