CN107658438A - 制备氟磷酸亚铁钠多孔海绵状结构材料及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备氟磷酸亚铁钠多孔海绵状结构材料及方法；在溶胶‑凝胶过程上，采用草酸作为络合剂和还原剂，采用有机碳源，在溶胶‑凝胶及热处理的过程中得到Na2FePO4F多孔海绵状材料；一次颗粒尺寸为10‑40nm，多孔材料颗粒直径在微米级，为2‑4um，孔直径为400‑500nm。将其作为钠离子电池正极材料，在0.5C(1C＝124mA·g‑1)的电流密度下测试性能，首次放电比容量可达97.0mAh·g‑1，循环500次之后其比容量仍可达73.4mAh·g‑1。本发明的钠离子电池具有电池容量高，充放电循环性能好等特点。设备简单，工艺简便，原料易得且环境友好，易于推广并大规模生产。

Description

制备氟磷酸亚铁钠多孔海绵状结构材料及方法
技术领域
本发明属于无机纳米材料应用领域。涉及一种制备氟磷酸亚铁钠多孔海绵状结构材料及方法。
背景技术
随着锂离子电池在全球范围内成功应用，人们对于大规模储能系统和环保车辆的需求日益增加，锂资源的消耗颇为显著。然而锂在地壳中的储量有限，并且分布不均，锂资源短缺是制约其发展的重要因素。钠与锂属同一主族，具有相似的物理化学性质，且钠资源丰富，约占地壳储量2.64％，分布均匀、价格低廉，因此对钠离子电池的研究逐步重视。
以锂离子电池成熟的体系入手，对钠离子电池正极材料的研究从开始的层状氧化物正极材料，到隧道结构氧化物材料。最终方向转为橄榄石结构的聚阴离子正极材料的研究。这些聚阴离子多面体中由于氧原子的强共价键，具有较高的热稳定性，且其具有多维离子迁移通道，离子嵌入/脱嵌稳定性较好，是钠离子电池正极材料的合适之选。
氟磷酸体系过渡金属材料具有一种不同于磷酸体系的晶格结构，提供离子传导的二维通道，利于放电稳定性和容量的提升。Na2FePO4F具有较高的理论容量(124mAh·g-1)和平稳的充放电平台(3.0V)，且结构稳定。是一种极具发展前景的钠离子电池正极材料。唐敏等(专利号CN200610096874.7)采用高温固相法合成了纯相的Na2FePO4F电极材料。刘素琴等(专利号CN201110236465.3)采用机械混合法合成碳包覆Na2FePO4F电极材料。然而由于Na2FePO4F的导电性较差，导致其倍率和循环性能较差，尤其是在高倍率的充放电电流下。因此，采用有效的手段提升电极材料的充/放电效率和循环寿命是Na2FePO4F正极材料作为钠离子电池材料能够在大规模储能领域迅速商业化应用的关键。
为了克服Na2FePO4F电极材料存在的这些固有缺陷，改性方案包括减小颗粒尺寸至纳米颗粒，异质离子掺杂，电化学活性物质包覆及形貌控制等。形貌控制是提高比容量，倍率性能及循环寿命的一种重要的技术。蔡舒等(专利号CN201610594780.6)采用溶剂热法合成了纳米棒状Na2FePO4F电极材料。多孔海绵状结构能够提供更有效的离子扩散通道及电子扩散路径，改善电极材料和电解质的接触面积，同时可以有效的缓解体积膨胀而造成的材料粉化。因而，制备多孔海绵状Na2FePO4F电极材料，是制备高效Na2FePO4F钠电正极材料的有效措施之一。
在电极材料形貌控制的合成方法中，传统方案如模板法，化学气相沉积，自组装及溶剂热法合成过程均相对复杂，成本较高，不利于大规模商业化应用。利用一种过程简单且成本低廉的溶胶-凝胶法合成的多孔海绵状Na2FePO4F电极材料，能有效地提高材料内部钠离子及电子的扩散和传输速率，改善充放电过程中的动力学特征，具有良好的倍率性能和较长的循环寿命。
