[發(fā)明專(zhuān)利]一種氟磷酸氧釩鈉單晶陣列自支撐電極及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210776115.4
• 申請(qǐng)日: 2022-07-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115084435A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李龍;朱小龍;丁書(shū)江;孫澤慧;李雁淮;宋忠孝
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/133
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/133;H01M4/136;H01M4/1393;H01M4/1397;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 西安眾和至成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61249
• 代理人: 強(qiáng)宏超

本發(fā)明公開(kāi)了一種氟磷酸氧釩鈉單晶陣列自支撐電極及其制備方法和應(yīng)用，將釩源和碳源在溶劑中加熱還原，之后加入鈉源、磷源和氟源，攪拌混合均勻，加入一維碳材料超聲分散后抽濾成的碳膜，在120～200℃水熱1～50h，將得到的氟磷酸氧釩鈉單晶陣列在惰性氣氛下，350～800℃退火0.1～50h，得到無(wú)定形碳包覆的氟磷酸氧釩鈉單晶陣列自支撐電極；自支撐電極通過(guò)單晶陣列自支撐結(jié)構(gòu)和柔性碳材料基底的電極一體化策略提高氟磷酸釩鈉電極的能量密度，改變傳統(tǒng)電極的剛性特點(diǎn)，為該電極在高能量密度和柔性鈉離子電池中應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鈉離子電池正極材料領(lǐng)域，具體涉及一種氟磷酸氧釩鈉單晶陣列自支撐電極及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

2020年以來(lái)，鈉離子電池初步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，在性價(jià)比要求較高的低速電動(dòng)車(chē)、工具車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)和規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。然而，雖然鈉離子電池具有價(jià)格低廉、安全性高、功率性能好以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，但是和鋰離子電池相比，鈉離子電池能量密度較低制約了其廣泛應(yīng)用的步伐，以及上下游產(chǎn)業(yè)鏈的建立，因此開(kāi)發(fā)一種高能量密度的新型鈉離子電池電極迫在眉睫。作為電池中成本最高和決定電池工作電壓的關(guān)鍵材料——高性能的正極儲(chǔ)鈉材料，是目前研究的重點(diǎn)，具有穩(wěn)定的三維開(kāi)放性框架結(jié)構(gòu)，可允許鈉離子在三個(gè)方向上可逆脫嵌且結(jié)構(gòu)變化很小，具有較高的理論容量(130mAh g^-1)和高的平均工作電壓(～3.8V)，是一種極有前途的鈉離子電池正極材料。

然而，氟磷酸釩鈉正極材料～500Wh/kg的能量密度仍然較難滿足電動(dòng)車(chē)等領(lǐng)域?qū)δ芰棵芏鹊男枨螅约爸悄艽┐黝I(lǐng)域等對(duì)電池柔性的需求，嚴(yán)重影響該材料和鈉離子電池的應(yīng)用步伐。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種氟磷酸氧釩鈉單晶陣列自支撐電極及其制備方法和應(yīng)用，制備電極省去了傳統(tǒng)電極中的導(dǎo)電劑和粘合劑以及鋁集流體，有效提高了電極的能量密度和柔韌性。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種氟磷酸氧釩鈉單晶陣列自支撐電極的制備方法，包括以下步驟：

1)將一維碳材料和分散劑加入到超純水中采用細(xì)胞破碎儀將碳納米管高能超聲均勻分散在溶液中；

2)將步驟1)中均勻分散的一維碳材料混合溶液抽濾成膜，并使用超純水多次清洗，將一維碳材料薄膜轉(zhuǎn)移并干燥；

3)按照元素比Na:V:P:F＝3:2:2:x取鈉源、釩源、磷源和氟源，并取碳源，x取值為1-3；

4)將釩源和碳源加入到超純水的燒杯中形成溶液，將該溶液升溫?cái)嚢柚敝寥芤侯伾優(yōu)闇\綠色；再將鈉源、氟源和磷源加入到以上溶液中繼續(xù)攪拌混合均勻，得到前驅(qū)體溶液；碳源被用作還原劑，將V⁵⁺還原為V³⁺，碳源含量為將五價(jià)或者四價(jià)釩還原成三價(jià)釩所需量的105％～130％；

5)將步驟2)得到的碳材料薄膜和步驟4)得到的前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到水熱釜中，升溫至120～200℃，恒溫1h～50h后自然冷卻至室溫，得到氟磷酸氧釩鈉單晶陣列自支撐材料；

6)將步驟5)得到的氟磷酸氧釩鈉單晶陣列自支撐材料在惰性氣氛下，以2℃/min～10℃/min的升溫速率加熱至300℃～800℃，恒溫0.1h～10h后自然冷卻至室溫，得到無(wú)定形碳包覆的氟磷酸氧釩鈉單晶陣列自支撐電極。

進(jìn)一步，所述步驟1)中的一維碳材料為碳纖維、多壁碳納米管和單壁碳納米管中的一種或多種；分散劑為十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、吐溫80、曲拉通100和聚乙烯吡咯烷酮中的一種或多種。