CN112490448A - 一种(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法 - Google Patents

一种(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，首先，通过低温快速碳热还原法将一定量钒源、磷源和有机碳源混合物制备得到碳包覆的磷酸钒前驱体；然后，将磷酸钒前驱体进一步与钠源、磷源或氟源进行固相混合，煅烧合成结晶性优良的碳包覆(氟)磷酸钒钠化合物正极材料；最后，对合成的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料水洗。整个制备流程耗时短、工序简单、易放大，且该方法制备得到的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料纯度高，粒径小，碳包覆层均匀，电化学性能优异。

Description

一种(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法
技术领域
本发明涉及二次电池正极活性材料合成技术领域，特别涉及一种钠离子电池(氟)磷酸钒钠化合物正极材料制备及纯化的方法。
背景技术
21世纪以来，我国经济飞速发展，相比于西方发达国家，我国的经济发展具有较强的“能源依赖”和“能源消耗”特征，这不仅造成了我国煤、石油等不可再生资源的快速消耗，更带来了严重的环境问题。因此，太阳能、风能等清洁能源得到大力的发展。为解决太阳能和风能存在的随机性和间歇性强等缺点，开发效率高、成本低的储能器件是当前研究热点。钠离子电池相对于锂离子电池，因其突出的成本优势，有望应用于大规模储能电站。
正极材料一直是提升钠离子电池能量密度的关键。磷酸钒钠Na3V2(PO4)3具有较高的离子扩散系数、充放电容量和工作电压，是钠离子电池理想的正极材料之一；在Na3V2(PO4)3中引入氟离子得到的氟磷酸钒钠化合物—NaVPO4F、Na3V2(PO4)2F3，由于氟离子的诱导效应，进一步提高了材料的充放电比容量和工作电压，进而提高了电池的能量密度。合成这些(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的核心是将高价态钒源(+5价)还原成低价态钒(+3价)，即VPO4的合成。目前，无机碳源搭配固相烧结的制备方法简单，易于放大生产，但是会引入杂相，并且不容易形成均匀的碳包覆，导致材料的倍率性能较差；而有机碳源搭配水热法虽然有利于纯相的获得和碳包覆的形成，但是制备方法复杂，且可溶性五价钒源成本较高。
中国专利CN101627493A提供了一种VPO4或VPO4/C前驱体的制备方法，并通过此前驱体制备基于钒的电活性材料。该制备方法将五价钒源、磷源和无机碳源混合后煅烧得到VPO4/C前驱体，此前驱体是微米级磷酸钒和微米级碳的团聚体，碳源和材料复合较差，并且杂相较多，因此利用此前体合成的正极材料电化学性能较差。中国专利CN108349738A提供了一种使用氢气还原五价钒源的方法，在氩气中混入5％的氢气作为还原性气氛，在较低温度下还原得到VPO4前体。此合成方法中，氢气和磷酸二氢铵(磷源)反应释放一氧化二氮，加速反应器壁的老化，不利于工业生产。中国专利CN103864045A提供了以水热法生产VPO4或VPO4/C的制备方法，并应用于二次电池的负极。然而，这种制备方法生产周期长，过程较难控制，需要较高的压力和高压釜的参与，增加了生产成本。
因此，亟需开发一种低成本、制备方法简单、易放大、相纯度高、碳包覆均匀的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的合成方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，利用固相法结合有机碳源制备前驱体VPO4/C和(氟)磷酸钒钠化合物，并通过洗涤实现材料的纯化。以解决现有氟磷酸钒钠合成工艺复杂、效率低以及现有的氟磷酸钒钠碳包覆不均匀，纯度低的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，包括以下步骤：