发明内容
本发明的目的是利用草酸同时作为络合剂和还原剂，在溶胶-凝胶的过程中，使金属离子得到均匀的分散，同时形成的凝胶网络有效阻止了离子的团聚。在热处理过程中，草酸络合物分解释放大量气体，形成均匀的多孔海绵状结构。本发明提供了一种制备Na2FePO4F纳米颗粒组装成的多孔海绵状材料的方法。本发明的钠离子电池具有电池容量高，充放电循环性能好等特点。
本发明制备的Na2FePO4F多孔海绵状材料中一次颗粒尺寸为10-40nm，多孔材料颗粒直径在微米级，为2-4um，孔直径为400-500nm。
本发明的Na2FePO4F多孔海绵状结构材料可用作钠离子电池正极材料。
本发明提供了一种制备氟磷酸亚铁钠多孔海绵状结构材料及方法，该方法是在溶胶-凝胶过程的基础上，采用草酸作为络合剂和还原剂，采用有机碳源，在溶胶-凝胶及热处理的过程中得到Na2FePO4F多孔结构。将其作为钠离子电池正极材料，由于其特殊的多孔结构，可以缩短钠离子在电极材料和电解液间的扩散距离，有利于改善钠离子电池的循环性能，在0.5C(1C＝124mA·g-1)的电流密度下测试其性能，首次放电比容量可达97.0mAh·g-1，循环500次之后其比容量仍可达73.4mAh·g-1。
本发明的技术如下：
一种制备氟磷酸亚铁钠多孔海绵状结构材料的方法；步骤如下：
(1)以钠的化合物、氟的化合物、铁的化合物和磷的化合物为原料，按照Na、Fe、F、P四种元素的摩尔比为2-4:1:1:1称取反应原料；添加剂草酸为络合剂及还原剂，其中草酸与理论合成氟磷酸亚铁钠摩尔比为1:2-1:8；称取有机碳源，其中有机碳源与氟磷酸亚铁钠摩尔比为1:0.5-1:4；将铁盐溶于含有草酸的去离子水中，经磁力搅拌获得混合均匀的溶液A；将钠的化合物、氟的化合物、磷的化合物、有机碳源溶于去离子水，搅拌至充分溶解，获得溶液B；
(2)将步骤(1)获得的溶液A和溶液B两种溶液混合并搅拌均匀，其中溶液A和溶液B体积比为1:1-3:1；混合均匀形成透明溶胶，之后转移到水浴搅拌锅中反应，热搅拌至形成湿凝胶；
(3)将步骤(2)中获得的湿凝胶转移至电热鼓风干燥箱中40-80℃干燥8-38h，粉碎并研磨得到前驱体干凝胶；
(4)干凝胶粉碎，研磨，然后转移至管式气氛炉中两次烧结。预烧温度300-350℃，烧结时间3-8h；烧成温度600-650℃，烧结时间3-12h；得到纳米颗粒组装的多孔海绵状结构的氟磷酸亚铁钠。
所述的步骤2)优选在40℃-80℃温度下，在水浴搅拌锅中加热反应2-8h。
所述的钠的化合物优选是NaOH、NaF或CH3COONa。
所述的氟的化合物优选是NH4F或NaF。
所述的亚铁盐优选是Fe(NO3)3·4H2O或FeC6H5O7。
所述的磷的化合物优选是H3PO4、NH4H2PO4或(NH4)2HPO4。
所述的洗涤剂优选选用去离子水、乙醇或丙酮。
所述的有机碳源优选是葡萄糖、蔗糖或抗坏血酸。
本发明提供了一种制备特殊结构的Na2FePO4F多孔材料的溶胶-凝胶的合成方法。相对其他制备方法，在溶胶-凝胶过程的基础上，采用草酸作为络合剂和还原剂，采用有机碳源作为碳包覆材料，在溶胶-凝胶过程中得到Na2FePO4F多孔结构材料。设备简单，工艺简便。
