一种钠离子电池正极材料的制备方法技术

本发明专利技术属于钠离子电池技术领域，更具体地，涉及一种钠离子电池正极材料的制备方法。本发明专利技术提供了一种合成工艺简单且成本低的钠离子电池正极材料Na2FePO4F的制备方法。将FePO4·

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池正极材料的制备方法


[0001]本专利技术属于钠离子电池
，更具体地，涉及一种钠离子电池正极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着全球锂矿资源竞争的日益加剧，锂价或将持续上涨，目前已高居50万/吨，锂资源的紧缺已严重影响锂电池的稳步发展。众所周知，钠与锂位于同一主族，具有相似的物化特性，但钠资源分布非常丰富，地壳丰度高达2.75％，而锂资源仅为0.0017％。更值得一提的是，研究者发现钠离子电池和锂离子电池其工作原理相似、关键技术融通，制备成相应的电极材料时，两种电池材料又表现出相似的性质。因此，在锂资源供给面临瓶颈，锂价“高攀不起”的当下，资源丰富且成本低的钠离子电池格外备受关注。已有不少研究者将目光投向来源丰富、成本更低、电化学性能更稳定、使用更安全的水溶液体系钠离子电池，使其在储能电池、基站备用电源、低速四轮车、电动两轮车等领域得以广泛应用，将与锂电形成互补格局。
[0003]虽然钠离子电池已备受关注，但钠离子具有较大的离子半径将使其在充放电脱嵌钠离子的过程中，动力学速率极其缓慢，这是研究者不得不面临且亟需解决的问题。同时，由于离子半径大不仅限制了材料的离子传输，也会在充放电过程中发生相变，导致材料结构变形，进而影响电池的循环稳定性。已有研究表明，可通过离子掺杂与表面包覆可解决上述提及问题。例如，Sun等人于2022年采用聚四氟乙烯为碳源和补氟剂，制备了碳包覆Na3V2(PO4)2F3复合材料，显著提高了电池的可逆容量、倍率容量和循环稳定性。同年，Lu等人也报道了以甘蔗渣为碳源的碳包覆钠离子正极材料Na2FePO4F。结果表明，包覆碳后的正极材料电化学性能明显优于未包覆碳源的材料。
[0004]报道居多的钠离子正极材料主要有层状氧化物类化合物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子类化合物。经分析，层状氧化物类的正极材料具有比容量高的显著优势，但循环性能差；而普鲁士蓝类化合物也有较高比容量，但其毒性大。相比而言，聚阴离子类的正极材料最大优势在于循环稳定性好，且可应用于水溶液体系，大大增加了其安全性能。
[0005]作为电极材料，比容量是衡量电池性能至关重要的因素。研究者采用包覆、掺杂等多种技术以提高电极的比容量、循环稳定性等。虽然Lu等人已有用草酸铁、氟化钠、磷酸二氢铵、醋酸钠和甘蔗渣为原料，采用流变相法制备得到了钠离子正极材料Na2FePO4F，但在0.1C倍率下的首圈放电比容量为93mAh/g，循环40圈后放电比容量为85mAh/g；当倍率提高至1C时，首圈放电比容量仅约30mAh/g。同时，现有仅公开的一项有关正极材料Na2FePO4F的专利文献，在0.1C倍率下的首圈放电比容量也仅为120mAh/g。由此可见，现有正极材料的合成技术仍存在些许不足，比容量、循环稳定性和安全性均有待提高。因此，亟需开发一种易于工业化生产且实用性能好、绿色无污染、低成本的钠离子正极材料的技术。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种钠离子电池正极材料Na2FePO4F的制备方法，采用流变相法合成低成本钠离子正极材料Na2FePO4F，解决了现有技术钠离子电池正极材料Na2FePO4F用于钠离子电池比容量低、循环稳定性欠佳等的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种钠离子电池正极材料Na2FePO4F的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)将氟化钠和FePO4·
2H2O粉末通过研磨混合均匀，即得包含铁源、磷源和钠源的混合盐；
[0009](2)将钠盐补充剂和碳源的混合水溶液与步骤(1)所述混合盐混合后进行水热反应，得到Na2FePO4F前驱体；
[0010](3)将步骤(2)所述Na2FePO4F前驱体进行烧结得到钠离子电池正极材料Na2FePO4F。
[0011]优选地，步骤(1)所述FePO4·
2H2O粉末的平均粒度为0.5～10μm，进一步优选为2～6μm。
[0012]优选地，步骤(1)所述FePO4·
2H2O粉末为以FeSO4·
