[發(fā)明專利]一種鈉離子電池用磷酸釩鈉正極材料及其制備和應(yīng)用在審
| 申請?zhí)枺?/td> | 201611088179.6 | 申請日： | 2016-12-01 |
| 公開（公告）號： | CN108134082A | 公開（公告）日： | 2018-06-08 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 張華民;鄭瓊;易紅明;劉婉秋;張洪章;馮凱;李先鋒 | 申請（專利權(quán)）人： | 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 |
| 主分類號： | H01M4/58 | 分類號： | H01M4/58;H01M10/054 |
| 代理公司： | 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002 | 代理人： | 馬馳 |
| 地址： | 116023 *** | 國省代碼： | 遼寧;21 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 磷酸釩 鈉離子電池 形貌 制備和應(yīng)用 正極材料 正極 循環(huán)穩(wěn)定性 原材料成本 原材料合成 倍率性能 花狀結(jié)構(gòu) 納米尺度 納米片狀 制備過程 結(jié)晶度 模板劑 終產(chǎn)物 制備 堆積 合成 應(yīng)用 | ||
本發(fā)明涉及一種鈉離子電池用磷酸釩鈉正極材料及其制備和應(yīng)用，利用價廉的原材料合成具有層狀形貌、結(jié)晶度高的中間相為模板，控制終產(chǎn)物納米尺度層狀形貌磷酸釩鈉的形成。這種制備方法原材料成本低廉，制備過程簡單易行，由中間相作為模板劑合成的磷酸釩鈉呈納米片狀堆積的花狀結(jié)構(gòu)，用作正極應(yīng)用于鈉離子電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及鈉離子電池電極材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鈉離子電池用正極材料及其制備方法。
技術(shù)背景
眾所周知，金屬鈉元素在地殼中儲量相對豐富(地殼中鈉含量約為2.75％，而鋰含量約為0.065‰)且分布區(qū)域廣泛(鈉分布于全球各地，而約70％的鋰卻集中分布在南美洲地區(qū))，同時鈉和鋰的物理化學(xué)性質(zhì)相似且脫/嵌機制類似，因此鈉離子電池的研究與開發(fā)有望在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發(fā)的儲能電池發(fā)展受限問題。除了資源豐富易得、成本低廉、分布廣泛的優(yōu)勢外，在電池體系中鈉不會與鋁發(fā)生電化學(xué)合金化反應(yīng)，因此鈉離子電池可以采用鋁箔作為負極集流體(替代鋰離子電池體系中銅箔集流體)，這樣可以有效避免過放電引起的集流體氧化問題，既有利于電池的安全，又達到了進一步降低電池成本的目的。但是由于鈉離子半徑比鋰離子半徑大，其能量密度和功率密度比鋰離子電池要低。然而在規(guī)模儲能應(yīng)用中對電池能量密度的要求并不是太高，其成本和壽命則是關(guān)心的重點。從這個角度去看，鈉離子電池在大規(guī)模儲能應(yīng)用領(lǐng)域擁有比鋰離子電池更大的市場競爭優(yōu)勢。目前，大規(guī)模儲能技術(shù)作為可再生能源利用和智能電網(wǎng)的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)仍處于發(fā)展初期，而成本是影響儲能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟性的一項重要因素。與其它儲能技術(shù)相比，鈉離子電池在資源儲量、成本、能量轉(zhuǎn)換效率、循環(huán)壽命、安全穩(wěn)定性、維護費用等諸多方面存在一定優(yōu)勢。因此，大力發(fā)展大規(guī)模儲能應(yīng)用的鈉離子電池技術(shù)具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
研究和開發(fā)價格低廉且性能優(yōu)異的鈉離子電池電極材料是最終實現(xiàn)鈉離子電池實用化的關(guān)鍵。鈉離子電池的容量受限于正極材料，其中Na3V2(PO4)3是一種聚陰離子型鈉離子電池正極材料，鈉的快離子導(dǎo)體，具有較高理論比容量、較好電化學(xué)可逆性，是一種應(yīng)用前景很好的鈉離子電池正極材料。與過渡金屬磷酸釩鋰正極材料一樣，其導(dǎo)電性較差，并且鈉離子半徑較鋰離子半徑大，鈉脫嵌比鋰脫嵌難，導(dǎo)致材料實際放出比容量較低，倍率性能較差。碳包覆和減小顆粒尺寸是提高電導(dǎo)率的有效途徑。通過合適的制備方法可以改變材料微觀形貌，如減小顆粒尺寸，提高材料比表面積，有利于提高材料電導(dǎo)率。目前，研究者們通常在制備過程中添加模板劑來控制材料形貌，但模板劑往往會增加制備成本。
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種免模板劑，利用價廉的原材料合成具有層狀形貌、結(jié)晶度高的中間相為模板，控制終產(chǎn)物納米尺度層狀形貌磷酸釩鈉的形成。為達到上述目的，本發(fā)明采用具體技術(shù)方案如下：
一種鈉離子電池用納米片狀磷酸釩鈉正極材料及其制備方法如下：
1)將鈉鹽、磷酸鹽、釩鹽和銨鹽混合，加熱至500-1000℃的馬弗爐中恒溫保溫10min-48h；其中鈉鹽:磷酸鹽:釩鹽的化學(xué)計量比為3:2:3，銨鹽的量按照釩鹽中釩元素與銨鹽中的NH4+摩爾比為3:(1-8)計；
2)待步驟1)混合物自然冷卻至室溫，將制得的混合物取出，研磨成固體粉末態(tài)中間相A，將中間相A和碳源混合，并加入溶劑，配置成懸濁液B；
3)將懸濁液B進行球磨，轉(zhuǎn)速范圍為300-1000rpm，球磨時間為10-48h；
4)將球磨后的懸濁液B置于80-190℃的烘箱中恒溫保溫6-36h，以去除懸濁液B中的溶劑；
5)待恢復(fù)至室溫后，將去除溶劑的懸濁液B研磨至固體粉末狀，置于200-400℃的惰性氣氛管式爐中恒溫保溫2-24h，形成磷酸釩鈉前驅(qū)體C；
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