一种碳包覆钠离子电池正极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳包覆钠离子电池正极材料的制备方法，所述方法在正极材料中掺杂稀土金属，形成的稀土金属元素‑O的带隙较V‑O小，使得电子由价带被激发到导带更容易，有利于促进电子传导；本发明专利技术使用三维结构的分层等级孔碳材料进行包覆，以介孔结构来提高活性成分容量，而且三维结构能有效提高电解液的扩散渗透，提高电子离子传输效率，有效改善了正极材料的循环和倍率性能。

Preparation method of carbon coated positive electrode material for sodium ion battery

The invention discloses a method for preparing carbon coated sodium ion battery cathode materials, the method of doping rare earth metal in cathode materials, rare earth metal elements O formed the band gap is V O, makes the electrons from valence band is excited into the conduction band more easily, is conducive to the promotion of electronic conduction; stratified porous carbon material used in the invention of three-dimensional structure of coated with mesoporous structure to improve the capacity of the active ingredient, and three-dimensional structure can effectively improve the electrolyte diffusion, improve the electron ion transport efficiency, effectively improve the cathode material cycle and rate performance.

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆钠离子电池正极材料的制备方法
本专利技术涉及电池材料领域，具体涉及一种碳包覆钠离子电池正极材料的制备方法。
技术介绍
随着社会的快速发展，能源与环境的问题日益突出，寻找新的清洁能源来代替石油资源变得更为迫切。动力电池作为一种新型清洁能源受到了世界各国的重视。动力电池是电动车、电动工具等可移动用电器具的核心部件，以动力电池为主要或辅助动力源的纯电动汽车(EV)或混合动力电动汽车(HEV)是汽车业的主要发展方向之一。电池的制造成本与能耗是否对环境造成污染以及资源的回收利用率也将成为评价电池材料的重要指标。电池发展有以下显著特点:绿色环保电池发展迅猛;一次电池向二次电池转化,这有利于节约地球有限的资源,符合可持续发展的战略;电池进一步向小、轻、薄方向发展。钠是地球上储量较丰富的元素之一，与锂的化学性能类似，因此也可能适用于锂离子电池体系。钠离子电池相比锂离子电池有诸多优势，如成本低，安全性好，随着研究的深入，钠离子电池将越来越具有成本效益，并有望在未来取代锂离子电池而被广泛应用。而且在在钠离子电池中，Al和Na没有合金，所以负极集流体可以选择用Al箔，能够进一步降低价格。但是由于钠离子半径比锂离子半径大，其能量密度和功率密度比锂离子电池要低。然而在规模储能应用中对电池能量密度的要求并不是太高，其成本和寿命则是关心的重点。从这个角度去看，钠离子电池在大规模储能应用领域拥有比锂离子电池更大的市场竞争优势。目前，大规模储能技术作为可再生能源利用和智能电网的关键瓶颈技术仍处于发展初期，而成本是影响储能产业经济性的一项重要因素。与其它储能技术相比，室温钠离子电池在资源储量、成本、能量转换效率、循环寿命、安全稳定性、维护费用等诸多方面存在一定优势。因此，大力发展大规模储能应用的室温钠离子电池技术具有十分重要的战略意义。钠离子电池正极材料导电性较差，并且钠离子半径较锂离子半径大，钠脱嵌比锂脱嵌难，导致材料实际放出比容量较低，倍率性能较差。针对此问题，研究者们主要采用碳包覆和减小颗粒尺寸提高电导率。
技术实现思路