S1：将钒源、磷源、有机碳源按钒、磷、碳元素摩尔比为1:1:1～1:1:10置于球磨罐中，并加入分散剂进行湿相球磨，将球磨得到的膏状物高温干燥至恒重后粉碎，然后在非氧化性气氛下烧结得到VPO4/C前驱体；
S2：将S1得到的VPO4/C与钠源、磷源或氟源球磨均匀后在非氧化性气氛下烧结得磷酸钒钠或氟磷酸钒钠化合物正极材料；
S3：将S2得到的磷酸钒钠或氟磷酸钒钠化合物作为溶质，加入溶剂，溶质与溶剂的质量比为1:2～1:20，搅拌得悬浊液；将悬浊液真空抽滤得到滤饼，滤饼干燥后粉碎得到产品。
优选地，所述S1中，钒源包括五氧化二钒、偏钒酸铵中的一种或几种，磷源包括磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵中的一种或几种。
优选地，所述S1中，有机碳源包括乙二酸、己二酸、丙二酸、草酸、甲醛、正丁酸、抗败血酸、维生素C、柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、淀粉和纤维素中的一种或几种，所述有机碳源用量为钒源质量的1～5倍。
优选地，所述S1中，分散剂包括水，酒精，乙二醇中的一种或几种。
优选地，所述S1中，干燥温度为80℃～100℃，干燥时间为4h～8h。
优选地，所述S1中，烧结温度为700℃～900℃，烧结时间为3h-6h。
优选地，所述S2中，钠源包括氢氧化钠、氟化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、乙酸钠、草酸钠、偏钒酸钠、正钒酸钠或磷酸二氢钠中的一种或几种；
磷源包括磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵中的一种或几种；
氟源包括氟化铵、氟化钠、聚四氟乙烯中的一种或几种；
优选地，所述S2中，所述磷酸钒钠化合物包括Na3V2(PO4)3，所述氟磷酸钒钠包括NaVPO4F、Na3V2(PO4)2F3。
优选地，所述S2中，合成Na3V2(PO4)3时，VPO4/C、钠源、磷源按钒，钠，磷元素摩尔比2:3:1配比，烧结温度优选为600℃～750℃，烧结时间优选为2～4h；
合成NaVPO4F时，VPO4/C、钠源、氟源按钒，钠，氟元素摩尔比1:1:1配比，烧结温度优选为700℃～850℃，烧结时间优选为1～4h；
合成Na3V2(PO4)2F3时VPO4/C、钠源、氟源按钒，钠，氟元素摩尔比2:3:3配比，烧结温度优选为750℃～850℃，烧结时间优选为1～3h。
优选地，所述S3中，溶剂为去离子水，乙醇，乙二醇中的一种或几种。
优选地，所述S3中，搅拌速度为300r/min～500r/min，搅拌时间为3h～6h。
优选地，所述S3中，干燥方式包括冷冻干燥和烘箱高温干燥中的一种。
优选地，所述球磨转速范围为200r/min～400r/min，球磨时间为6h～12h。
优选地，所述非氧化性气氛包括氮气、氩气和氢氩混合气。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
1.本发明通过前驱体VPO4/C的合成，提供了一类(氟)磷酸钒钠化合物的制备方法，本方法材料生产周期短，效率高，促进了不同情景下钠离子电池的应用；
2.本发明采用价格低廉的五价钒源和有机碳源，通过低温快速碳热还原法制备得到结晶性良好的VPO4中间体，并实现与碳的原位复合，该制备方法相对于无机碳源和还原性气氛条件下VPO4前驱体的合成具有碳包覆均匀，生产成本低，安全性能高等优点；
3.本发明利用前驱体VPO4/C合成钒基正极电活性材料，有机碳源均匀的包覆在活性材料表面，提高了材料的倍率性能；
4.本发明中引入的洗涤步骤可去除材料中的杂质，提高材料的纯度，解决了固相法合成过程中易产生杂相的问题；
5.本发明包括前驱体合成、正极活性材料合成和洗涤纯化步骤，整个制备流程符合当下钠离子电池正极材料的流水线工艺，适合大规模生产；