按照现有技术中常用技术手段装配钠离子电池；具体如下：按质量比多孔氟磷酸亚铁钠活性材料：乙炔黑：聚偏氟乙烯(PVDF)为70％：20％：10％，以乙醇为溶剂，将多孔氟磷酸亚铁钠，乙炔黑和PVDF混合，搅拌制成均匀浆料，用锟压机轧膜，烘干得到正极片。在充满氩气的手套箱里，以金属钠片为负极，采用含1mol/L NaPF6/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)(1：1)有机溶液为电解液，装配成CR2032型扣式电池。在恒电流充放电测试系统上进行所述电池的性能测试，电压量程设为2V-4V，充放电电流设为0.1C-2C，将所得的电池进行恒电流充放电测试。测试结果表明，根据本发明的钠离子电池充放电比容量大，且循环性能良好。
本发明的效果是：可制备Na2FePO4F多孔海绵状电极材料，一次颗粒尺寸为10-40nm，尺寸均一。多孔颗粒直径在微米级，为2-4um，孔直径为400-500nm，将其用作钠离子电池正极材料，可以有效缩短钠离子在电极材料及电解液间的扩散距离，促进电解液的充分浸润，有利于改善钠离子电池的循环性能。另外，本发明方法操作简单，节能环保，原料易得且环境友好，而且纳米氟磷酸亚铁钠形貌可控，易于推广并大规模生产。根据本发明的钠离子电池及其制备方法在高性能的钠离子电池开发领域具有重要意义。
附图说明
图1为实施例1合成的Na2FePO4F的X射线衍射图谱。
图2为实施例1合成的Na2FePO4F的扫描电镜图。
图3为实施例1合成的Na2FePO4F在0.5C下的循环曲线。
具体实施方式
实施例1：
(1)以四水合硝酸铁、氟化钠、氢氧化钠、磷酸二氢铵为原料，按摩尔比称取相应物质。其中氟化钠同时作为氟源和部分钠源。使Na:Fe:P:F摩尔比为2:1:1:1，称取20.2g四水合硝酸铁加入300ml去离子水溶于烧杯中,加入12.6g络合剂草酸搅拌均匀，获得溶液A；然后在另一烧杯中加入200ml去离子水，分别称取1g氢氧化钠，1.05g氟化钠，5.75g磷酸二氢铵和9.9g葡萄糖加入烧杯中，搅拌至完全溶解，获得溶液B；
(2)将步骤(1)获得的溶液A和溶液B两种溶液按体积比1.5:1混合并搅拌均匀，获得透明溶胶，常温搅拌2h使络合反应充分进行；将溶胶转移到水浴搅拌锅中，在80℃温度下水浴搅拌2h；
(3)将步骤(2)中获得的湿凝胶转移至电热鼓风干燥箱中40℃干燥36h，粉碎并研磨得到前驱体干凝胶；
(4)将步骤(3)中获得的前驱体干凝胶在Ar气气氛中煅烧，预烧温度为350℃，保温时间4h，烧成温度为650℃，保温6h，两次煅烧升温速率均为5℃/min。
所制备的Na2FePO4F多孔材料的XRD图如图1所示，扫描电镜如图2所示，说明所制备的粉体具有多孔海绵状结构，且由纳米颗粒组装而成，一次颗粒尺寸为10-40nm，尺寸均一。多孔材料直径在微米级，为2-4um，孔直径为400-500nm。
按质量比纳米氟磷酸亚铁钠多孔材料：乙炔黑：PVDF为70％：20％：10％，以乙醇为溶剂，将纳米氟磷酸亚铁钠多孔材料，乙炔黑和PVDF混合，搅拌制成均匀浆料，轧膜机压制为薄膜，烘干得到正极片。在充满氩气的手套箱里，以金属钠片为负极，采用含1mol/LNaPF6/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)(1：1)有机溶液为电解液，装配成CR2032型扣式电池。将所得的电池进行恒电流充放电测试，当充电电流密度为0.5C的情况下，得到的钠离子电池的放电比容量为97.0mAh·g-1，如图3所示，循环500次之后其比容量仍可达73.4mAh.g-1。
