[發明專利]一種氮氫原位雙摻雜軟碳/磷酸釩鈉復合材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201910823266.9
• 申請日: 2019-09-02
• 公開（公告）號: CN110518214B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 何文;張合鈺;張旭東
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 韓獻龍

本發明提供一種氮氫原位雙摻雜軟碳/磷酸釩鈉復合材料及其制備方法與應用。本發明以豆類或堅果類植物蛋白質源，制備成漿料后加熱，加入鈉源、釩源和磷源進行反應，然后調pH；最后經水熱反應、惰性氣氛下煅燒制備得到氮氫原位雙摻雜軟碳/磷酸釩鈉復合材料。本發明以豆類或堅果類做碳源、氮和氫源、吸附劑、絡合劑、凝固劑及反應載體，主要利用蛋白質(氨基酸)組成、結構及性能特點，通過吸附、絡合、凝聚無機離子與離子團，并經過裂解還原和N、H原位摻雜反應，制備具有良好電化學性能的氮氫原位雙摻雜骨架軟碳與磷酸釩鈉復合的介孔材料。本方法使用的碳源其成本低、無毒無污染，合成的復合材料比容量、倍率性能和循環性能等電化學性能優異。

技術領域

本發明涉及一種氮氫原位雙摻雜軟碳/磷酸釩鈉復合材料及其制備方法與應用，屬于鈉離子電池正極材料技術領域。

背景技術

鈉離子電池由于鈉成本低、來源豐富引起了人們的關注。在鈉離子電池正極材料中，磷酸釩鈉因具有成本低、開放的3D框架NASICON結構和較大的間隙通道能加快鈉離子的遷移速度等優點被認為是最具有潛力的正極材料之一。但磷酸釩鈉因導電性和電化學性能較差等原因限制了其發展與應用。對磷酸釩鈉進行摻碳已經被證明是一種能有效提高其導電性和電化學性能的方法，目前多采用碳包覆方法，例如，中國專利文獻CN105336924A公開了一種碳包覆的磷酸釩鈉正極材料的制備方法，以葡萄糖作為還原劑和碳源，水為分散劑，將NH₄V_O3、NaH₂PO₄·2H₂O和葡萄糖在水中球磨，經過噴霧干燥，煅燒后得碳包覆的粒狀顆粒磷酸釩鈉正極材料，在1C倍率下首次充放電比容量最高為93.5mAh/g，1C循環50圈后容量保持率為97.7％，不僅電化學性能一般，而且制備工藝復雜、成本高。中國專利文獻CN109768258A公開了一種磷酸釩鈉-碳-石墨烯納米復合材料的原位合成方法及其應用，該方法在合成磷酸釩鈉時加入含有石墨烯的懸濁液，通過水熱和煅燒，合成出石墨烯包覆磷酸釩鈉/碳復合材料；該材料作為鈉離子電池正極材料時，在1C下首次放電比容量為98mAh/g，不僅電化學性能一般且因石墨烯價格較貴導致其合成材料成本高，同時其使用有機溶劑DMF存在不環保的問題。

因此，尋找低成本、綠色環保、性能優異的磷酸釩鈉/碳復合材料新技術迫在眉睫且具有重要的實際意義。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提供一種氮氫原位雙摻雜軟碳/磷酸釩鈉復合材料及其制備方法與應用。本發明以豆類或堅果類做碳源、氮和氫源、吸附劑、絡合劑、凝固劑及反應載體，主要利用蛋白質(氨基酸)組成、結構及性能特點，通過吸附、絡合、凝聚無機離子與離子團，并經過裂解還原和N、H原位摻雜反應，制備具有良好電化學性能的氮氫原位雙摻雜骨架軟碳與磷酸釩鈉復合的介孔材料。本方法使用的碳源其成本低、無毒無污染，合成的復合材料電化學性能優良。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種氮氫原位雙摻雜軟碳/磷酸釩鈉復合材料，所述的復合材料包括磷酸釩鈉相和與磷酸釩鈉復合的氮氫雙摻雜軟碳骨架，復合材料中磷酸釩鈉的質量含量為80-90％，碳的質量含量為9-17％，氮的質量含量為0.5-2.5％，氫的質量含量為0.3-1.6％；該復合材料具有介孔結構，其孔徑為2-10nm。

本發明還提供一種氮氫原位雙摻雜軟碳/磷酸釩鈉復合材料的制備方法。

上述氮氫原位雙摻雜軟碳/磷酸釩鈉復合材料的制備方法，包括步驟：

(1)將植物蛋白質源漿料于80～100℃下加熱0.2～1h，得到溶液A；所述植物蛋白質源為豆類或堅果類；

(2)將鈉源、釩源和磷源按Na:V:P摩爾比為3:2:3加入到溶液A中混合，于60～100℃攪拌0.2～1h使其溶解與反應，然后調節pH至4～7，得到混合物B；