本专利技术提供一种碳包覆钠离子电池正极材料的制备方法，所述方法在正极材料中掺杂稀土金属，形成的稀土金属元素-O的带隙较V-O小，使得电子由价带被激发到导带更容易，有利于促进电子传导；本专利技术使用三维结构的分层等级孔碳材料进行包覆，以介孔结构来提高活性成分容量，而且三维结构能有效提高电解液的扩散渗透，提高电子离子传输效率，有效改善了正极材料的循环和倍率性能。为了实现上述目的，本专利技术提供一种碳包覆钠离子电池正极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：（1）制备得到稀土金属掺杂的正极材料所述稀土金属掺杂的正极材料组成为Na3V2-xHox(PO4)3，其中x=0.01-0.03；按摩尔比为3:(2-x):x:3称量氯化钠、五氧化二钒、硝酸钬和磷酸钾；将上述五氧化二钒、硝酸钬和葡萄糖加入去离子水中溶解，在60-80度温度下加热搅拌成均匀混合溶液；将所述氯化钠和磷酸钾加入到上述混合溶液中，在真空温度为70-90℃下旋蒸3-4h；在100-150℃下真空干燥5-20h，形成电极材料前驱体，在氮气气氛下，经400-600℃条件下预烧结3-5h、700-800℃高温烧结10-15h，冷却后即得稀土金属掺杂的正极材料Na3V2-xMx(PO4)3；（2）制备三维花状碳材料将氢氧化钾和乙酸锌溶于水中进行水热反应得到花状氧化锌，氢氧化钾和乙酸锌的质量比为3:(2-4)；将花状氧化锌、介孔造孔剂混合于水中然后加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，随后将产物抽滤干燥，在花状氧化锌表面构筑一层介孔结构得固体产物一，所述花状氧化锌、介孔造孔剂、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:(3-5):(2-3):(2-4)；将所得固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾均匀混合于水中，然后依次加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，在固体产物一构筑的介孔结构的基础上包覆一层微孔结构，得固体产物二；然后进行抽滤、干燥、碳化，再用酸去除氧化锌模板，得具有微孔、介孔结构的三维花状碳材料；所述固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:(1-2):(4-5):(9-11)；（3）复合包覆将所得三维花状碳材料与所述稀土金属掺杂的正极材料进行复合，复合条件为：在氮气条件下，加热至150-200℃，保温20-24h，然后进行吹扫，去除未填充入孔道的稀土金属掺杂的正极材料，得到碳包覆钠离子电池正极材料。优选的，其中在步骤（1）中，所述葡萄糖添加的量大于其将V5+完全还原为V3+的量；所述混合溶液中的溶质与溶剂比为1：（5-10）。优选的，所述步骤（2）中，水热反应温度为80-90℃，反应时间为30-50min，所述混合包覆反应的温度为25-40℃，时间为6-8h。本专利技术具有如下优点和显著效果：（1）本专利技术在正极材料中掺杂稀土金属，形成的稀土金属元素-O的带隙较V-O小，使得电子由价带被激发到导带更容易，有利于促进电子传导。（2）本专利技术使用三维结构的分层等级孔碳材料进行包覆，以介孔结构来提高活性成分容量，而且三维结构能有效提高电解液的扩散渗透，提高电子离子传输效率，有效改善了正极材料的循环和倍率性能。具体实施方式实施例一所述稀土金属掺杂的正极材料组成为Na3V1.99Ho0.01(PO4)3；按摩尔比为3:1.99:0.01:3称量氯化钠、五氧化二钒、硝酸钬和磷酸钾。将上述五氧化二钒、硝酸钬和葡萄糖加入去离子水中溶解，在60度温度下加热搅拌成均匀混合溶液；所述葡萄糖添加的量大于其将V5+完全还原为V3+的量；所述混合溶液中的溶质与溶剂比为1：5。将所述氯化钠和磷酸钾加入到上述混合溶液中，在真空温度为70℃下旋蒸3h；在100℃下真空干燥5h，形成电极材料前驱体，在氮气气氛下，经400℃条件下预烧结3h、700℃高温烧结10h，冷却后即得稀土金属掺杂的正极材料Na3V0.99M0.01(PO4)3。将氢氧化钾和乙酸锌溶于水中进行水热反应得到花状氧化锌，氢氧化钾和乙酸锌的质量比为3:2；水热反应温度为80℃，反应时间为30min。将花状氧化锌、介孔造孔剂混合于水中然后加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，随后将产物抽滤干燥，在花状氧化锌表面构筑一层介孔结构得固体产物一，所述花状氧化锌、介孔造孔剂、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:3:2:2；所述混合包覆反应的温度为25℃，时间为6h。