一种磷酸钒钠钠离子电池正极材料及其制备方法_2

文档序号:9789444阅读:来源:国知局
一层均匀碳层,形成Na3V2(P04)3/C复合颗粒,复合颗粒位于三维碳骨架结构的空隙内或者是骨架上,从而使Na3V2(PO4)3正极材料具有优良的电子导电性能。
[0036]总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
[0037]本发明的Na3V2(P04)3/C具有较大的比表面积,这就有利于钠离子的脱出与嵌入。在这种结构中碳骨架的外侧和孔洞是间断的,这就为钠离子通过活性材料和电解液提供了连续的转移路径。而且在孔洞周围的活性材料外壁碳层非常的薄,仅仅为Inm?4nm,这很大程度上缩减了在Na3V2(PO4)3中钠离子的扩散路径。本发明的正极材料的三维碳骨架结构在其作为钠离子正极材料时极大地改善了材料的电子导电性,为材料提供了优异的电化学性會K。
[0038]采用溶胶-凝胶方法制备本发明钠离子电池正极材料中,以琼脂糖为碳源,琼脂糖在溶于沸水并冷却到室温后会形成一种多孔的凝胶,琼脂糖形成的凝胶不仅为Na3V2(PO4)3晶体的形成提供了一种模板,而且在液相反应阶段能够限制Na3V2(PO4)3晶体的长大。在焙烧过程中琼脂糖中的官能团被去除,但仍保留了碳的骨架结构,最终形成了Na3V2(P04)3/C复合颗粒位于碳三维骨架结构的正极材料。
[0039]采用球磨法制备本发明钠离子电池正极材料中,球磨工艺使得生成Na3V2(PO4)3的原料和琼脂糖混合均匀,使得在后期烧结过程中,可获得表面包覆有碳的Na3V2(P04)3/C复合颗粒,以及使Na3V2(P04)3/C复合颗粒均匀分布在三维碳骨架空隙中或者骨架上。
【附图说明】
[0040]图1是本发明实施例中的溶胶-凝胶方法步骤示意图;
[0041 ]图2(a)和图2(b)分别是方法一中实例一和方法二中实例五所制备Na3V2(P04)3正极材料的XRD图,说明这两种方法都能制备出较纯的Na3V2(Ρθ4)3产物;
[0042]图3(a)图3(b)分别是方法一中实例二和方法二中实例六所制备Na3V2(PO4)3正极材料的SEM图,说明溶胶-凝胶法和球磨法所制备的Na3V2(PO4)3正极材料都具有三维骨架结构;
[0043 ]图4 (a)图4 (b)分别是方法一中实例三和方法二中实例七所制备Na3V2 (PO4) 3正极材料的TEM图,说明溶胶-凝胶法和球磨法所制备的Na3V2(PO4)3正极材料颗粒表面是一层均匀的碳层,厚度均一;
[0044]图5(a)和图5 (b)分别是方法一中实例四和方法二中实例八所制备的Na3V2 (PO4)3正极材料分别制成半电池后,在2C(lC=117.6mA/g)和20C的电流下的循环稳定性。
【具体实施方式】
[0045]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0046]图1是本发明实施例中的溶胶-凝胶方法步骤示意图,由图可知,本发明提供的采用溶胶凝胶法制备的磷酸钒钠钠离子电池正极材料的方法主要其包括如下步骤:
[0047]S1:将琼脂糖溶于装有沸水的容器中,将容器整体置于水浴环境下保温1min?30min,所述水浴温度为90°C?100°C,全程搅拌以使琼脂糖溶液均匀;
[0048]S2:向步骤SI中的所述琼脂糖溶液中依次加入乙酸钠、磷酸二氢铵和乙酰丙酮钒,并封闭容器口,置于水浴环境下保温1h?20h,所述水浴温度为90°C?100°C,全程搅拌,
[0049]所述乙酸钠、磷酸二氢铵和乙酰丙酮钒的化学计量比满足如下关系:Na:V:P的摩尔比为3:2:3;
[0050]S3:待将步骤S2中溶液取出置于室温环境下,持续搅拌直到形成凝胶;
[0051]S4:对步骤S3获得的凝胶执行烘干工艺直至所述凝胶干燥,所述烘干工艺的温度为60°C?80°C,直至获得干燥凝胶;
