一种钠离子电池的电极材料及其制备方法与装置

本发明涉及电池电极制备，尤其是一种钠离子电池的电极材料及其制备方法与装置。

背景技术：

1、钠离子电池因其良好的安全性、价格低廉、丰富的钠资源以及优良的电化学性能而受到人们的广泛关注。然而，钠离子电池在各个领域的实际应用仍然是一个巨大的挑战。近年来，人们采用了许多方法来提高钠储能的功率密度和循环寿命。阴极材料是钠离子存储中非常重要的组成部分。迄今为止，人们已经进行了不同的研究研究阴极，如naxni1/3fe1/3mn1/3o2，na3v2(po4)2f3，na3v2(po 4)3，na0.67mn0.7cu0.15ni0.15o2，na2fep2o7，navpo4f，nmtpo和na2fepo4f。

2、纯nmtpo，即鼻型na3mnti(po4)3(nmtpo)因其高原容量高、理论容量高、毒性低、低、价格低，被推荐作为一种新型的钠储能电极，然而，由于电导率不理想，原始的nmtpo电极表现出较差的高速率性能和较差的循环寿命。

3、综上，开发一种能提升nmtpo的电极高速率性能和循环寿命的电极材料十分有必要。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述存在的问题，提供了一种钠离子电池的电极材料及其制备方法与装置，通过本发明所公开的制备方法与装置制得的电极材料能显著提升nmtpo的电极高速率性能和循环寿命。

2、本发明公开的第一个技术方案如下：

3、一种钠离子电池的电极材料制备方法，包括以下步骤：

4、s1、原料准备：选取醋酸锰、四丙基氯钛酸盐、所述醋酸钠、磷酸二氢铵、柠檬酸和碳纳米管作为原料，并将四丙基氯钛酸盐制成四丙基氯钛酸盐溶液，碳纳米管制成碳纳米管浆液；

5、s2、原料混合：首先将柠檬酸和碳纳米管浆液分散到蒸馏水中，然后加入所述醋酸钠、醋酸锰和磷酸二氢铵得到混合物；

6、s3、溶胶制备：将四丙基氯钛酸盐溶液加入s2得到的混合物中，并进行搅拌，直到得到溶胶；

7、s4、凝胶前驱体制备：将s3得到的溶胶在75℃下干燥，得到凝胶前驱体；

8、s5、凝胶前驱体干燥：将凝胶前驱体置于无氧条件下干燥，得到cnts-nmtpo@c产物。

9、进一步地，所述s1中四丙基氯钛酸盐溶液的制备过程为将四丙基氯钛酸盐加入乙醇中，具体为，将四丙基氯钛酸盐以1g/s的速度加入到100ml乙醇中，搅拌速度设定为500rpm，搅拌时间为30分钟，直至完全溶解，所述碳纳米管浆液的制备过程为将碳纳米管加入乙醇中，具体为将碳纳米管以2g/s的速度加入到乙醇中，进行超声处理，频率设置为20khz，持续处理时间为15分钟，直至碳纳米管充分分散。

10、进一步地，所述s2中柠檬酸和碳纳米管浆液分散到蒸馏水中的工艺过程为：将蒸馏水置于容器中；将柠檬酸加入蒸馏水中，并以500rpm的速度搅拌溶解，搅拌时间为15分钟；缓慢将20ml碳纳米管浆液以2ml/s的速度加入到含有柠檬酸的蒸馏水中；持续搅拌混合，搅拌速度为300rpm，持续时间为30分钟，直至柠檬酸和碳纳米管充分分散在蒸馏水中，得到最终的混合物；

11、醋酸钠、醋酸锰和磷酸二氢铵加入的工艺过程为：将醋酸钠缓慢以2ml/s的速度逐渐加入到混合物中；加入醋酸锰，并以500rpm的速度充分混合搅拌，持续时间为20分钟；最后加入磷酸二氢铵，搅拌混合，确保均匀混合。