实施例2
(1)以柠檬酸铁、氟化钠、氢氧化钠、磷酸二氢铵为原料，按摩尔比称取相应物质，其中氟化钠同时作为氟源和部分钠源。使Na:Fe:P:F摩尔比为2.5:1:1:1，称取24.5g柠檬酸铁加入250ml去离子水溶于烧杯中。加入25.2g络合剂草酸搅拌均匀，获得溶液A；然后在另一烧杯中加入250ml去离子水，分别称取2.6g氟化钠，2g氢氧化钠，11.5g磷酸二氢铵和34.2g蔗糖加入烧杯中，搅拌至完全溶解，获得溶液B。
(2)将步骤(1)获得的溶液A和溶液B两种溶液按体积比1:1混合并搅拌均匀，获得透明溶胶，常温搅拌3h使络合反应充分进行。将溶胶转移到水浴搅拌锅中，在80℃温度下水浴搅拌4h。
(3)将步骤(2)中获得的湿凝胶转移至电热鼓风干燥箱中70℃干燥24h，粉碎并研磨得到前驱体干凝胶。
(4)将步骤(3)中获得的前驱体干凝胶在Ar气气氛中煅烧，预烧温度为350℃，保温时间6h，烧成温度为600℃，保温4h，两次煅烧升温速率均为5℃/min。
所制备的产品具有多孔结构，且由纳米短棒组装而成，纳米棒直径约为40nm，纳米棒的长度约为100nm，尺寸均一，多孔结构直径约为4um。
钠离子电池制备过程与实施例1完全相同，得到的钠离子电池在充电电流密度为0.1C时，放电比容量约为101.1mAh·g-1，而且循环性能良好。
实施例3
(1)以四水合硝酸铁、氟化铵、草酸钠、磷酸氢二铵为原料，按物质的摩尔比称取相应物质,使Na:Fe:P:F摩尔比为4:1:1:1，称取60.62g四水合硝酸铁加入600ml去离子水溶于烧杯中，加入56.72g络合剂草酸搅拌均匀，获得溶液A；然后在另一烧杯中加入200ml去离子水，分别称取40.15g草酸钠，5.5g氟化铵，19.8g磷酸氢二铵和26.4g抗坏血酸加入烧杯中，搅拌至完全溶解，获得溶液B。
(2)将步骤(1)获得的溶液A和溶液B两种溶液按体积比3:1混合并搅拌均匀，获得透明溶胶，常温搅拌6h使络合反应充分进行。将溶胶转移到水浴搅拌锅中，在70℃温度下水浴搅拌6h。
(3)将步骤(2)中获得的湿凝胶转移至电热鼓风干燥箱中80℃干燥8h，粉碎并研磨得到前驱体干凝胶。
(4)将步骤(3)中获得的前驱体干凝胶在Ar气气氛中煅烧，预烧温度为350℃，保温时间4h，烧成温度为650℃，保温8h，两次煅烧升温速率均为5℃/min。
所制备的产品具有多孔海绵状结构，且由纳米颗粒组装而成，一次颗粒尺寸为40nm，尺寸均一。多孔块体材料直径在微米级，为5um，孔直径为500nm。
钠离子电池制备过程与实施例1完全相同，得到的钠离子电池在充电电流密度为0.1C时，放电比容量约为98.6mAh·g-1，而且循环性能良好。
实施例4
(1)以柠檬酸铁、氟化钠、草酸钠、磷酸为原料，按物质的摩尔比称取相应物质，其中氟化钠同时作为氟源和部分钠源。使Na:Fe:P:F摩尔比为3:1:1:1。称取12.25g柠檬酸铁加入500ml去离子水溶于烧杯中，加入25.2g络合剂草酸搅拌均匀，获得溶液A；然后在另一烧杯中加入250ml去离子水，分别称取1.05g氟化钠，13.4g草酸钠，9.9g葡萄糖和4.9g磷酸加入烧杯中，搅拌至完全溶解，获得溶液B。
(2)将步骤(1)获得的溶液A和溶液B两种溶液按体积比2:1混合并搅拌均匀，获得透明溶胶，常温搅拌2h使络合反应充分进行。将溶胶转移到水浴搅拌锅中，在60℃温度下水浴搅拌6h。