6.该工艺下合成的Na3V2(PO4)2F3材料具有良好的电化学性能，作为正极材料组装扣式电池，在1C电流倍率下，其放电容量高达125mAh/g，接近理论比容量128mAh/g，并且具有良好的倍率性能和循环稳定性。
附图说明
图1为本发明(氟)磷酸钒化合物合成流程图。
图2为本发明实施例中所得VPO4/C的XRD图谱。
图3为本发明实施例中所得VPO4/C的SEM图谱。
图4为本发明实施例中所得的Na3V2(PO4)2F3水洗前后的XRD图谱。
图5为本发明实施例中所得的Na3V2(PO4)2F3的SEM图谱。
图6为本发明实施例中所得的Na3V2(PO4)2F3水洗前后0.1C循环性能对比。
图7为本发明实施例中所得的Na3V2(PO4)2F3水洗前后1C循环性能对比。
图8为本发明实施例中所得的Na3V2(PO4)2F3水洗前后倍率性能对比。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
磷酸钒前驱体的制备；
将五氧化二钒、磷酸二氢铵、葡萄糖按摩尔比3:6:1称量好放入球磨罐中，加入乙醇，球磨罐中固液比为1:3，球磨机转速为300r/min，球磨时间为12h，球磨后放入鼓风干燥箱中除去乙醇，干燥成粉末状；在氩气气氛下，以5℃/min的升温速率升温至800℃并保持恒温5h，随后随炉膛冷却至室温，得到磷酸钒前驱体；
磷酸钒前驱体的XRD图谱和SEM图谱如图2和图3所示；磷酸钒为纯相，且颗粒细小疏松，有利于进一步合成活性材料；
正极活性材料—三氟磷酸钒钠的制备；
将磷酸钒与氟化钠按摩尔比2:3称量好放入球磨罐中，球磨成粉末状；在氩气气氛下，以5℃/min的升温速率升温至800℃并保持恒温1h，冷却至室温，得到Na3V2(PO4)2F3；
Na3V2(PO4)2F3材料的XRD图谱和SEM图谱参见图4和图5。如图4所示，材料存在一定的杂相Na3VF6；如图5所示，Na3V2(PO4)2F3材料颗粒周围存在交联的无定形碳网络，提升了材料的导电性，弥补了三氟磷酸钒钠正极材料电子电导率低的缺点；
正极活性材料—三氟磷酸钒钠的水洗纯化；
将Na3V2(PO4)2F3放入烧杯中，加入一定量的蒸馏水，控制液固比为15:1，磁力搅拌，搅拌速度为300r/min，搅拌时间为9h，对搅拌液进行抽滤得到滤饼，将滤饼置于鼓风干燥箱中在80℃高温下干燥6h，得到水洗后Na3V2(PO4)2F3材料，即纯相Na3V2(PO4)2F3产品；
将水洗后Na3V2(PO4)2F3作为正极材料，以活性材料：导电炭：PVDF＝7:2:1的比例制作正极，金属钠作为负极，1M NaClO4(Propylene carbonate(PC)+5wt.％Fluoroethylenecarbonate(FEC))作为电解液，组装成2032纽扣式半电池，测试材料的电化学性能；
水洗后Na3V2(PO4)2F3材料的XRD图谱和电化学性能如图4和图6～8所示；如图4所示，水洗过程去除了材料中的Na3VF6杂相，可见水洗过程起到了纯化的目的；水洗后Na3V2(PO4)2F3/Na半电池在0.5C、1C、5C、10C倍率下的放电容量分别为125.1mAh/g、120.4mAh/g、115.9mAh/g、110mAh/g。
对比例1
与实施例不同之处在于：对比例1的正极活性材料—三氟磷酸钒钠未经水洗纯化。
将所制备的Na3V2(PO4)2F3作为正极材料，以活性材料：导电炭：PVDF＝7:2:1的比例制作正极，金属钠作为负极，1M NaClO4(Propylene carbonate(PC)+5wt.％Fluoroethylene carbonate(FEC))作为电解液，组装成2032纽扣式半电池，测试材料的电化学性能；
未经水洗的Na3V2(PO4)2F3材料电化学性能如图6～8所示；Na3V2(PO4)2F3/Na半电池在0.5C、1C、5C、10C倍率下的放电容量分别为112.3mAh/g、110.6mAh/g、100.9mAh/g、80.1mAh/g。实施例1和对比例1的电化学性能对比结果见表1.
