钠离子电池负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于电池负极材料领域，具体涉及一种钠离子电池负极材料及其制备方法。该钠离子电池负极材料包括通式为Mn0.5Ti2(PO4)3的锰钛磷三元材料；制备方法包括：获得猛源、钛源、磷源和螯合剂；将猛源、钛源、磷源和螯合剂溶于水中，并水浴干燥得Mn0.5Ti2(PO4)3溶胶；将Mn0.5Ti2(PO4)3溶胶进行真空干燥或冷冻干燥得Mn0.5Ti2(PO4)3前驱体；将Mn0.5Ti2(PO4)3前驱体在惰性气氛下进行煅烧处理得钠离子电池负极材料。该钠离子电池负极材料具有工作电压低、能量密度高、循环性能稳定、倍率性能良好等特点。

【技术实现步骤摘要】
钠离子电池负极材料及其制备方法
本专利技术属于电池负极材料领域，具体涉及一种钠离子电池负极材料及其制备方法。
技术介绍
随着全球化石能源的不断消耗，能源的发展被迫转向可持续再生能源，如风能和太阳能，而这也推动了全球发展先进能源储存技术的势头。尽管锂离子电池(Lithium-ionbattery，LIB)在商业上获得成功，但锂资源有限，随着对锂资源的需求不断增加，其将远远满足不了将来人们对储能方面的需求，锂将会成为一种枯竭速度更快的资源。而钠在地壳中的含量却高达2.64％，为锂的400倍，相比之下，钠资源比锂资源丰富的多，这也就意味着钠离子电池的成本将会比锂离子电池低的多。此外，除了合适的氧化还原电位之外，钠离子电池(Sodium-ionbattery，NIB)还与锂离子电池共享类似的“摇椅”机制，这意味着可以有效地在NIB中实施用于LIB的现有材料。因此，在当前的市场形势下，开发低成本的钠离子电池具有重大的意义。在各种电极材料中，具有超离子导电性能的NASICON结构的化合物(钠超离子导体)因为其坚固的三维框架能够提供长期的结构稳定性和长的循环寿命，并且增强了安全性，因此对研究者具有特别强的吸引力；同时在聚阴离子化合物中，钠离子嵌入脱出的通道得到明显增加，在充放电过程中晶体的结构也更加稳定。然而，这类材料通常导电性很差，这也导致电极实际容量远远低于其理论容量。为了克服这个缺点，迄今已经采用了包括减小材料粒度以及与材料复合等方法，如具有NASICON结构的NaTi2(PO4)3(NTP)是一种得到广泛研究与应用的钠离子电池负极材料，其电压平台在2.1V左右；然而，其裸材料只能提供约90mAhg-1的有限容量，而且倍率性能很低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种钠离子电池负极材料及其制备方法，旨在解决现有钠离子电池负极材料的电压平台高、能量密度低、循环性能和倍率性差的技术问题。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术一方面提供一种钠离子电池负极材料，所述钠离子电池负极材料包括锰钛磷三元材料，且所述锰钛磷三元材料的通式为Mn0.5Ti2(PO4)3。本专利技术另一方面提供一种上述钠离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：获得猛源、钛源、磷源和螯合剂；将所述猛源、所述钛源、所述磷源和所述螯合剂溶于水中，并水浴干燥得Mn0.5Ti2(PO4)3溶胶；将所述Mn0.5Ti2(PO4)3溶胶进行真空干燥或冷冻干燥得Mn0.5Ti2(PO4)3前驱体；将所述Mn0.5Ti2(PO4)3前驱体在惰性气氛下进行煅烧处理得钠离子电池负极材料。本专利技术提供的钠离子电池负极材料，包括锰钛磷三元材料，其中锰离子、钛离子、磷离子含有特定的摩尔比，即三种离子的摩尔比为1：4：6，相对现有技术具有如下优点：(1)具有较低的工作电压(0.4V左右)，其能量密度高，循环性能稳定，倍率性能良好，而且有较高的理论容量；(2)具有独特的块状结构、形貌均一、比表面积大特点，其具有较大的钠离子迁移通道，因此电化学性能好，有极大的研究和开发的价值。本专利技术提供的钠离子电池负极材料的制备方法，主要将锰源，钛源，磷源，螯合剂通过溶胶凝胶法制得Mn0.5Ti2(PO4)3前驱体后在氩气下烧结而成。该制备方法工艺简便、快捷、成本低，而且工艺过程易于控制，最终制得的钠离子电池负极材料工作电压低、能量密度高，循环性能稳定，倍率性能良好等特点。附图说明图1为本专利技术实施例1提供的钠离子电池负极材料的扫描电镜图；图2为本专利技术实施例1提供的钠离子电池负极材料的XRD物相分析图；图3为本专利技术实施例1提供的钠离子电池负极材料的恒流充放电曲线图；图4为本专利技术实施例1提供的钠离子电池负极材料的循环曲线图；图5为本专利技术实施例1提供的钠离子电池负极材料的倍率性能图。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。