[發明專利]一種磷酸釩鈉復合電極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201710777618.2
• 申請日: 2017-09-01
• 公開（公告）號: CN107425190A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: 趙海雷;趙麗娜;杜志鴻;李兆麟;張子佳;張旸
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明屬于電極材料領域，具體涉及一種磷酸釩鈉復合電極材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著鋰離子電池的成功商業化，鋰的需求量大大增加，而鋰的儲量有限，且分布不均，這對于發展要求價格低廉、安全性高的智能電網和可再生能源大規模儲能的長壽命儲能電池來說，將是一個嚴重的瓶頸問題。因此，亟需發展下一代綜合效能優異的儲能電池新體系。與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有鈉資源豐富、價格低廉且分布廣泛等優勢。因此，作為一種鋰離子電池的潛在替代品，鈉離子電池近期得到了人們的廣泛關注。

電極材料是鈉離子電池技術的關鍵。由于鈉離子與鋰離子相比具有更重的原子質量、更大的離子半徑和更低的標準電極電位，這使得Na+在電極材料中的脫/嵌更加緩慢，進而影響電池的循環和倍率性能。因此，為了發展性能優異的鈉離子電池，開發具有高能量密度的電極材料至關重要。

作為一種重要的鈉離子電池電極材料，Na₃V₂(PO₄)₃是Na₃M₂(PO₄)₃(M＝Al³⁺，Sc³⁺，Ti³⁺和Fe³⁺)族化合物中重要的一員，屬于NASICON型聚陰離子化合物，也是聚陰離子型鈉離子電池電極材料的典型代表。Na₃V₂(PO₄)₃具有較大的三維通道結構，可供鈉離子進行快速脫/嵌。Na₃V₂(PO₄)₃屬于六角晶系，空間群為R-3c，晶胞參數為Na₃V₂(PO₄)₃每個晶胞包含6個Na₃V₂(PO₄)₃化合式量，其晶體結構是由每個VO₆八面體通過共用氧原子與3個PO₄四面體相連組成，其中Na⁺有兩個占據位點：Na1和Na2。其中，Na1位置Na⁺的占有率是1，而Na2位置Na+的占有率是2/3，并且在充放電過程中Na2位置的2個Na+首先脫出或嵌入，晶體結構變化為Na₃V₂(PO₄)₃/NaV₂(PO₄)₃，對應V⁴⁺/V³⁺的氧化還原電對，充放電平臺為3.4V。充放電過程中，Na₃V₂(PO₄)₃材料可保持良好的晶體結構穩定性、體積變化小且具有良好的熱穩定性，利于促進Na₃V₂(PO₄)₃電極材料的循環穩定性和工作安全性。

作為鈉離子電池正極材料，Na₃V₂(PO₄)₃的理論比容量(對應于每分子2個Na⁺脫/嵌)是117.6mAh·g^-1,略低于過渡金屬氧化物鈉離子電池正極材料。并且，Na₃V₂(PO₄)₃的電子電導差，在充放電過程中很難達到其理論比容量，并且導致其倍率性能不理想。這些嚴重影響了Na₃V₂(PO₄)₃電極材料的能量密度，進而對其在大規模儲能應用方面造成不利影響。因此，如何改善Na₃V₂(PO₄)₃材料的電子電導率，提高其放電比容量、大電流充放電性能是鈉離子電池推廣應用的亟需解決的技術問題。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出一種磷酸釩鈉復合電極材料及其制備方法和應用。所述磷酸釩鈉復合電極材料具有高比容量高倍率性能等特點。

本發明是通過以下技術方案實現的：