7H2O和H3PO4为原料采用紊流循环法制备得到的粉末材料。
[0013]优选地，步骤(1)所述FePO4·
2H2O粉末与氟化钠的摩尔比为1:1～2:1。
[0014]优选地，步骤(2)所述钠盐补充剂为醋酸钠、草酸钠或柠檬酸钠，所述混合水溶液中钠离子的浓度为2～6mol/L，所述碳源的浓度为0.1～0.5g/mL，所述碳源为蔗糖和/或葡萄糖。
[0015]优选地，步骤(2)所述混合水溶液中钠盐补充剂与步骤(1)所述混合盐中氟化钠的摩尔比为0.5～1.2:1。
[0016]优选地，步骤(2)将钠盐补充剂和碳源的混合水溶液与步骤(1)所述混合盐通过超声混合后再进行水热反应，所述超声混合的时间为30～45min。
[0017]优选地，步骤(2)所述水热反应的温度为40～180℃，反应时间为10～40h。
[0018]优选地，步骤(3)所述烧结具体为：惰性气氛下先于200～400℃预烧结1～5h，再于500～800℃二次烧结4～12h，即得Na2FePO4F钠离子正极材料。
[0019]优选地，所述惰性气氛为N2、He、Ar或N2和Ar的混合气体。
[0020]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的制备方法制备得到的钠离子电池正极材料Na2FePO4F。
[0021]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种钠离子电池，包含正极、负极和隔膜，其中所述正极的活性材料包含所述的正极材料Na2FePO4F。
[0022]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下
[0023]有益效果：
[0024](1)本专利技术提供了一种合成工艺简单且成本低的新型钠离子电池正极材料Na2FePO4F的制备方法。本专利技术将FePO4·
2H2O粉末与NaF研磨混合，将混合后的原料置于水热反应釜中，在一定温度下反应一定时间即可得到Na2FePO4F前驱体材料，然后经烧结得到Na2FePO4F正极材料。
[0025](2)本专利技术将制备的钠离子电池正极材料Na2FePO4F组装成电池，测得电池的首次
可逆容量可达110mAh/g，接近于理论比容量，且循环性能好；因此，本专利技术中制备所得的新型钠离子电池正极材料Na2FePO4F具有广泛的应用价值和极大的市场前景。
[0026](3)本专利技术中制备所得的新型钠离子电池正极材料Na2FePO4F的原料来源广泛，且合成技术路线极为简单，更易于实现工业化生产。
[0027](4)本专利技术优选实施例中采用紊流循环法制备FePO4·
2H2O粉末，可得高纯度纳米级原料，为正极材料Na2FePO4F的制备奠定了良好的基础。
[0028]综上所述，本专利技术中制备新型钠离子电池正极材料Na2FePO4F的合成方法，其技术路线简单、成本低、正极材料比容量较高、循环稳定性好且可应用于水溶液体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池正极材料Na2FePO4F的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将氟化钠和FePO4·
2H2O粉末通过研磨混合均匀，即得包含铁源、磷源和钠源的混合盐；(2)将钠盐补充剂和碳源的混合水溶液与步骤(1)所述混合盐混合后进行水热反应，得到Na2FePO4F前驱体；(3)将步骤(2)所述Na2FePO4F前驱体进行烧结得到钠离子电池正极材料Na2FePO4F。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述FePO4·
2H2O粉末的平均粒度为0.5～10μm。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述FePO4·
2H2O粉末为以FeSO4·
7H2O和H3PO4为原料采用紊流循环法制备得到的粉末材料。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述FePO4·
2H2O粉末与氟化钠的摩尔比为1:1～2:1；步骤(2)所述混合水溶液中钠盐补充剂与步骤(1)所述混合盐中氟化钠的摩尔比为0.5～1.2:...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾常春，薛永萍，张睿，王义发，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：