[0052]S5:对步骤S4获得的干燥凝胶在气氛环境下执行焙烧工艺,所述焙烧的温度为650°C?800°C,所述焙烧的时间为6h?16h,所述气氛为惰性气体气氛、氮气气氛、氢气气氛或者为前述气氛的混合气氛。
[0053]本发明的提供的采用球磨法制备的磷酸钒钠钠离子电池正极材料的方法主要其包括如下步骤:
[0054]S1:称取琼脂糖、偏钒酸铵和磷酸二氢钠倒入球磨罐中,向球磨罐中加入溶剂,所述偏钒酸铵和磷酸二氢钠的摩尔比为2:3;
[0055]S2:执行球磨获得楽料,所述球磨的速度为350r/min?600r/min,球磨时间为16h?24h,球磨罐距离旋转中心的距离为15cm?30cm,球磨珠直径为5mm?15mm,球磨珠重量为所述琼脂糖、偏钒酸铵和磷酸二氢钠质量之和的30倍?60倍;
[0056]S3:取出步骤S2获得的所述浆料,接着依次进行烘干和研磨,获得干燥粉末,所述烘干的温度为60°C?80°C;
[0057]S4:对经步骤S3获得所述干燥粉末在气氛环境下执行焙烧工艺,所述焙烧的温度为650°C?800°C,所述焙烧的时间为6h?16h,所述气氛为惰性气体气氛、氮气气氛、氢气气氛或者为前述气氛的混合气氛。
[0058]下面以更具体的实施例进一步说明本发明方法和正极材料。
[0059]方法一:溶胶-凝胶法制备Na3V2(PO4) 3正极材料
[0060]实例一
[0061 ] SI:将0.5g琼脂糖溶于装有50ml沸水的烧瓶中,将烧瓶整体置于水浴环境下保温1011^11,所述水浴温度为90°(3,全程以44(^/1^11搅拌使琼脂糖溶液均匀;
[0062]S2:向步骤SI中的所述琼脂糖溶液中依次加入乙酸钠、磷酸二氢铵和乙酰丙酮钒,乙酸钠、磷酸二氢钱和乙酰丙酮银的质量分别为1.987g、2.786g以及5.625g,并封闭烧瓶口,置于水浴环境下保温10h,所述水浴温度为90°C,全程以440r/min搅拌,
[0063]所述乙酸钠、磷酸二氢铵和乙酰丙酮钒的化学计量比满足如下关系:Na:V:P的摩尔比为3:2:3,满足这样的化学计量比关系,才能生成Na3V2(PO4);
[0064]S3:待将步骤S2中溶液取出置于室温环境下,持续搅拌直到形成凝胶;
[0065]S4:对步骤S3获得的凝胶执行烘干工艺直至所述凝胶干燥,所述烘干工艺的温度为60°C,直至获得干燥凝胶;
[0066]S5:对步骤S4获得的干燥凝胶在气氛环境下执行焙烧工艺,所述焙烧的温度为650°C,其具体的焙烧工艺为:
[0067]室温经30分钟的升温到120°C,在120°C的温度保温120min,再经120min升温到650°C,在650°C的温度下保温360min,即为6h,保温完成后降温到室温,焙烧的气氛为Ar气。
[0068]对根据本实施例的方法制得的材料进行XRD测试,所得结果如图2(a)所示,由图可知,所制备出的产物的各个衍射峰可以完全归属于钠超离子导体结构的Na3V2(PO4)3材料,而且图中峰型尖锐清晰,表明该材料结晶良好。
[0069]实施例二
[0070]S1:将0.5g琼脂糖溶于装有50ml沸水的烧瓶中,将烧瓶整体置于水浴环境下保温20min,所述水浴温度为100°C,全程以440r/min搅拌使琼脂糖溶液均匀;
[0071 ] S2:向步骤SI中的所述琼脂糖溶液中依次加入乙酸钠、磷酸二氢铵和乙酰丙酮钒,乙酸钠、磷酸二氢钱和乙酰丙酮银的质量分别为1.987g、2.786g以及5.625g,并封闭烧瓶口,置于水浴环境下保温20h,所述水浴温度为100°C,全程以440r/min搅拌,
[0072]所述乙酸钠、磷酸二氢铵和乙酰丙酮钒的化学计量比满足如下关系:Na:V:P的摩尔比为3:2:3,满足这样的化学计量比关系,才能生成Na3
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