一种钠离子电池复合正材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种钠离子电池复合正极材料及制备方法。所述钠离子电池复合正极材料为球形的无定形FePO4纳米材料以非共价键负载在多壁碳纳米管的表面形成“玉米棒子”形状的FePO4与多壁碳纳米管复合材料。其制备方法即首先将正丁醇，TritonX-100，环己烷和去离子水配成的“油包水”状态的微乳液，然后将多壁碳纳米管均匀分散在溶有Fe(NO3)3·9H2O的“油包水”状态的微乳液中得到含有多壁碳纳米管和Fe(NO3)3·9H2O的微乳液，将溶有NH4H2PO4的“油包水”状态的微乳液加入其中并异相成核形成具有良好的倍率性能和高放电比容量的钠离子电池复合正极材料。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开一种钠离子电池复合正极材料及制备方法。所述钠离子电池复合正极材料为球形的无定形FePO4纳米材料以非共价键负载在多壁碳纳米管的表面形成“玉米棒子”形状的FePO4与多壁碳纳米管复合材料。其制备方法即首先将正丁醇，TritonX-100，环己烷和去离子水配成的“油包水”状态的微乳液，然后将多壁碳纳米管均匀分散在溶有Fe(NO3)3·9H2O的“油包水”状态的微乳液中得到含有多壁碳纳米管和Fe(NO3)3·9H2O的微乳液，将溶有NH4H2PO4的“油包水”状态的微乳液加入其中并异相成核形成具有良好的倍率性能和高放电比容量的钠离子电池复合正极材料。【专利说明】
本专利技术涉及了，特别涉及一种原位自组装形成的FePO4O多壁碳纳米管复合材料及其制备方法。
技术介绍
近几年，人们对于环保以及开发可再生能源的逐渐重视，世界各国的研究者们都尝试将锂离子电池作为中大型储能单元应用于电动汽车，智能电网，以及太阳能和风能的储能系统上。锂离子电池以其高能量密度，良好的倍率和循环性能，已广泛应用在手机，平板电脑，数码产品上。虽然锂离子电池有诸多的优势，但是锂资源并不丰富，全球许多锂矿储存在偏远或者政治敏感地区，在中型汽车电池上逐步增加的锂用量会最终推升锂化合物的价格，使得制造大型存储设备将会异常昂贵。所以，采用资源丰富和价格便宜的原材料组成大型充放电电池成为必然趋势。由于钠与锂化学性质相近，并且来源丰富，成本低廉，环境友好，钠离子电池被认为是在大型储能装置上替代锂离子电池的合适选择。已有许多关于钠离子正极材料的研究工作被相继报道，如NaxCoO2, Naa44MnO2, Naa6MnO2, NaCrO2, NarVO2,Na3V2 (PO4)3, Na3V2 (PO4)2F3, Na3V2O2 (PO4)2F, Na2FePO4F, NaFeF3 等。类似于 LiFePO4 结构的橄榄石型的NaFePO4也被作为钠离子电池正极材料作为研究，但是该材料在钠离子电池中的电化学性能不理想，循环性能很差。作为LiFePO4材料所得到的脱锂产物，正交结构FePO4也被视为正极材料，但其不能直接通过化学路径合成。研究者们对其他结构的FePO4进行了探索，以获取能够直接合成以及电化学活性的材料。结果表明，无定形结构的FePO4材料具有很高的电化学活性，高于三角晶结构的FePO4材料。无定形结构的FePO4材料由于具有概念上无缺陷的相，这有利于该材料中锂离子的传输和电子的导电。FePO4作为电极材料具有许多优势，首先，铁三价化合物作为原材料来源丰富，成本低，易获取；其次，FePO4的化学合成过程简单，环境友好以及不需要惰性气体保护；最后，FePO4具有高达178 mAh/g的理论比容量。然而，FePO4和LiFePO4 一样，也存在电子导电性差和离子扩散系数低等缺点，研究人员用了很多方法来提高FePO4材料的电子导电性和离子扩散系数。例如，合成纳米尺寸颗粒，离子掺杂，制备微孔结构，加载导电材料，以此来增强FePO4材料在锂离子电池中的电化学性能。碳包覆也是一种实用的时段，其不仅可以增强电极材料的电子导电性，也可以在充放电循环中减小材料表面与电解液的副反应来以此增强循环稳定性。然而，在热处理过程中，由于Fe3+容易还原成为Fe2+，所以不能用传统的碳热还原法来对FePO4进行碳包覆。作为高性能碳材料，CNTs广泛用于锂离子电池的研究。并在电极材料中扮演不同角色，如作为合成牺牲模板，导电添力口剂，导电载体。