12、进一步地，所述s3中四丙基氯钛酸盐溶液加入的工艺过程为缓慢将四丙基氯钛酸盐溶液以2ml/s的速度加入到s2得到的混合物中，同时进行搅拌混合，搅拌速度设定为300rpm，持续搅拌混合，确保四丙基氯钛酸盐溶液均匀地与其他成分混合，搅拌时间为30分钟。

13、进一步地，所述s4中制备的工艺过程为在75℃下静置6小时。

14、进一步地，所述s5中干燥的工艺过程为在660℃下静置10小时。

15、本发明公开的第二个技术方案如下：

16、一种钠离子电池的电极材料，所述钠离子电池的电极材料根据上述任一的制备方法制得。

17、本发明公开的第三个技术方案如下：

18、一种应用于上述任一所述钠离子电池的电极材料制备方法的装置，所述装置包括搅拌器、第一连接管道、溶剂回流装置、第二连接管道、真空干燥器、第三连接管道、氩气气源、第四连接管道以及热处理炉，所述搅拌器与溶剂回流装置通过第一连接管道连接，所述真空干燥器分别通过第二连接管道与溶剂回流装置连接，第三连接管道与氩气气源连接，第四连接管道与热处理炉连接。

19、进一步地，所述搅拌器包括容器、搅拌桨以及电动机，所述搅拌桨内置于容器内部中间位置，搅拌桨一端连接有电动机，所述容器通过第一连接管道与溶剂回流装置连接。

20、进一步地，所述溶剂回流装置包括回流管、回流泵、回收瓶、加热装置与冷却装置，所述回流泵、回收瓶、加热装置与冷却装置均与回流管相连接，所述回收瓶用于储存回收的溶剂，所述加热装置与冷却装置用于控制溶剂回流的温度，所述回收瓶通过第一连接管道与真空干燥器连接。

21、进一步地，所述真空干燥器包括真空泵和干燥加热箱，真空泵用于抽真空，辅助干燥。

22、进一步地，所述氩气气源包括氩气气瓶、减压阀、控制阀和流量计，氩气气瓶用于提供氩气；所述减压阀与氩气气瓶连接，用于降低气压，所述流量计与氩气气瓶出口连接，用于监测气体流量，所述控制阀与氩气气瓶出口连接，用于调节氩气的流量。

23、进一步地，所述热处理炉包括炉体和温度控制器，所述温度控制器用于精确控制加热炉内的温度。

24、本发明相比现有技术而言，具有以下有益效果：

25、在本发明设计的材料中，鼻部结构的nmtpo颗粒被碳涂层覆盖，碳纳米管均匀地分散在nmtpo@c颗粒之间，由于纳米nmtpo、薄碳涂层和碳纳米管的协同作用，制备的cnts-nmtpo@c电极可以在2.0c下提供136.8mah g-1的可逆容量，在10.0c下300次循环中保留约92.2％，具有良好的速率性能和优越的循环稳定性，具有十分广阔的应用前景；cnts-nmtpo@c优异的电池性能可以归结为以下几个方面：①碳膜和cnts形成的导电网络可以极大地促进nmtpo的导电性，有利于改变电化学反应过程中电子和na+的输运；②在充放电过程中，小的nmtpo颗粒会减少na+的输运路径；

技术特征：

1.一种钠离子电池的电极材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种钠离子电池的电极材料制备方法，其特征在于：所述s1中所述四丙基氯钛酸盐溶液的制备过程为将所述四丙基氯钛酸盐以1g/s的速度加入到乙醇中，以500rpm的速度搅拌30分钟，所述碳纳米管浆液的制备过程为将碳纳米管以2g/s的速度加入到乙醇中，然后在20khz的条件下超声处理15分钟。

