[發(fā)明專利]一種碳復(fù)合鈉離子正極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810587616.1
• 申請日: 2018-06-08
• 公開（公告）號: CN108682827B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙建慶;李世玉;高立軍
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/583;H01M10/052
• 代理公司: 蘇州市中南偉業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32257
• 代理人: 楊慧林

本發(fā)明公開了一種碳復(fù)合鈉離子正極材料的制備方法，包括以下步驟，S1、將硫酸亞鐵、硫酸鈉和碳基材料混合均勻，得到正極材料前驅(qū)體，S2、將所述正極材料前驅(qū)體在無氧條件下于300℃?450℃進行燒結(jié)處理，得到碳復(fù)合鈉離子正極材料，其中碳嵌入在鈉離子正極材料當(dāng)中。通過本申請方法制備得到的碳復(fù)合納離子正極材料中，碳嵌入在鈉離子正極材料當(dāng)中，從而起到橋梁的作用，將Na_xFe_y(SO₄)_z顆粒串聯(lián)到三維網(wǎng)絡(luò)狀碳基骨架中，能顯著提高正極材料顆粒間的電荷傳輸能力，由于碳基材料的引入，抑制了雜質(zhì)相的生產(chǎn)，目標(biāo)材料產(chǎn)率顯著提高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電池正極材料，特別涉及碳復(fù)合鈉離子正極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池因其具備高容量、高能量、循環(huán)可逆性好且產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟等特點，已廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、電動汽車等消費市場領(lǐng)域。但是，由于地殼中鋰元素的含量有限，加上目前鋰離子電池回收技術(shù)尚未成熟，導(dǎo)致鋰離子電池生產(chǎn)成本及銷售價格持續(xù)升高，限制了鋰離子電池在未來大型儲能系統(tǒng)的應(yīng)用。因此，未來大規(guī)模儲能技術(shù)迫切需要一種廉價的電化學(xué)儲能設(shè)備和器件，實現(xiàn)可再生能源循環(huán)且高效的利用。鈉離子電池由于鈉元素資源豐富、能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長、維護成本低，以及其與鋰離子電池類似的工作原理，被公認(rèn)為是未來大型儲能系統(tǒng)理想的儲能器件，可實現(xiàn)將來智能電網(wǎng)能量的實時儲存和跨時調(diào)度。但是，鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展遠遠沒有達到鋰離子電池的成熟度，尤其是正極材料的開發(fā)和研究進度緩慢，目前依然存在著儲鈉容量低、工作電位低、循環(huán)穩(wěn)定性能差、高倍率特性不佳、制備成本高等諸多問題。尋找成本低廉且儲鈉性能優(yōu)異的鈉離子電池正極材料是鈉離子儲能電池實際應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

現(xiàn)有鈉離子正極材料主要有含鈉層狀過渡金屬氧化物，例如Na_1-xMO₂，M＝Mn,Ni,Co,Ti等，及聚陰離子型釩基磷酸鹽，包括：NaVPO₄F,Na₃V₂(PO₄)₃和Na₃V₂(PO₄)₂F₃等材料，普遍存在合成過程中燒結(jié)溫度高、儲鈉容量低、循環(huán)穩(wěn)定性差、循環(huán)工作電位衰減明顯、倍率性能不佳、生產(chǎn)成本高、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益不理想等諸多問題。

純相Na_xFe_y(SO₄)_z材料存在有雜質(zhì)相、電導(dǎo)率低、儲鈉電化學(xué)性能差等缺點，表現(xiàn)出低的儲鈉比容量、較差的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能等。利用有機碳源進行原位碳層包覆改性是提高低電導(dǎo)率料正極材料及其電化學(xué)性能的一種常規(guī)方法，典型的案例為碳包覆處理的磷酸亞鐵鋰正極材料。但是，該方法運用到Na_xFe_y(SO₄)_z材料的改性技術(shù)中，由于Na_xFe_y(SO₄)_z材料非常低的制備溫度，一般低于450℃，導(dǎo)致了以下幾個問題：1、有機碳源碳化不充分，使得制備的表面碳層包覆自身電導(dǎo)率低，對提升Na_xFe_y(SO₄)_z材料的電導(dǎo)率作用不大。一般情況下，有機碳的碳化溫度需高于750℃，才能獲得較高的石墨化程度和優(yōu)異的電導(dǎo)率；2、原位碳層包覆額外引入了一個具有低電導(dǎo)率的界面，不利用Na_xFe_y(SO₄)_z材料的電荷傳輸及鈉離子在該界面的擴散；3、表面碳層包覆對Na_xFe_y(SO₄)_z材料本體電導(dǎo)率的提升和顆粒間的電荷傳輸能力的提高作用十分有限，因此如何得到一種碳與鈉離子正極材料結(jié)合更好地復(fù)合材料以解決儲鈉容量低、工作電位低、循環(huán)穩(wěn)定性能差、高倍率特性不佳、制備成本高等諸多問題是本領(lǐng)域亟需解決的問題。