CNTs发现自20世纪90年代，近几年来因其优异的电学，化学以及力学特性可适用于发展纳米电子器件，电化学传感器，和生物传感器而受到了巨大关注。CNTs的管与管之间具有很强的范德华力(vdW)和非常高的长径比(L/D)。后者可以使得纳米管具有额外优势包覆球形壳层，甚至可以用来卷绕DNA以此来获得高性能复合材料。然而，彼此卷绕的碳纳米管一般很难分散，是种无法均一地分散于水或者有机溶剂中，而悬浮液又易团聚的物质，这种难于分散的性质限制了其在许多领域的应用。近年来，碳纳米管的表面修饰已成为一种提高其分散稳定性的良好途径。主要有两种表面处理方法，一种是共价修饰，另一种是非共价修饰。用表面活性剂对碳纳米管进行非共价功能化更具有吸引力，因各种功能基团在CNTs的表面吸附不会对纳米管结构和电学性能造成破坏，又能达到稳定分散碳纳米管的效果。所以最近几年，使用表面活性剂对碳纳米管进行非共价键表面处理已经被广泛用于在水溶液或者有机溶液中获取高质量分数的独立分散的碳纳米管。
技术实现思路
本专利技术的目的是以磷酸铁FePO4为正极材料，多壁碳纳米管作为导电载体提供一种高放电比容量，高倍率性能的钠离子电池复合正材料，即FePO4O多壁碳纳米管复合材料。本专利技术的技术方案 一种钠离子电池复合正极材料，即FePO4O多壁碳纳米管复合材料，即由球形的无定形FePO4纳米材料以非共价键负载在多壁碳纳米管的表面，形成的具有核壳结构的FePO4与多壁碳纳米管复合材料，其形状为“玉米棒子”，所述的“玉米棒子”的直径优选为100-120nm ；所述的球形的无定形FePO4纳米材料的直径为10-20nm ； 所述的多壁碳纳米管的形状为棒状，优选其直径为80nm左右； 上述的钠离子电池复合正极材料中，球形的无定形FePO4纳米材料和多壁碳纳米管的量，按质量比计算，即球形的无定形FePO4纳米材料:多壁碳纳米管优选为3:7。上述的一种钠离子电池复合正极材料的制备方法，具体包括如下步骤: (1)、按体积比计算，即正丁醇=TritonX-100:环己烷:去离子水为1:3:5:7的比例，将正丁醇，Triton X-100，环己烷，去离子水混合均匀得到“油包水”状态的微乳液；在该“油包水”状态的微乳液中，Triton X-100被用来作为非离子表面活性剂，形成的“油包水”状态有利于憎水的多壁碳纳米管的分散； (2)、步骤(I)所得的“油包水”状态的微乳液中加入Fe(NO3)3.9H20搅拌至澄清得到溶有Fe (NO3) 3.9H20的“油包水”状态的微乳液； 上述溶有Fe (NO3)3.9H20的“油包水”状态的微乳液中，每240ml中含有0.0lmol的Fe (NO3) 3.9H20 ； (3)、步骤(I)所得的“油包水”状态的微乳液中加入NH4H2PO4搅拌至澄清得到溶有NH4H2PO4的“油包水”状态的微乳液； 上述的溶有NH4H2PO4的“油包水”状态的微乳液中，每240ml的微乳液中含有0.0lmol的 NH4H2PO4 ； (4)、将多壁碳纳米管加入到步骤(2)所得的溶有Fe(NO3)3.9H20的“油包水”状态的微乳液中，搅拌30min，再超声分散30min，如此反复3次，致多壁碳纳米管均匀分散在反应溶液中，得到含有多壁碳纳米管和Fe (NO3)3.9H20的微乳液； 上述含有多壁碳纳米管和Fe (NO3) 3.9Η20的微乳液中，每240ml中含有质量为0.6464g的多壁碳纳米管和0.0lmol的Fe (NO3)3.9H20 ； (5)、将步骤(4)得到的含有多壁碳纳米管和Fe(NO3)3.9H20的微乳液倒入玻璃反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钠离子电池复合正极材料，其特征在于所述的钠离子电池复合正极材料为球形的无定形FePO4纳米材料以非共价键负载在多壁碳纳米管的表面，形成的具有核壳结构的FePO4与多壁碳纳米管复合材料，其形状为“玉米棒子”；所述的球形的无定形FePO4纳米材料的直径为10‑20nm；所述的多壁碳纳米管的形状为棒状。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊喜，徐硕炯，张世明，谈天，易博，陈启萌，刘瑶，戴念维，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海;31