【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及钠离子电池领域,特别是一种高压实密度复合磷酸铁钠及其制备方法及其应用。
技术介绍
1、随着全球能源转型和可持续发展的推进，新能源存储技术正迅速发展，其中钠离子电池因其资源丰富、成本低廉和环境友好等优势，被视为大规模储能系统的重要选择。正极材料作为钠离子电池性能的决定性因素，其性能直接影响电池的能量密度、循环稳定性和安全性。复合磷酸铁钠(nfpp)材料因其良好的循环稳定性、超高的安全性能及优异的倍率性能等特点而受到研究者的青睐。
2、然而，现有的复合磷酸铁钠(nfpp)材料在实际应用中仍面临诸多挑战，其技术问题主要包括：
3、1.压实密度较低：材料的自然状态下的密度不足(一般是压实密度2.0，真密度3.2)，导致其在电池应用中的能量密度受限。
4、2.材料内部存在较多孔隙(晶界处较高的孔隙率)，这不仅降低了材料的密度，还可能影响其结构完整性和电化学性能。
5、3.加工成本过高：传统的物理研磨方法成本昂贵，效率不高，导致整体生产成本增加。
6、4.合成过程中产气对结构的破坏：在材料合成过程中，由于化学反应可能产生气体，这些气体会导致材料结构的破坏，影响其性能。如在合成过程中可能因局部气压的波动或者气体释放而形成不规则、不均匀的微孔或介孔，进一步降低了材料的堆积密度和压实密度。
7、5.加工阶段仅靠物理研磨：过分依赖物理方法进行材料的加工，缺乏化学方法辅助，可能导致材料性能不达标。
8、6.合成效率低下：现有合成方法可能存在固体含量低导致
9、7.电化学性能不足：由于上述问题，材料的电化学性能可能未达到最优，如循环稳定性和倍率性能可能不理想。此外，动力学性能不足也是制约其在高倍率充放电条件下应用的关键因素，也会引起在低温场景下充放电循环寿命的快速衰减。
10、8.产业化应用受限：由于成本和性能的限制，nfpp材料在钠离子电池中的产业化应用面临挑战。制备成本和工艺的复杂性也成为制约其大规模生产和商业化应用的瓶颈。
11、这些技术问题需要通过创新的方法和工艺来解决，以提高nfpp材料的性能和降低生产成本，从而推动其在钠离子电池领域的广泛应用。因此，开发一种新的高压实密度复合磷酸铁钠材料显得尤为迫切。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种压实密度高，又增强了材料的动力学性能、提高了材料的热稳定性和化学稳定性，电化学性能好，且生产成本低的高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法及其应用。
2、本专利技术通过创新的合成策略，旨在提高材料的压实密度，减少孔隙率，改善动力学性能，同时降低合成成本，以期实现钠离子电池性能的全面提升，推动钠离子电池技术的发展和应用。
3、本专利技术的技术方案是这样实现的：
4、本专利技术所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，包括以下步骤：
5、步骤(1)、钠源、铁源、磷源按照[xna+(a-x)a]:[yfe+(b-y)b]:p＝a:b:(c+2)的化学计量比称量，其中，a为na位掺杂物，b为fe位掺杂物，a选用与na离子半径相近的金属掺杂元素，b选用与fe离子半径相等或小于fe离子半径的金属掺杂元素，且3≤a≤4.3，2≤b≤3，1≤c≤2，a-b≤1，0<a-x≤0.05、0<b-y≤0.05；再将铁源、钠源、磷源、绿色可降解的螯合剂混合分散到纯水中，在一定温度下反应一段时间，然后转入砂磨机(以2800-3500rpm/min的转速)研磨，再添加适量分散剂和蔗糖，继续研磨一段时间后加入掺杂物a和b，研磨结束后得到浆料f。
6、步骤(2)、将浆料f用喷雾干燥塔进行喷雾干燥(进口温度220℃，出口温度110℃)，喷雾干燥得到粉体k。粉体k粒度控制在2um<d10<6um，10um<d50<18um，25um<d99<40um；
7、步骤(3)、将粉体k转移至管式炉，在n2保护气氛下，氧含量<50ppm，温度450-600℃之间煅烧10-15小时，最后气流粉碎得到具有高压实密度的分子式为(naxaa-x)(feybb-y)(po4)cp2o7的磷酸焦磷酸铁钠正极材料粉体。
8、本专利技术中na位掺杂物a和fe位掺杂物b用作掺杂元素比例要控制在0.05以内，过高会导致性能显著降低。
9、进一步是：a:b:(c+2)为4：3：4或3.4：2.4、3.4，优选比例为后者。
10、在步骤(1)中螯合剂的添加量为铁源、钠源与磷源质量总和的5％-15％，分散剂的添加量为铁源、钠源、磷源和螯合剂总质量的1％-3％。研磨时，调控研磨腔温度处于30-50℃之间，浆料f的粘度处于300-2000mpa*s。浆料f粒度控制在d10≤150nm，d50≤300nm，d90≤500nm，dmax<1um，粒度分布【定义式为span＝(d90-d10)/d50】要<1.5。
11、本专利技术的原料中使用一种或几种绿色可降解螯合剂通过化学腐蚀溶解和螯合作用，再协同机械砂磨的物理作用，将反应物料制备成不含不溶物的溶液，达到原子层面的均匀混合，再通过喷雾干燥、煅烧的方式得到结构致密、高相纯度、高压实密度的nfpp电极材料，可以将这项技术命名为离子螯合制备技术(ionic chelation preparationtechnique)。
