本發(fā)明涉及磷酸焦磷酸鐵鈉材料，具體涉及一種介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料、制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、正極材料是決定鈉離子電池的電化學(xué)性能、安全性等重要性質(zhì)的關(guān)鍵組分。具備開放穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)的磷酸焦磷酸鐵鈉正極材料擁有循環(huán)壽命長、工作電壓高以及安全穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，從眾多鐵基聚陰離子型鈉離子電池正極材料中脫穎而出。

2、介孔結(jié)構(gòu)非常有利于離子的脫嵌，提高容量的發(fā)揮。然而，目前研究及生產(chǎn)中，為了提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性，一般采用緩慢升溫、高溫長時(shí)間保溫的燒結(jié)工藝進(jìn)行較大顆粒磷酸焦磷酸鐵鈉材料的制備。常規(guī)制備在長時(shí)間燒結(jié)過程中緩慢釋放氣體，不易產(chǎn)生介孔，并且由于足夠長的保溫時(shí)間，孔結(jié)構(gòu)很容易因離子遷移等過程而消失。雖然提高了長循環(huán)穩(wěn)定性，但影響了容量性能的突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料及其制備方法，該制備方法能夠快速合成表面具有介孔結(jié)構(gòu)的磷酸焦磷酸鐵鈉材料，所合成的介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉具有高比表面積、高容量，可將其作為正極材料應(yīng)用于鈉離子電池。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案之一在于提供一種介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

3、步驟1，利用鐵源、磷源、鈉源和碳源制備磷酸焦磷酸鐵鈉前驅(qū)體，其中碳源質(zhì)量為總質(zhì)量的10％-35％，使用噴霧干燥法、固相法、溶膠凝膠法等方法制備磷酸焦磷酸鐵鈉前驅(qū)體；

4、步驟2，對(duì)步驟1得到的前驅(qū)體進(jìn)行研磨，隨后將其在保護(hù)氣體氛圍下進(jìn)行預(yù)燒處理；

5、步驟3，在保護(hù)氣體氛圍下，將步驟2所得經(jīng)過預(yù)燒處理的前驅(qū)體置于加熱基底上，通電對(duì)前驅(qū)體粉末進(jìn)行熱沖擊，得到具有介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料。

6、本發(fā)明對(duì)經(jīng)過預(yù)熱處理的磷酸焦磷酸鐵鈉前驅(qū)體進(jìn)行高溫?zé)釠_擊，即直流電通過負(fù)載產(chǎn)生的焦耳熱，在短時(shí)間內(nèi)為磷酸焦磷酸鐵鈉成相提供能量，快速制備磷酸焦磷酸鐵鈉材料。

7、本發(fā)明通過較低溫度的預(yù)燒處理和較高溫度的熱沖擊處理，有效調(diào)控水汽釋放速率與成相速率，構(gòu)筑具有介孔的表面結(jié)構(gòu)，得到介孔磷酸焦磷酸鐵鈉。

8、進(jìn)一步地，所述步驟1中鐵源為氫氧化鐵、硝酸鐵、草酸鐵、氯化鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化亞鐵中的一種或多種組合。

9、進(jìn)一步地，所述步驟1中磷源為磷酸鈉、磷酸氫鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、焦磷酸鈉、焦磷酸二氫二鈉中的一種或多種組合。

10、進(jìn)一步地，所述步驟1中鈉源為氫氧化鈉、硝酸鈉、草酸鈉、氯化鈉、磷酸鈉、磷酸氫鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉中的一種或多種組合。

11、進(jìn)一步地，所述步驟1中碳源為還原性的碳源中的一種或多種組合。

12、進(jìn)一步地，所述還原性碳源包括抗壞血酸、葡萄糖、蔗糖、檸檬酸、草酸、乙二醇、石墨烯、碳納米管中的一種或多種組合。

13、進(jìn)一步地，在所述步驟2中對(duì)磷酸焦磷酸鐵鈉前驅(qū)體進(jìn)行研磨前，對(duì)所述磷酸焦磷酸鐵鈉前驅(qū)體進(jìn)行干燥，干燥方法為真空烘干法，烘干溫度為80-120℃，烘干時(shí)間為8-16h。

