1.本发明属于正极材料制备技术领域，涉及一种连续生产的碳包覆纳米正极材料的制备方法及其产品和应用。
背景技术：2.钠离子电池由于其成本优势性，被广泛地认为是锂离子电池的有力替代者。而随着锂离子电池相关资源的价格飞涨，石油天然气等化石能源价格的不确定性，以及我国在传统化石能源价格上薄弱的定价权，因此发展新型低成本、环境友好的钠离子电池则显得尤为重要。由于风电、太阳能、潮汐能等可再生能源产生方式不具有短周期持续性，因此对于大规模低成本的储能设备需求量将会急剧上升，在发展洁净可再生能源的趋势下，将是发展钠离子电池的关键时期。
3.相较于层状氧化物、橄榄石型、普鲁士蓝等钠离子电池正极材料，聚阴离子材料由于其合成过程简单，成本较低，且性质稳定的因素，受到了广泛的关注。但是目前对于聚阴离子的研究主要集中在钒基材料上，如氟磷酸钒钠/氟磷酸氧钒钠等材料，其优势在于比容量较高，但是由于钒资源相对昂贵，且钒和钒的氧化物具有毒性，在大规模的应用中有一定的限制性。而铁基聚阴离子正极材料的合成过程相对成熟，但是多使用固相法，不具备连续生产的能力，且由于其导电性较差，电化学性能也受到一定的限制。
4.因此有必要研究和开发一种低成本、易合成、可连续生产作业、无毒无害、具有高稳定性的铁基聚阴离子钠离子电池正极材料制备方法。
技术实现要素：5.有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种连续生产的碳包覆纳米正极材料的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种连续生产的碳包覆纳米正极材料；本发明的目的之三在于提供一种连续生产的碳包覆纳米正极材料作为钠离子电池正极材料方面的应用。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.1.一种连续生产的碳包覆纳米正极材料的制备方法，所述制备方法采用砂磨-喷雾干燥
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低温碳化联用的方式进行，具体包括如下步骤：
8.(1)预分散：将钠源、磷源、铁源进行预混合的得到混合物，加入碳源、分散剂、助磨剂和有机溶剂形成溶液，加入到分散容器中进行搅拌预分散0.5～2h；
9.(2)制备碳包覆的正极材料前驱体浆料：将经过搅拌预分散的产物与砂磨机相连，按照 200～2000ml/min的速率进行泵料，再以800～1200rpm的转速进行初步砂磨1～2h，随后以1500～1800rpm的转速持续砂磨10～20h，在分离电机作用下使浆料与砂磨介质全部分离后停止泵料，得到碳包覆的正极材料前驱体浆料(slurry-nanona
x
fey(p2o7)4po4@c)；
10.(3)制备碳包覆的纳米正极材料前驱体：将盛装有碳包覆的正极材料前驱体浆料 (slurry-nanona
x
fey(p2o7)4po4@c)的分散容器与喷雾干燥设备连接，进行喷雾干燥，得到碳
包覆的纳米正极材料前驱体(p-nanona
x
fey(p2o7)4po4@c)；
11.(4)制备碳包覆纳米正极材料：将所述碳包覆的纳米正极材料前驱体 (p-nanona
x
fey(p2o7)4po4@c进行热解，待其自然降温后，得到碳包覆纳米正极材料 (nanona
x
fey(p2o7)4po4@c)。
12.优选的，所述钠源中的钠、磷源中的磷和铁源中的铁的摩尔比为4-7:4-5:10；
13.所述混合物、碳源、分散剂、助磨剂的质量比为100:1-10:1-10:0.1-2；
14.所述溶液中有机溶剂和固体物质的比例为4-10:1。
15.进一步优选的，所述钠源为氯化钠、碳酸钠、草酸钠或碳酸氢钠中的任意一种或几种；
16.所述磷源为磷酸氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸氢钾、磷酸二氢钾或磷酸氢二钾中的任意一种或几种；
17.所述铁源为硫酸铁、氯化铁或硝酸铁中的任意一种或几种。
18.进一步优选的，所述碳源为聚乙二醇-400、聚乙二醇-600、聚乙二醇-800、聚乙烯吡咯烷酮-k30、聚乙烯吡咯烷酮-k60、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸、沥青或聚苯胺中的任意一种或几种；
19.所述分散剂为聚乙二醇-400、聚乙烯吡咯烷酮-k30、聚丙烯酸钠或聚丙烯酸中的任意一种或几种；
20.所述助磨剂为六偏磷酸钠。
21.进一步优选的，所述有机溶剂为酒精、丙酮或异丙醇中的任意一种或几种。