一方面，本专利技术实施例提供了一种钠离子电池负极材料，该钠离子电池负极材料包括锰钛磷三元材料，且该锰钛磷三元材料的通式为Mn0.5Ti2(PO4)3。上述钠离子电池负极材料中锰离子、钛离子、磷离子含有特定的摩尔比1：4：6，即钠离子电池负极材料中锰离子、钛离子、磷离子的摩尔可以分别为1mmol、4mmol、6mmol，或2mmol、8mmol、12mmol，或3mmol、12mmol、18mmol，或1mol、4mol、6mol，或2mol、8mol、12mol，或3mol、12mol、18mol等等。该摩尔比下的钠离子电池负极材料即具有工作电压低、能量密度高、循环性能稳定、倍率性能良好等特点；而有独特的块状结构、形貌均一、比表面积大，具有较大的钠离子迁移通道，电化学性能好。因此，有极大的研究和开发价值。优选地，本实施例中的钠离子电池负极材料还包括包覆在上述锰钛磷三元材料的颗粒表面的碳包覆层。该碳包覆层均匀包覆在钠离子电池负极材料的表面，形成复合的颗粒材料，进一步提高该钠离子电池负极材料的结构稳定性，从而提高其倍率性能，使钠离子电池负极材料的性能达到最佳。另一方面，本专利技术实施例还提供了上述钠离子电池负极材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：S01：获得猛源、钛源、磷源和螯合剂；S02：将上述猛源、钛源、磷源和螯合剂溶于水中，并水浴干燥得Mn0.5Ti2(PO4)3溶胶；S03：将上述混合溶胶进行真空干燥或冷冻干燥得Mn0.5Ti2(PO4)3前驱体；S04：将上述Mn0.5Ti2(PO4)3前驱体在惰性气氛下进行煅烧处理得钠离子电池负极材料。上述钠离子电池负极材料的制备方法，主要将锰源，钛源，磷源，螯合剂通过溶胶凝胶法制得前驱体后在氩气下烧结而成。该制备方法工艺简便、快捷、成本低，而且工艺过程易于控制，最终制得的钠离子电池负极材料工作电压低、能量密度高，循环性能稳定，倍率性能良好等特点。优选地，上述步骤S01中，锰源为乙酸锰、二氯化锰、碳酸锰、草酸锰和硫酸锰中的一种或多种。钛源为钛酸四丁酯、钛酸异丙酯和钛酸四乙酯中的一种或多种。磷源为磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵和磷酸中的一种或多种。螯合剂为柠檬酸、酒石酸、乙二胺四乙酸和葡萄糖酸中的一种或多种。上述锰源、钛源和磷源都是本领域的常规选择，而螯合剂即可以使锰源、钛源和磷源螯合在一起形成性能稳定的钠离子电池负极材料，而且同时可以作为碳源，形成最终的碳包覆层，进一步提高钠离子电池负极材料的性能。进一步优选地，上述螯合剂与锰源的摩尔比范围为：(1:1)～(1:2)。在该摩尔比范围内，螯合剂的螯合性能达到最佳。优选地，上述步骤S02中，可以将猛源、螯合剂、钛源和磷源分开依次加入水中：先将锰源溶于水中得初始溶液；然后将螯合剂加入其中溶解，最后将钛源和磷源溶于其中，并不断搅拌至溶液变成白色乳液；随后将该白色乳液在60℃～80℃的水浴中搅拌直到溶液蒸干，得到粘稠的Mn0.5Ti2(PO4)3溶胶。该过程可使猛源、螯合剂、钛源和磷源充分溶解在水中，更有利于后续Mn0.5Ti2(PO4)3前驱体的形成。优选地，上述步骤S03中，真空干燥的过程为：温度100℃～本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钠离子电池负极材料，其特征在于，所述钠离子电池负极材料包括锰钛磷三元材料，且所述锰钛磷三元材料的通式为Mn0.5Ti2(PO4)3。

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池负极材料，其特征在于，所述钠离子电池负极材料包括锰钛磷三元材料，且所述锰钛磷三元材料的通式为Mn0.5Ti2(PO4)3。2.如权利要求1所述的钠离子电池负极材料，其特征在于，所述钠离子电池负极材料还包括包覆在所述锰钛磷三元材料的颗粒表面的碳包覆层。3.如权利要求1或2所述的钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：获得猛源、钛源、磷源和螯合剂；将所述猛源、所述钛源、所述磷源和所述螯合剂溶于水中，并水浴干燥得Mn0.5Ti2(PO4)3溶胶；将所述Mn0.5Ti2(PO4)3溶胶进行真空干燥或冷冻干燥得Mn0.5Ti2(PO4)3前驱体；将所述Mn0.5Ti2(PO4)3前驱体在惰性气氛下进行煅烧处理得钠离子电池负极材料。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述锰源为乙酸锰、二氯化锰、碳酸锰、草酸锰...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐茂文，詹仁明，陈邵华，
申请(专利权)人：西南大学，深圳市川马电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50