14、進(jìn)一步地，所述步驟2中的預(yù)燒處理溫度為250-400℃，持續(xù)時(shí)間為3-7h。

15、進(jìn)一步地，所述步驟3中的熱沖擊溫度為400-700℃，持續(xù)時(shí)間為100-200s。

16、本發(fā)明的技術(shù)方案之二在于提供一種介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料，表面具有介孔結(jié)構(gòu)，介孔尺寸為10-50nm，介孔能夠有效提高離子遷移速率，進(jìn)而提升磷酸焦磷酸鐵鈉材料的電化學(xué)性能發(fā)揮。

17、本發(fā)明的技術(shù)方案之三在于提供一種介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料作為正極材料的應(yīng)用。實(shí)施例中所得的介孔磷酸焦磷酸鐵鈉材料在1.0c條件下的循環(huán)性能，容量可達(dá)96～100mah?g-1。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能達(dá)到以下有益效果：

19、(1)本發(fā)明所制備的磷酸焦磷酸鐵鈉材料表面具有介孔結(jié)構(gòu)，使其比表面積更大，有助于電解液更好地滲透到電極材料內(nèi)部，確保更均勻的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，有助于提高電化學(xué)反應(yīng)的效率和電池的整體能量密度。將其作為電池的正極材料組裝成電池時(shí)，其初始容量較現(xiàn)有的磷酸焦磷酸鐵鈉提高4-8mah?g-1。

20、(2)本發(fā)明的方法可以極大程度上縮短制備磷酸焦磷酸鐵鈉材料的時(shí)間，進(jìn)而節(jié)省了制備過程中的能源消耗。

技術(shù)特征：

1.一種介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1中磷酸焦磷酸鐵鈉前驅(qū)體的制備方法為噴霧干燥法、固相法和溶膠凝膠法。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1中鐵源為氫氧化鐵、硝酸鐵、草酸鐵、氯化鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化亞鐵中的一種或多種組合；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1中碳源為還原性的碳源。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料的制備方法，其特征在于，所述還原性碳源為抗壞血酸、葡萄糖、蔗糖、檸檬酸、草酸、乙二醇、石墨烯、碳納米管中的一種或多種組合。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料的制備方法，其特征在于，在所述步驟2中對(duì)磷酸焦磷酸鐵鈉前驅(qū)體進(jìn)行研磨前，對(duì)所述磷酸焦磷酸鐵鈉前驅(qū)體進(jìn)行干燥，干燥方法為真空烘干法，烘干溫度為80-120℃，烘干時(shí)間為8-16h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料的制備方法，其特征在于，所述步驟2中的預(yù)燒處理溫度為250-400℃，持續(xù)時(shí)間為3-7h。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3中的熱沖擊溫度為400-700℃，持續(xù)時(shí)間為100-200s。

9.一種權(quán)利要求1所述方法制備得到的介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料。

10.權(quán)利要求9所述的介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料作為正極材料的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種介孔結(jié)構(gòu)磷酸焦磷酸鐵鈉材料，制備方法及其應(yīng)用。該磷酸焦磷酸鐵鈉材料通過熱沖擊法合成，材料表面具有10～50nm的介孔結(jié)構(gòu)，有效提高離子遷移效率，進(jìn)而提升磷酸焦磷酸鐵鈉材料的電化學(xué)性能發(fā)揮。熱沖擊法能夠有效縮短煅燒時(shí)間降低能耗，并且能夠在磷酸焦磷酸鐵鈉成相的過程中設(shè)計(jì)表面結(jié)構(gòu)，通過調(diào)控水汽釋放速率與成相速率，使制備得到的磷酸焦磷酸鐵鈉樣品表面具有介孔結(jié)構(gòu)。

技術(shù)研發(fā)人員：陳亞楠,張景超,孫圣凱,王淳櫻,羅佳薇,劉哲棟,郭召鑫
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19