3.根据权利要求1所述的一种钠离子电池的电极材料制备方法，其特征在于：所述s2中所述柠檬酸和碳纳米管浆液分散到蒸馏水中的工艺过程为：首先将所述柠檬酸加入蒸馏水中，然后以500rpm的速度搅拌15分钟得到所述柠檬酸的水溶液，接着将碳纳米管浆液以2ml/s的速度加入到所述柠檬酸的水溶液并以300rpm的速度搅拌30分钟，所述s2中所述醋酸钠、醋酸锰和磷酸二氢铵加入的工艺过程为：首先将所述醋酸钠缓慢以2ml/s的速度逐渐加入到混合物中，然后加入醋酸锰，最后加入磷酸二氢铵并以500rpm的速度搅拌20分钟，得到混合物。

4.根据权利要求1所述的一种钠离子电池的电极材料制备方法，其特征在于：所述s3中所述四丙基氯钛酸盐溶液加入的工艺过程为将所述四丙基氯钛酸盐溶液以2ml/s的速度加入到s2得到的混合物中并以300rpm的速度搅拌30分钟。

5.根据权利要求1所述的一种钠离子电池的电极材料制备方法，其特征在于：所述s4中制备的工艺过程为在75℃下静置6小时。

6.根据权利要求1所述的一种钠离子电池的电极材料制备方法，其特征在于：所述s5中干燥的工艺过程为在660℃下静置10小时。

7.一种钠离子电池的电极材料，其特征在于：所述钠离子电池的电极材料根据权利要求1-6任一所述的制备方法制得。

8.一种钠离子电池的电极材料制备装置，其特征在于：所述装置包括搅拌器、第一连接管道、溶剂回流装置、第二连接管道、真空干燥器、第三连接管道、氩气气源、第四连接管道以及热处理炉，所述搅拌器与溶剂回流装置通过第一连接管道连接，所述真空干燥器分别通过第二连接管道与溶剂回流装置连接，第三连接管道与氩气气源连接，第四连接管道与热处理炉连接。

9.根据权利要求8所述的一种钠离子电池的电极材料制备装置，其特征在于：所述搅拌器包括容器、搅拌桨以及电动机，所述搅拌桨内置于容器内部中间位置，搅拌桨一端连接有电动机，所述容器通过第一连接管道与溶剂回流装置连接。

10.根据权利要求9所述的一种钠离子电池的电极材料制备装置，其特征在于：所述溶剂回流装置包括回流管、回流泵、回收瓶、加热装置与冷却装置，所述回流泵、回收瓶、加热装置与冷却装置均与回流管相连接，所述回收瓶用于储存回收的溶剂，所述加热装置与冷却装置用于控制溶剂回流的温度，所述回收瓶通过第一连接管道与真空干燥器连接。

技术总结
本发明公开了一种钠离子电池的电极材料制备方法，包括以下步骤：S1、原料准备：选取醋酸锰、四丙基氯钛酸盐、醋酸钠、磷酸二氢铵、柠檬酸和碳纳米管作为原料，并将四丙基氯钛酸盐制成四丙基氯钛酸盐溶液，碳纳米管制成碳纳米管浆液；S2、原料混合：首先将柠檬酸和碳纳米管浆液分散到蒸馏水中，然后加入醋酸钠、醋酸锰和磷酸二氢铵得到混合物；S3、溶胶制备：将四丙基氯钛酸盐溶液加入S2得到的混合物中，并进行搅拌，直到得到溶胶；S4、凝胶前驱体制备：将S3得到的溶胶在75℃下干燥，得到凝胶前驱体；S5、凝胶前驱体干燥：将凝胶前驱体置于无氧条件下干燥，得到CNTs‑NMTPO@C产物，本发明产物能显著提升NMTPO的电极高速率性能和循环寿命。

技术研发人员：黄赞,罗佩芳,黄梓恒,吕钊淳,马修华,颜睿翰,赵耿丰
受保护的技术使用者：广州航海学院
技术研发日：
技术公布日：2024/8/20