本發(fā)明涉及鈉離子電池，具體涉及一種硫酸鐵鈉正極材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、硫酸鐵鈉正極材料因其具有高比容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性、耐高溫性能以及較低的自燃性和爆炸性等優(yōu)點(diǎn)，在鈉離子電池領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。該材料通常具有高工作電壓(3.0-3.8v)，并且在資源上較為豐富，成本相對(duì)低廉，因此在儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有潛在的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。然而，盡管硫酸鐵鈉的理論能量密度較高，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于其較大的帶隙，本征導(dǎo)電率低，載流子(鈉離子和電子)的快速轉(zhuǎn)移和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)受到了限制，導(dǎo)致電池的放電比容量和倍率性能較差。另外，硫酸鐵鈉材料中鈉與氧的鍵合力較強(qiáng)，鈉離子不易掙脫，進(jìn)而導(dǎo)致鈉離子的嵌入脫出不可逆，增加鈉離子的遷移阻力，導(dǎo)致較大的內(nèi)部阻抗，降低倍率性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有磷酸鐵鈉正極材料的放電比容量和倍率性能不佳的缺陷，從而提供解決上述問(wèn)題的一種硫酸鐵鈉正極材料及其制備方法和應(yīng)用。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種硫酸鐵鈉正極材料的制備方法，包括：

4、獲取碳泡沫基底；

5、按照硫酸鐵鈉正極材料的化學(xué)計(jì)量比稱取原料并加入到溶劑中得到混合液；

6、將混合液采用靜電噴霧沉積法沉積至碳泡沫基底上獲取前驅(qū)體薄膜；

7、對(duì)前驅(qū)體薄膜進(jìn)行燒結(jié)處理得到硫酸鐵鈉正極材料。

8、優(yōu)選地，所述硫酸鐵鈉正極材料的化學(xué)式為naxfeymz(so4)3，2.0≤x＜3.0，1.5＜y≤2，0≤z≤0.4，x+2y+2z＝6，m為過(guò)渡金屬元素；其中，優(yōu)選0.05＜z≤0.4。

9、優(yōu)選地，所述硫酸鐵鈉正極材料的原料包括鐵源、鈉源和金屬元素添加劑；

10、和/或，所述混合液中還加入抗氧化劑、抗氧化劑的增效劑。

11、優(yōu)選地，所述鐵源為七水合硫酸亞鐵；

12、和/或，所述鈉源為無(wú)水硫酸鈉；

13、和/或，所述金屬元素添加劑為ca2+、mg2+、al3+、cu2+、zn2+、la3+、ti4+、w6+中的至少一種且為硫酸鹽。

14、優(yōu)選地，所述混合液的獲取過(guò)程包括：將原料加入到氮?dú)怙柡偷乃谐浞秩芙?，再與由抗氧化劑、抗氧化劑的增效劑、有機(jī)溶劑組成的混合試劑混勻得到混合液。

15、優(yōu)選地，所述水為超純水；

16、和/或，所述抗氧化劑為乙酸鈉；

17、和/或，所述抗氧化劑的增效劑為磷酸；

18、和/或，所述有機(jī)溶劑為丙二醇；

19、和/或，所述原料的質(zhì)量為水質(zhì)量的10-20％；

20、和/或，所述水的質(zhì)量為有機(jī)溶劑質(zhì)量的7-15％；

21、何/或，所述抗氧化劑的質(zhì)量為原料質(zhì)量的0.2-3％；

22、和/或，所述抗氧化劑的增效劑的質(zhì)量為原料質(zhì)量的1.5-6％。

23、優(yōu)選地，所述燒結(jié)處理的溫度為750℃；

24、和/或，所述燒結(jié)處理的時(shí)間為8h；

25、和/或，所述燒結(jié)處理的氣氛為惰性氣氛；

26、和/或，所述燒結(jié)處理后還進(jìn)行粉碎、過(guò)篩和除磁處理。

27、優(yōu)選地，所述碳泡沫基底的獲取過(guò)程包括：將三聚氰胺海綿在惰性氣氛下進(jìn)行熱處理即得；優(yōu)選的，熱處理的溫度為750-820℃，熱處理的時(shí)間為2-4h。

