一种高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料及制备方法技术

本发明专利技术属于钠离子电池正极材料技术领域，公开了一种高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料及制备方法，该正极材料由磷酸焦磷酸铁钠颗粒为核心，其表面碳包覆构成；其化学式为Na4Fe3‑

【技术实现步骤摘要】
一种高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及钠离子电池正极材料
，具体为一种高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料及制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，以锂离子电池为代表的储能技术被广泛应用于便携式电子设备、储能电站、电动汽车等领域，使得锂离子电池产量及消耗量高速增长。然而，有限的锂资源无法满足锂离子电磁急剧扩张的市场需求，因此，开发新型储能装置显得尤为重要。相关研究表明，钠离子电池与锂离子电池具有相似的电化学反应机制，有望成为储能装置应用领域中最具潜力的可替代品之一。但钠离子比锂离子要大55％左右，钠离子在相同结构材料中的嵌入和扩散往往都相对困难，同时嵌入后材料的结构变化会更大，因而电极材料的比容量、动力学性能和循环性能等都相应地变差。相比于锂离子电池领域，钠离子电池领域还有很多技术难题需要克服，其技术成熟度严重滞后于锂离子电池。
[0003]另外，成本是推动钠离子电池与锂离子电池竞争的核心要素，以铁基聚阴离子为代表的磷酸焦磷酸铁钠正极材料具有成本低廉、优异的循环性能，成为构筑低成本商业化钠离子电池的理想选择之一。然而，由于磷酸焦磷酸铁钠导电性和电化学性能差，能量密度低和循环寿命短。因此，研究人员开发了一系列改性策略来解决这个问题，其中”高熵理念”已被广泛应用到电化学储能材料的结构设计体系中，高熵材料是一类含有5种及以上元素,并以等摩尔比或近摩尔比相互固溶而得到的具有单一相的材料,其独特的构型和电化学可调性为突破当前电极材料性能瓶颈带来了新的机遇，而利用高熵材料“鸡尾酒效应”来改善磷酸焦磷酸铁钠电极材料倍率性能和循环稳定性的研究未见报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术意在提供一种高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料及制备方法，通过等摩尔比的Mg、Ca、Al、Cr、Mn五种元素在Fe位形成一种联合晶体，多样化的局部结构很好的延缓了在Na
+
的脱嵌反应中的相变反应和电荷补偿，有效的抑制了单纯Na4Fe3(PO4)2(P2O7)充放电过程中的相变反应，稳定了基体结构；得到高熵钠离子电池正极材料Na4Fe
2.95
Mg
0.01
Ca
0.01
Al
0.01
Cr
0.01
Mn
0.01
(PO4)2(P2O7)，该材料物相单一、结晶度好、粒径均匀，在钠离子电池中具有优异的电化学性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料，所述正极材料由磷酸焦磷酸铁钠颗粒为核心，其表面碳包覆构成；所述磷酸焦磷酸铁钠的化学式为Na4Fe3‑
x
‑
y
‑
z
‑
α
‑
β
Mg
x
Ca
y
Al
z
Cr
α
Mn
β
(PO4)(P2O7)，0.01≤x≤0.1，0.01≤y≤0.1，0.01≤z≤0.1，0.01≤α≤0.1，0.01≤β≤0.1。
[0007]上述的一种高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、配置含有镁源、钙源、铝源、铬源、锰源、铁源和乙二醇的水溶液A；
[0009]S2、配置含有钠源、磷源、碳源和助剂的水溶液B；
[0010]S3、将水溶液A缓慢滴加到水溶液B中，得到悬浊液C；
[0011]S4、将悬浊液C进行搅拌、加热蒸干、干燥过夜球磨后得到正极前驱体；
[0012]S5、将正极前驱体在保护气氛下烧结，冷却后经破碎研磨、筛分得到表面碳包覆的高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料。
[0013]进一步地，在S1中，溶液A中Fe元素、Mg元素、Ca元素、Al元素、Cr元素、Mn元素的摩尔比为2.95～3:0.01～0.1:0.01～0.1:0.01～0.1:0.01～0.1:0.01～0.1；乙二醇的质量占成品磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料质量的0.2～0.5％。
[0014]进一步地，在S1中，镁源为醋酸镁、硝酸镁及其水合物的一种或多种混合物；钙源为醋酸钙、硝酸钙及其水合物的一种或多种混合物；铝源为醋酸铝、硝酸铝及其水合物的一种或多种混合物；铬源为醋酸铬、硝酸铬及其水合物的一种或多种混合物；锰源为醋酸锰、硝酸锰及其水合物的一种或多种混合物；铁源为醋酸亚铁、硝酸亚铁、硝酸铁、醋酸铁及其水合物的一种或多种混合物。