将所得固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾均匀混合于水中，然后依次加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，在固体产物一构筑的介孔结构的基础上包覆一层微孔结构，得固体产物二；然后进行抽滤、干燥、碳化，再用酸去除氧化锌模板，得具有微孔、介孔结构的三维花状碳材料；所述固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:1:4:9。将所得三维花状碳材料与所述稀土金属掺杂的正极材料进行复合，复合条件为：在氮气条件下，加热至150℃，保温20h，然后进行吹扫，去除未填充入孔道的稀土金属掺杂的正极材料，得到碳包覆钠离子电池正极材料。实施例二所述稀土金属掺杂的正极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳包覆钠离子电池正极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：（1）制备得到稀土金属掺杂的正极材料所述稀土金属掺杂的正极材料组成为Na3V2‑xHox(PO4)3，其中x=0.01‑0.03；按摩尔比为3:(2‑x):x:3称量氯化钠、五氧化二钒、硝酸钬和磷酸钾；将上述五氧化二钒、硝酸钬和葡萄糖加入去离子水中溶解，在60‑80度温度下加热搅拌成均匀混合溶液；将所述氯化钠和磷酸钾加入到上述混合溶液中，在真空温度为70‑90℃下旋蒸3‑4h；在100‑150℃下真空干燥5‑20h，形成电极材料前驱体，在氮气气氛下，经400‑600℃条件下预烧结3‑5h、700‑800℃高温烧结10‑15h，冷却后即得稀土金属掺杂的正极材料Na3V2‑xMx(PO4)3；（2）制备三维花状碳材料将氢氧化钾和乙酸锌溶于水中进行水热反应得到花状氧化锌，氢氧化钾和乙酸锌的质量比为3:(2‑4)；将花状氧化锌、介孔造孔剂混合于水中然后加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，随后将产物抽滤干燥，在花状氧化锌表面构筑一层介孔结构得固体产物一，所述花状氧化锌、介孔造孔剂、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:(3‑5):(2‑3):(2‑4)；将所得固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾均匀混合于水中，然后依次加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，在固体产物一构筑的介孔结构的基础上包覆一层微孔结构，得固体产物二；然后进行抽滤、干燥、碳化，再用酸去除氧化锌模板，得具有微孔、介孔结构的三维花状碳材料；所述固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:(1‑2):(4‑5):(9‑11)；（3）复合包覆将所得三维花状碳材料与所述稀土金属掺杂的正极材料进行复合，复合条件为：在氮气条件下，加热至150‑200℃，保温20‑24h，然后进行吹扫，去除未填充入孔道的稀土金属掺杂的正极材料，得到碳包覆钠离子电池正极材料。...

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆钠离子电池正极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：（1）制备得到稀土金属掺杂的正极材料所述稀土金属掺杂的正极材料组成为Na3V2-xHox(PO4)3，其中x=0.01-0.03；按摩尔比为3:(2-x):x:3称量氯化钠、五氧化二钒、硝酸钬和磷酸钾；将上述五氧化二钒、硝酸钬和葡萄糖加入去离子水中溶解，在60-80度温度下加热搅拌成均匀混合溶液；将所述氯化钠和磷酸钾加入到上述混合溶液中，在真空温度为70-90℃下旋蒸3-4h；在100-150℃下真空干燥5-20h，形成电极材料前驱体，在氮气气氛下，经400-600℃条件下预烧结3-5h、700-800℃高温烧结10-15h，冷却后即得稀土金属掺杂的正极材料Na3V2-xMx(PO4)3；（2）制备三维花状碳材料将氢氧化钾和乙酸锌溶于水中进行水热反应得到花状氧化锌，氢氧化钾和乙酸锌的质量比为3:(2-4)；将花状氧化锌、介孔造孔剂混合于水中然后加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，随后将产物抽滤干燥，在花状氧化锌表面构筑一层介孔结构得固体产物一，所述花状氧化锌、介孔造孔剂、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：苏州思创源博电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32