22.优选的，步骤(2)中，所述喷雾干燥设备的进料温度为50-90℃、出料温度为90-110℃、泵料速率为30-100ml/min。
23.优选的，步骤(2)中，所述分离电机的转速为1800rpm。
24.优选的，步骤(3)中，所述热解的过程中气氛为空气气氛或氧气气氛、热解温度为200-600℃，热解时间为2-6h。
25.2.根据上述制备方法制备的碳包覆纳米正极材料，所述碳包覆纳米正极材料包括纳米级材料以及表面包覆的碳源，其中x为4-7的整数，y为4或5。
26.3.上述碳包覆纳米正极材料作为钠离子电池正极材料方面的应用。
27.本发明的有益效果在于：
28.1、本发明公开了一种连续生产的碳包覆纳米正极材料的制备方法，主要采用砂磨-喷雾干燥-低温碳化联用的合成方法，使用可更换的盛装容器完成目标产物的分批投料与产出，实现产物碳包覆纳米正极材料(na
x
fey(p2o7)4po4)的连续制备，该制备方法在工艺流程上可连续生产，无须多次投料操作，减轻了材料制备难度，保持了较低的制造成本和绿色的工艺流程，可实现不同功能性碳源包覆，有效地提升材料的电化学稳定性，具有优异的产业化前景；
29.2、本发明还公开了一种连续生产的碳包覆纳米正极材料，该材料的前驱体粒径≤100nm，主要是纳米级材料(na
x
fey(p2o7)4po4，其中x为4-7的整数，y为4或5)通过低温碳包覆，以纳米单体为核心自发聚合，纳米颗粒之间通过碳源连接形成微米级球形颗粒，其表面为薄层碳源包覆的粗糙颗粒，该材料具有纳米尺度的活性微粒，物理性质可控、性能稳定一致、形貌均一，同时具有可控的终产物颗粒大小，较未经碳包覆的块状聚阴离子材料具有更
好的稳定性和电化学活性。
30.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
31.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
32.图1为实施例中制备碳包覆的纳米正极材料采用的装置示意图，其中1为砂磨机、2为隔膜泵、3为分散容器ⅰ、4为分散容器ⅱ、5为保护气体入口、6为蒸汽加热器、7为雾化器、8为干燥塔、9为气扫传动装置、10为旋风分离器、11为干燥产物收集器、12为冷凝器、 13为溶液收集器。
33.图2为实施例1中制备得到的碳包覆的正极材料前驱体浆料 (slurry-nanona4fe5(p2o7)4po4@c)的粒径分布图；
34.图3为实施例1制备得到的碳包覆的纳米正极材料(nanona4fe5(p2o7)4po4@c)的sem 图；
35.图4中a图为实施例2制备得到的碳包覆的纳米正极材料(nanona7fe4(p2o7)4po4@c) 的xrd图，b为碳包覆的纳米正极材料(nanona7fe4(p2o7)4po4)的晶体结构示意图；
36.图5为实施例1中制备的碳包覆的纳米正极材料(nanona4fe5(p2o7)4po4@c)组装的纽扣电池在10ma g-1
(0.1c)的电流密度下的容量测试；
37.图6中a为实施例2中制备的碳包覆的纳米正极材料(nanona7fe4(p2o7)4po4@c)在5c 电流密度下长循环性能图，b为实施例2中制备的碳包覆的纳米正极材料 (nanona7fe4(p2o7)4po4@c)在0.1c-15c的倍率性能测试。
具体实施方式
38.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.图1为实施例中制备碳包覆的纳米正极材料采用的装置示意图，其中1为砂磨机、2为隔膜泵、3为分散容器ⅰ、4为分散容器ⅱ、5为保护气体入口、6为蒸汽加热器、7为雾化器、8为干燥塔、9为气扫传动装置、10为旋风分离器、11为干燥产物收集器、12为冷凝器、 13为溶液收集器
40.实施例1
41.一种碳包覆na4fe5(p2o7)4po4的纳米正极材料(nanona4fe5(p2o7)4po4@c)，具体的制备方法具体包括如下步骤：
(slurry-nanona7fe4(p2o7)4po4@c)的分散容器与喷雾干燥设备连接，控制喷雾干燥设备的进料温度85℃、喷雾嘴出料温度100℃、泵料速率100ml/min-1
进行喷雾干燥，得到碳包覆的纳米正极材料前驱体(p-nanona7fe4(p2o7)4po4@c)；
55.(5)制备碳包覆纳米正极材料：将所述碳包覆的纳米正极材料前驱体 (p-nanona7fe4(p2o7)4po4@c在氧气气氛下、500℃的温度下进行热解，待其自然降温后，得到碳包覆纳米正极材料(nanona7fe4(p2o7)4po4@c)。