28、本發(fā)明還提供一種硫酸鐵鈉正極材料，其由上述的硫酸鐵鈉正極材料的制備方法制備得到。

29、本發(fā)明還提供上述的硫酸鐵鈉正極材料在鈉離子電池中的應(yīng)用。

30、在本發(fā)明中，過(guò)渡金屬元素即為金屬元素添加劑。

31、本發(fā)明技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

32、1.一種硫酸鐵鈉正極材料的制備方法，包括：獲取碳泡沫基底；按照硫酸鐵鈉正極材料的化學(xué)計(jì)量比稱取原料并加入到溶劑中得到混合液；將混合液采用靜電噴霧沉積法沉積至碳泡沫基底上獲取前驅(qū)體薄膜；對(duì)前驅(qū)體薄膜進(jìn)行燒結(jié)處理得到硫酸鐵鈉正極材料。本發(fā)明采用碳泡沫作為基底材料，同時(shí)進(jìn)行靜電噴霧沉積制備硫酸鐵鈉前驅(qū)體，隨后經(jīng)燒結(jié)處理獲取硫酸鐵鈉材料。泡沫碳的多孔結(jié)構(gòu)為硫酸鐵鈉提供了更大的空間來(lái)容納活性物質(zhì)，這有助于提高正極材料的整體能量密度。同時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)也為鈉離子的快速傳輸提供了便利的通道，從而提高了電池的倍率性能。靜電噴霧沉積法是一種化學(xué)沉積方法，它利用高壓直流靜電場(chǎng)使帶電氣溶膠在噴霧過(guò)程中受到庫(kù)侖排斥力和靜電引力的雙重作用而分散，并在高溫的金屬基片上生長(zhǎng)成膜。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和均勻性的材料沉積，從而提高材料的電化學(xué)性能。而且用靜電噴霧沉積法制備的硫酸鐵鈉材料具有一定程度的無(wú)序結(jié)構(gòu)，這種無(wú)序結(jié)構(gòu)可以削弱鈉與氧的鍵合力，激活了儲(chǔ)鈉位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)鈉離子的可逆嵌入脫出，極大提升了材料的放電比容量和導(dǎo)電性能，同時(shí)可以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提升循環(huán)性能。

33、2.在本發(fā)明的硫酸鐵鈉正極材料的制備方法中，以三聚氰胺海綿制作碳泡沫基底，具備高開(kāi)孔率、低密度、高穩(wěn)定性、環(huán)保性和多功能性等優(yōu)勢(shì)。具體的，三聚氰胺海綿具有低密度(如8.5kg/m3)和高穩(wěn)定性，使正極材料在高溫環(huán)境下仍能保持良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。同時(shí)，三聚氰胺海綿本身的開(kāi)孔率高達(dá)99％，形成一個(gè)三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這使得其在制備成多孔碳材料時(shí)能夠提供極高的比表面積和孔隙體積；并且，這種結(jié)構(gòu)不僅有利于碳納米管等材料的生長(zhǎng)，還能增強(qiáng)材料的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性能。上述特性使以三聚氰胺海綿制作的碳泡沫基底成為制備高性能電極材料(例如：超級(jí)電容器的正極材料)的理想選擇。

34、3.在本發(fā)明的硫酸鐵鈉正極材料的制備方法中，過(guò)渡金屬元素的摻雜能夠使正極材料的導(dǎo)電性能得到提升，同時(shí)可以穩(wěn)定正極材料的晶體結(jié)構(gòu)，減少材料與電解質(zhì)之間的界面反應(yīng)和活性物質(zhì)的損失，降低電池在循環(huán)過(guò)程中的容量損失率，進(jìn)一步有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。

35、4.在本發(fā)明的硫酸鐵鈉正極材料的制備方法中，加入抗氧化劑以及抗氧化劑的增效劑可以防止fe2+氧化為fe3+，降低材料中雜質(zhì)含量。

技術(shù)特征：

1.一種硫酸鐵鈉正極材料的制備方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述硫酸鐵鈉正極材料的化學(xué)式為naxfeymz(so4)3，2.0≤x＜3.0，1.5＜y≤2，0≤z≤0.4，x+2y+2z＝6，m為過(guò)渡金屬元素；其中，優(yōu)選0.05＜z≤0.4。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述硫酸鐵鈉正極材料的原料包括鐵源、鈉源和金屬元素添加劑；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述鐵源為七水合硫酸亞鐵；

5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，所述混合液的獲取過(guò)程包括：將原料加入到氮?dú)怙柡偷乃谐浞秩芙?，再與由抗氧化劑、抗氧化劑的增效劑、有機(jī)溶劑組成的混合試劑混勻得到混合液。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述水為超純水；

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)處理的溫度為750℃；

8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述碳泡沫基底的獲取過(guò)程包括：將三聚氰胺海綿在惰性氣氛下進(jìn)行熱處理即得；優(yōu)選的，熱處理的溫度為750-820℃，熱處理的時(shí)間為2-4h。

9.一種硫酸鐵鈉正極材料，其特征在于，其由上述權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的硫酸鐵鈉正極材料的制備方法制備得到。

10.權(quán)利要求9所述的硫酸鐵鈉正極材料在鈉離子電池中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及鈉離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硫酸鐵鈉正極材料及其制備方法和應(yīng)用。其中，一種硫酸鐵鈉正極材料的制備方法，包括：獲取碳泡沫基底；按照硫酸鐵鈉正極材料的化學(xué)計(jì)量比稱取原料并加入到溶劑中得到混合液；將混合液采用靜電噴霧沉積法沉積至碳泡沫基底上獲取前驅(qū)體薄膜；對(duì)前驅(qū)體薄膜進(jìn)行燒結(jié)處理得到硫酸鐵鈉正極材料。本發(fā)明采用碳泡沫作為基底材料，同時(shí)進(jìn)行靜電噴霧沉積制備硫酸鐵鈉前驅(qū)體，隨后經(jīng)燒結(jié)處理獲取硫酸鐵鈉材料，使得硫酸鐵鈉材料的放電比容量、倍率性能以及循環(huán)性能均得到顯著提升。

技術(shù)研發(fā)人員：許開(kāi)華,汪浩波,邢利生,夏寒,桑雨辰,張志力,陳官華,施楊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：格林美（無(wú)錫）能源材料有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6