表1实施例1和对比例1的正极材料的电化学性能
Figure BDA0002803980220000061
由图6～8和表1可知，通过本发明的水洗纯化法可有效去正极材料中的杂质，提高材料的纯度，从而提高了正极材料的倍率性能和循环稳定性，使三氟磷酸钒钠具有良好的电化学性能。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将钒源、磷源、有机碳源加入分散剂中进行湿相球磨，将球磨得到的膏状物高温干燥至恒重后粉碎，然后在非氧化性气氛下烧结得到VPO4/C前驱体；
其中，钒源、磷源、有机碳源中钒:磷:碳的摩尔比为1:1:1～1:1:10；
S2：将S1得到的VPO4/C与钠源、磷源或氟源球磨均匀后在非氧化性气氛下烧结得磷酸钒钠或氟磷酸钒钠化合物正极材料；
S3：将S2得到的磷酸钒钠或氟磷酸钒钠化合物作为溶质，加入溶剂，搅拌得悬浊液；将悬浊液真空抽滤得到滤饼，滤饼干燥后粉碎得到产品。
2.根据权利要求1所述的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，其特征在于，所述S1中，钒源包括五氧化二钒、偏钒酸铵中的一种或几种；磷源包括磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵中的一种或几种；有机碳源包括乙二酸、己二酸、丙二酸、草酸、甲醛、正丁酸、抗败血酸、柠檬酸、维生素C、葡萄糖、蔗糖、淀粉和纤维素中的一种或几种；分散剂包括水，酒精，乙二醇中的一种或几种；
其中，有机碳源用量为钒源质量的1～5倍。
3.根据权利要求1所述的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，其特征在于，所述S1中，干燥温度为80℃～100℃，干燥时间为4h～8h。
4.根据权利要求1所述的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，其特征在于，所述S1中，烧结温度为700℃～900℃，烧结时间为3h-6h。
5.根据权利要求1所述的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，其特征在于，所述S2中，钠源包括氢氧化钠、氟化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、乙酸钠、草酸钠、偏钒酸钠、正钒酸钠或磷酸二氢钠中的一种或几种；磷源包括磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵中的一种或几种；
其中，VPO4/C、钠源、磷源中钒:钠:磷的摩尔比为2:3:1，磷酸钒钠的烧结温度为600℃～750℃，烧结时间优选为2～4h。
6.根据权利要求1所述的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，其特征在于，所述S2中，钠源包括氢氧化钠、氟化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、乙酸钠、草酸钠、偏钒酸钠、正钒酸钠或磷酸二氢钠中的一种或几种；氟源包括氟化铵、氟化钠、聚四氟乙烯中的一种或几种；氟磷酸钒钠包括NaVPO4F和Na3V2(PO4)2F3，制备NaVPO4F时，VPO4/C、钠源、氟源中钒:钠:氟的摩尔比为1:1:1，烧结温度为700℃～850℃，烧结时间为1～4h；制备Na3V2(PO4)2F3时，VPO4/C、钠源、氟源中钒:钠:氟的摩尔比为2:3:3，烧结温度为750℃～850℃，烧结时间为1～3h。
7.根据权利要求1所述的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，其特征在于，所述S3中，溶剂为去离子水，乙醇，乙二醇中的一种或几种，溶质与溶剂的质量比为1:2～1:20。
8.根据权利要求1所述的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，其特征在于，所述S3中，搅拌速度为300r/min～500r/min，搅拌时间为3h～6h；所述干燥方式包括冷冻干燥或高温干燥。
9.根据权利要求1所述的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，其特征在于，所述球磨转速范围为200r/min～400r/min，球磨时间为6h～12h。
10.根据权利要求1所述的(氟)磷酸钒钠化合物正极材料的制备与纯化方法，其特征在于，所述非氧化性气氛包括氮气、氩气和氢氩混合气。
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