[發明專利]一種碳包覆中熵磷酸鹽復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202310395737.7
• 申請日: 2023-04-14
• 公開（公告）號: CN116154155B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 王海燕;朱琳;孫旦;唐有根;張旗
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉

本發明公開了一種碳包覆中熵磷酸鹽復合材料及其制備方法和應用。該復合材料由中熵化磷酸鹽及其表面原位包覆碳層組成；所述中熵化磷酸鹽中金屬元素種類≥4；所述碳層厚度為2~10nm。該材料基于各組成元素間的協同作用，大幅優化材料的電化學性能；該材料以中熵磷酸鹽為基底，采用多種金屬元素構建出粒徑均一、晶相純度高和相穩定性好的磷酸鹽載體，并通過原位包覆導電碳層，進一步提高材料的化學穩定性和熱穩定性，拓展了復合材料的適用場景。以該復合材料為正極材料制備的鈉離子電池，具有較高的電壓平臺，且在寬電化學窗口1.5~4.3V下相變過程依舊穩定，具有優異的電化學性能。

技術領域

本發明涉及一種中熵磷酸鹽復合材料，具體涉及一種碳包覆中熵磷酸鹽復合材料及其制備方法和應用，屬于鈉離子電池技術領域。

背景技術

我國在能源產業大力推進，今后以新能源為主的中國新型電力系統中，新型儲能技術將占有重要的一席之地。二次電池作為電化學能源存儲設備之一，尤其是鋰離子電池憑借高能量密度和高比容量等自身優勢實現了快速商業化，已經被廣泛應用于電動汽車、電子通訊設備和無人機等領域。但全球鋰資源供需矛盾日益突出，鋰離子電池成本激增，尋求技術補充或技術替代勢在必行。近幾年，鈉離子電池迎來了新的研究熱潮。除成本低、原料提取范圍廣、安全可靠等優點外，鈉離子電池工作原理和鋰離子電池類似，借助鋰離子電池大量經驗可以有效推動鈉離子電池的研究與規?；瘧茫瑫r鈉離子電池與鋰離子電池的標準電極電勢相近，有望接近鋰離子電池的能量密度。然而鈉的離子半徑比鋰大，導致鈉離子的擴散動力學緩慢，開發具有優異電化學性能的電極材料是實現高安全性、高能量密度鈉離子電池的基礎。并且，提高正極材料電壓、大倍率充放電性能更是研究的重點與關鍵。

“高熵”與“中熵”這兩個概念最早在合金領域中提出，葉均蔚教授設計的高熵合金是采用五種及五種以上以等摩爾比或近等摩爾比的基本元素構成，中熵則是在高熵的基礎上產生，由3種主要元素構成。這類材料憑借具有高熵效應、晶格畸變效應、遲滯擴散效應以及雞尾酒效應受到了廣泛的關注，其種類已經從合金覆蓋至碳化物、氮化物、氧化物等，在儲能、熱障涂層和催化等領域也得到了應用。

在儲能領域中，高熵材料和中熵材料具有豐富的晶格結構種類以及元素選擇范圍成為當下的研究重點，利用中熵材料的特性開發新型儲能元件具有廣闊的市場前景。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明的第一個目的在于提供一種碳包覆中熵磷酸鹽復合材料。該材料基于各組成元素間的協同作用，大幅優化材料的電化學性能；該材料以中熵磷酸鹽為基底，采用多種金屬元素構建出粒徑均一、晶相純度高和相穩定性好的磷酸鹽載體，并通過原位包覆導電碳層，進一步提高材料的化學穩定性和熱穩定性，拓展了復合材料的適用場景。

本發明的第二個目的在于提供一種碳包覆中熵磷酸鹽復合材料的制備方法，該方法通過噴霧干燥法制備復合材料前驅體，并在特定氣氛下高溫煅燒形成原位包覆導電碳層，從而得到均一化球型顆粒，該方法具有工藝簡單、成本低廉等優點，適合工業化生產。

本發明的第三個目的在于提供一種碳包覆中熵磷酸鹽復合材料的應用，作為鈉離子電池的正極活性材料，制備鈉離子電池?；诒景l明所提供復合材料制備的鈉離子電池正極材料，具有較高的電壓平臺，且在寬電化學窗口1.5~4.3V下相變過程依舊穩定，具有優異的化學穩定性和熱穩定性。

為實現上述技術目的，本發明提供了一種碳包覆中熵磷酸鹽復合材料，由中熵化磷酸鹽及其表面原位包覆碳層組成；所述中熵化磷酸鹽中金屬元素種類≥4；所述中熵磷酸鹽的結構通式為Na_δM_α(PO₄)₃，其中M由Ti、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ce、Mn、Mg、Al和Fe中的任意三種組成；所述M中任一組成元素的物質的量占M中組成元素總物質的量的百分比為30~40%；所述Na與M的摩爾比為1~2：1。