12、此外，原料配比中还需考虑po4、p2o7比例，比例为c：1。1≤c≤2。使得反应过程不额外产生对结构造成冲击和不降低结构的孔隙率，从而提高材料制成极片的压实密度。原料配比考虑po42-、p2o7的比例，是因为材料烧结时，如果磷酸根相比设计的分子式中过量，2个po42-失去一个o变为p2o74-，会释放额外的氧气气体导致介孔或者微孔的出现。
13、本专利技术是通过原料中磷酸盐(po4来源)和焦磷酸盐(p2o7来源)的比例来控制。因为po4大于2时，po4比例偏高，不利影响：1、材料的电子绝缘性增加，从而降低电导率和离子扩散速率，影响电池的充放电性能。2、过多的po43-可能会导致晶体结构中的键合强度增加，提高材料的结构稳定性，但会牺牲一定的电化学活性。3、较高的po43-比例会提高材料的热稳定性，因为po43-有助于形成更稳定的晶体结构。4、在某些情况下，较高的po43-比例可能会提高材料的化学稳定性，从而提高电池的安全性。po4小于1时，po4比例偏低，不利影响是：1、较低的po43-比例可能会减少材料的稳定性；2、过少的po43-可能会导致晶体结构的键合强度降低，影响材料的机械稳定性和循环稳定性。3、较低的po43-比例可能会降低材料的热稳定性，增加热失控的风险。4、较低的po43-比例可能会使材料更容易受到化学攻击，增加副反应的风险，从而影响电池的安全性。
14、另外，离子强度(i)是衡量溶液中离子总量的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：，在步骤(1)中，螯合剂的添加量为铁源、钠源与磷源质量总和的5％-15％，分散剂的添加量为铁源、钠源、磷源和螯合剂总质量的1％-3％。
3.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中研磨时，调控研磨腔温度处于30-50℃之间，控制浆料F的粒度，同时控制粘度处于300-2000mpa*s。
4.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，螯合剂的离子强度控制在I＝0.03-0.1mol/L的范围内。
5.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：螯合剂的离子浓度/溶液中总离子浓度的比值为0.005-0.03。
6.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：
7.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：钠源来自碳酸盐、硫酸盐、氧化物、氯化物、
8.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：磷源来自磷酸盐、氯化盐、氧化物，包括但不限于磷酸二氢钠、磷酸三氢钠、磷酸氢二钠、磷酸氢三钠、磷酸一钠、磷酸二钠、磷酸三钠、氯化磷、氧化磷、亚磷酸钠、磷酸二氢铵。
9.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：螯合剂来自乙二胺四乙酸、二乙烯三胺五乙酸、次磷酸钠、柠檬酸、草酸、抗坏血酸、酒石酸、乙二胺二邻苯氧乙酸、羟乙基乙二胺三乙酸、丙二胺四乙酸、氮川三乙酸、水杨酸、苯酚磺酸、亚氨基二琥珀酸四钠、谷氨酸二乙酸四钠、天冬氨酸二乙酸四钠、甲基甘氨酸二乙酸三钠中的一种或几种；
10.一种如权利要求1-9中任一项高压实密度复合磷酸铁钠的应用，其特征在于：应用于钠离子电池的正极材料中。
...【技术特征摘要】
1.一种高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：，在步骤(1)中，螯合剂的添加量为铁源、钠源与磷源质量总和的5％-15％，分散剂的添加量为铁源、钠源、磷源和螯合剂总质量的1％-3％。
3.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中研磨时，调控研磨腔温度处于30-50℃之间，控制浆料f的粒度，同时控制粘度处于300-2000mpa*s。
4.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，螯合剂的离子强度控制在i＝0.03-0.1mol/l的范围内。
5.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：螯合剂的离子浓度/溶液中总离子浓度的比值为0.005-0.03。
6.根据权利要求1所述高压实密度复合磷酸铁钠的制备方法，其特征在于：
7.根据权利要求1所述高压实...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡伟华，高弘，赵建明，郭启涛，黄泽琦，聂婄，
申请(专利权)人：深圳华钠新材有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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