(3)将步骤(2)中获得的湿凝胶转移至电热鼓风干燥箱中40℃干燥48h，粉碎并研磨得到前驱体干凝胶。
(4)将步骤(3)中获得的前驱体干凝胶在Ar气气氛中煅烧，预烧温度为350℃，保温时间8h，烧成温度为650℃，保温12h，两次煅烧升温速率均为5℃/min。
所制备的产品具有多孔结构，且由纳米棒组装而成，纳米棒直径约为40nm，纳米棒的长度约为150nm，尺寸均一，多孔结构直径约为4um，孔直径为300-400nm。
钠离子电池制备过程与实施例1完全相同，得到的钠离子电池在充电电流密度为0.1C时，放电比容量约为108.5mAh·g-1，而且循环性能良好。

Claims (9)

1.一种制备氟磷酸亚铁钠多孔海绵状结构材料的方法；其特征步骤如下：
(1)以钠的化合物、氟的化合物、铁的化合物和磷的化合物为原料，按照Na、Fe、F、P四种元素的摩尔比为2-4:1:1:1称取反应原料；添加剂草酸为络合剂及还原剂，其中草酸与理论合成氟磷酸亚铁钠摩尔比为1:2-1:8；称取有机碳源，其中有机碳源与氟磷酸亚铁钠摩尔比为1:0.5-1:4；将铁盐溶于含有草酸的去离子水中，经磁力搅拌获得混合均匀的溶液A；将钠的化合物、氟的化合物、磷的化合物、有机碳源溶于去离子水，搅拌至充分溶解，获得溶液B；
(2)将步骤(1)获得的溶液A和溶液B两种溶液混合并搅拌均匀，其中溶液A和溶液B体积比为1:1-3:1；混合均匀形成透明溶胶，之后转移到水浴搅拌锅中反应，热搅拌至形成湿凝胶；
(3)将步骤(2)中获得的湿凝胶转移至电热鼓风干燥箱中40-80℃干燥8-38h，粉碎并研磨得到前驱体干凝胶；
(4)干凝胶粉碎，研磨，然后转移至管式气氛炉中，预烧温度300-350℃，烧结时间3-8h；烧成温度600-650℃，烧结时间3-12h；得到纳米颗粒组装的多孔海绵状结构的氟磷酸亚铁钠。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的步骤2)在40℃-80℃温度下，在水浴搅拌锅中加热反应2-8h。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的钠的化合物是NaOH、NaF或CH3COONa。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的氟的化合物是NH4F或NaF。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的亚铁盐是Fe(NO3)3·4H2O或FeC6H5O7。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的磷的化合物是H3PO4、NH4H2PO4或(NH4)2HPO4。
7.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的洗涤剂选用去离子水、乙醇或丙酮。
8.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的有机碳源是葡萄糖、蔗糖或抗坏血酸。
9.权利要求1的方法制备的氟磷酸亚铁钠多孔海绵状结构材料，其特征是一次颗粒尺寸为10-40nm；多孔材料直径在微米级，为2-4um，孔直径为400-500nm。
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