[0015]进一步地，在S2中，钠源为碳酸钠、碳酸氢钠、硝酸钠、草酸钠、柠檬酸钠、酒石酸钠、海藻酸钠、乳酸钠的一种或多种混合物；磷源为焦磷酸钠、焦磷酸二氢钠、磷酸二氢铵、磷酸二氢钠、磷酸氢二铵中的一种或多种混合物；碳源为葡萄糖、乳糖、果糖、草酸、柠檬酸、蔗糖的任意一种或多种混合物；助剂为乙醇胺、三乙醇胺、盐酸三乙醇胺、乳酸、乳酸钠的任意一种或多种混合物。
[0016]进一步地，在S2中，碳源的质量占成品磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料质量的1～15％；助剂的质量占成品磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料质量的0.2～0.5％。
[0017]进一步地，在S3中，悬浊液C中Na元素、Fe元素、Mg元素、Ca元素、Al元素、Cr元素、Mn元素、磷酸根、焦磷酸根的摩尔比为3.95～4.05:2.95～3:0.01～0.1:0.01～0.1:0.01～0.1:0.01～0.1:0.01～0.1:2:1。
[0018]进一步地，在S4中，搅拌悬浊液C的方法为：在温度为10～60℃条件下，以200～600r/min的搅拌速度，磁力搅拌1～12h，得到混合均匀的溶液。
[0019]进一步地，在S4中，加热蒸干的方式为：利用旋转蒸发仪，在温度为60～120℃的条件下，将混合均匀的溶液保温至水完全蒸发，得到混合均匀的粉末；球磨的条件为：球磨转速为150～600r/min，珠料比为3～10：1。
[0020]进一步地，在S5中，保护气氛为氮气、氩气或惰性气氛与还原性气体混合的一种或两种混合气；烧结温度以2～10℃/min的升温速度加热至200～350℃，并预烧结3～10h，再以2～10℃/min的升温速度升温至450～650℃的温度下烧结6～15h。
[0021]技术方案的有益效果是：
[0022]1、本专利技术提供了一种Na4Fe
2.95
Mg
0.01
Ca
0.01
Al
0.01
Cr
0.01
Mn
0.01
(PO4)2(P2O7)高熵钠离子电池正极材料，该材料物相单一、结晶度好、粒径均匀，在钠离子电池中具有优异的电化学性能；
[0023]2、本专利技术通过等摩尔比的Mg、Ca、Al、Cr、Mn五种元素在Fe位形成一种联合晶体，多样化的局部结构很好的延缓了在N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料，其特征在于：所述正极材料由磷酸焦磷酸铁钠颗粒为核心，其表面碳包覆构成；所述磷酸焦磷酸铁钠的化学式为Na4Fe3‑
x
‑
y
‑
z
‑
α
‑
β
Mg
x
Ca
y
Al
z
Cr
α
Mn
β
(PO4)(P2O7)，0.01≤x≤0.1，0.01≤y≤0.1，0.01≤z≤0.1，0.01≤α≤0.1，0.01≤β≤0.1。2.根据权利要求1所述的一种高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、配置含有镁源、钙源、铝源、铬源、锰源、铁源和乙二醇的水溶液A；S2、配置含有钠源、磷源、碳源和助剂的水溶液B；S3、将水溶液A缓慢滴加到水溶液B中，得到悬浊液C；S4、将悬浊液C进行搅拌、加热蒸干、干燥过夜球磨后得到正极前驱体；S5、将正极前驱体在保护气氛下烧结，冷却后经破碎研磨、筛分得到表面碳包覆的高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料。3.根据权利要求2所述的一种高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：在S1中，溶液A中Fe元素、Mg元素、Ca元素、Al元素、Cr元素、Mn元素的摩尔比为2.95～3:0.01～0.1:0.01～0.1:0.01～0.1:0.01～0.1:0.01～0.1；乙二醇的质量占成品磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料质量的0.2～0.5％。4.根据权利要求2所述的一种高熵磷酸焦磷酸铁钠钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：在S1中，镁源为醋酸镁、硝酸镁及其水合物的一种或多种混合物；钙源为醋酸钙、硝酸钙及其水合物的一种或多种混合物；铝源为醋酸铝、硝酸铝及其水合物的一种或多种混合物；铬源为醋酸铬、硝酸铬及其水合物的一种或多种混合物；锰源为醋酸锰、硝酸锰及其水合物的一种或多种混合物；铁源为醋酸亚铁、硝酸亚铁、硝酸铁、醋酸铁及其水合物的一种或多种混合物。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨成浩，陈昌东，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：