[發明專利]一種氮摻雜碳包覆的磷酸鉻錳鈉@介孔碳復合材料及其制備方法和在鈉離子電池中的應用

有效

• 申請號: 202010038176.1
• 申請日: 2020-01-14
• 公開（公告）號: CN111224085B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 張治安;賴延清;張偉;鄭景強;洪波;張凱;李劼
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 趙進;顏勇

本發明屬于鈉離子電池技術領域，具體公開了一種氮摻雜碳包覆的磷酸鉻錳鈉@介孔碳復合材料，包括介孔碳，以及原位分散在介孔碳中的氮摻雜碳包覆的磷酸鉻錳鈉。本發明還公開了所述的材料的制備和在用作鈉離子電池活性材料中的應用。本發明所述的復合材料，其作為鈉離子電池正極材料具有高比容量，高安全性，高倍率特性的特點，且制備方法操作簡單，成本低廉，具有極大的商業應用前景。

技術領域

本發明涉及一種鈉離子電池正極材料，具體涉及一種氮摻雜碳包覆的磷酸鉻錳鈉@介孔碳復合材料及其制備方法，以及氮摻雜碳包覆的磷酸鉻錳鈉@介孔碳復合材料作為鈉離子電池正極材料的應用，屬于鈉離子電池領域。

背景技術

鋰離子電池由于具有高能量密度、高穩定性、長壽命等優勢，已經迅速占據便攜式電子產品(筆記本電腦，智能移動裝備，平板電腦等)市場，并不斷向電動交通工具領域滲入。但是，鋰資源在地殼中儲量低，并且地域分布不均，使得鋰離子電池在大范圍推廣應用的過程中鋰價格不斷攀升，導致鋰離子電池價格居高不下。因此，鋰離子電池在大規模儲能領域的應用受到限制。鈉離子電池由于鈉資源儲藏量豐富、環境友好，被認為是一種理想的大規模儲能應用技術而得到世界的廣泛關注。

過去的幾十年時間里，科研工作者對鈉離子電池的正極材料開展了廣泛研究。在現有的正極材料體系中，聚陰離子型化合物體系被認為是最具有商業前景的鈉電正極材料體系。在聚陰離子型化合物體系中，NASICON型磷酸鹽體系材料由于具有優異的鈉離子電導率，且材料結構穩定性及熱穩定性高，引起世界廣泛關注。目前研究最為火熱的NASICON型磷酸鹽體系材料—磷酸釩鈉，具有優異的電化學性能。但是其電壓平臺在3.4V，能量密度較低，并且價格較高，影響了其進一步商業化應用。

錳元素被廣泛應用于鋰離子電池和鈉離子電池正極材料中。將錳引入 NASICON結構具有以下優勢：1)Mn⁴⁺/Mn³⁺和Mn³⁺/Mn²⁺氧化還原電對的激活為正極材料提供高電壓以及多電子反應以提高容量；2)穩定的NASICON三維框架結構保證了材料的長壽命；3)錳的價格低廉能夠降低材料的成本。2016年， Goodenough課題組首次用Mn取代Na₃V₂(PO₄)₃中一半的V從而制備得到更廉價、更綠色、更高電壓的Na₄MnV(PO₄)₃。除了V³⁺/V⁴⁺的電壓平臺外元素Mn的加入使得Mn²⁺/Mn³⁺的3.6V高電壓平臺得以實現，能夠獲得更高的能量密度。但是該材料中的Mn³⁺/Mn⁴⁺氧化還原對被證實是電化學惰性的，并且V的存在仍然會阻礙其進一步應用。因此，激發Mn³⁺/Mn⁴⁺氧化還原對在NASICON框架結構中的電化學活性仍然面臨巨大挑戰。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種穩定性高、比表面大、導電性良好，且活性物質形貌好，電化學活性好的氮摻雜碳包覆的磷酸鉻錳鈉@介孔碳復合材料。

本發明的第二個目的在于提供一種重復性好、操作簡單、環境友好、成本低廉的上述氮摻雜碳包覆的磷酸鉻錳鈉@介孔碳復合材料的制備方法。

本發明的第三個目的在于提供上述氮摻雜碳包覆的磷酸鉻錳鈉@介孔碳復合材料作為鈉離子電池正極材料的應用，旨在獲得高充放電比容量、優異的倍率性能和循環穩定性能的鈉離子電池。

一種氮摻雜碳包覆的磷酸鉻錳鈉@介孔碳復合材料，包括介孔碳，以及原位分散在介孔碳中的氮摻雜碳包覆的磷酸鉻錳鈉。