56.图4中a图为实施例2制备得到的碳包覆的纳米正极材料(nanona7fe4(p2o7)4po4@c) 的xrd图，b为碳包覆的纳米正极材料(nanona7fe4(p2o7)4po4)的晶体结构示意图。从图4 中a可以看出，该材料有明显的无定形碳(24
°
左右)峰，以及铁基混合聚阴离子衍射峰。
57.性能测试
58.1、对实施例1中制备的碳包覆的纳米正极材料(nanona4fe5(p2o7)4po4@c)的电学性能进行测试，具体方法如下所示：
59.(1)将实施例1中制备的碳包覆的纳米正极材料(nanona4fe5(p2o7)4po4@c)、聚偏氟乙烯(pvdf)、导电炭黑按8:1:1的质量比进行混合研磨，加入n-甲基吡咯烷酮(nmp)(质量为正极材料质量的1％)进行湿法研磨至浆料能够通过200目不锈钢筛网；
60.(2)使用湿膜涂膜器将步骤(1)中研磨后的浆料涂布于铝箔上，控制厚度为200μm，随后转移至120℃的真空烘箱中干燥过夜；
61.(3)将步骤(2)中制备的涂布有碳包覆的纳米正极材料(nanona4fe5(p2o7)4po4@c) 的铝箔集流体裁切成直径为13mm的小圆片，并转移至充满氩气的手套箱中，按照负极壳、弹片、垫片、金属钠片、隔膜、集流体、正极壳的顺序组装纽扣电池，并添加120μl的电解液。使用的纽扣电池型号为cr2032、隔膜为玻璃纤维隔膜、电解液为1mol/l的naclo4酯类电解液(1m naclo4、溶剂为ec和dec按照1:1的体积比形成的混合溶剂)。
62.(4)组装完成后，将纽扣电池移出手套箱，在室温条件下静置8h后，在land电池测试系统上进行电化学性能测试。
63.图5为实施例1中制备的碳包覆的纳米正极材料(nanona4fe5(p2o7)4po4@c)组装的纽扣电池在10ma g-1
(0.1c)的电流密度下的容量测试。从图5可以看出，该材料首圈比容量达到103.7mah g-1
，首次库伦效率达到92.7％，此外，从电压-比容量曲线中得知该材料的平台主要集中在2.8v左右，与硬碳负极等电位较低的负极进行匹配后具有较高的能量密度。
64.2、对实施例2中制备的碳包覆的纳米正极材料(nanona7fe4(p2o7)4po4@c)的电学性能进行测试，具体方法如下所示：
65.(1)将实施例2中制备的碳包覆的纳米正极材料(nanona7fe4(p2o7)4po4@c)、海藻酸钠(sa)和导电炭黑按8:1:1的质量比进行混合研磨，加入去离子水(质量为正极材料 (nanona7fe4(p2o7)4po4@c)质量的1％)进行湿法研磨至浆料能够通过200目不锈钢筛网；
66.(2)使用湿膜涂膜器将步骤(1)中研磨后的浆料涂布于铝箔上，控制厚度为200μm，随后转移至120℃的真空烘箱中干燥过夜；
67.(3)将步骤(2)中制备的涂布有碳包覆的纳米正极材料(nanona7fe4(p2o7)4po4@c) 的铝箔集流体裁切成直径为14mm的小圆片，并转移至充满氩气的手套箱中，按照负极壳、弹片、垫片、金属钠片、隔膜、集流体、正极壳的顺序组装纽扣电池，并添加130μl的电解液。使用的纽扣电池型号为cr2032、隔膜为玻璃纤维隔膜、电解液为1mol/l的naclo4酯类电解液
(1m naclo4、溶剂为ec和dec按照1:1的体积比形成的混合溶剂)。
68.(4)组装完成后，将纽扣电池移出手套箱，在室温条件下静置8h后，在land电池测试系统上进行电化学性能测试。
69.图6中a为实施例2中制备的碳包覆的纳米正极材料(nanona7fe4(p2o7)4po4@c)在5c 电流密度下长循环性能图，b为实施例2中制备的碳包覆的纳米正极材料 (nanona7fe4(p2o7)4po4@c)在0.1c-15c的倍率性能测试。从图6中a可以得知，本发明实施例2中制备的碳包覆的纳米正极材料(nanona7fe4(p2o7)4po4@c)得益于材料自身的纳米级颗粒所具备的高活性，包覆碳层优异的导电性，在保持较高的比容量的同时实现了出色的循环稳定性；从图6中b可知实施例2中制备的碳包覆的纳米正极材料 (nanona7fe4(p2o7)4po4@c)在0.1c～15c的倍率性能测试中的展现了优异的倍率性能，该性能的改善来自于纳米级的单体颗粒具有更好的离子扩散速度，在进行大电流密度充放电时，仍然保持了较好的比容量。借助这种特性，该材料有望应用在大规模储能以及特种用途车辆等需要快速完成能量转换储存的场景。
70.另外，上述实施例中的钠源可以为氯化钠、碳酸钠、草酸钠或碳酸氢钠中的任意一种或几种、磷源可以为磷酸氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸氢钾、磷酸二氢钾或磷酸氢二钾中的任意一种或几种、铁源可以为硫酸铁、氯化铁或硝酸铁中的任意一种或几种、碳源可以为聚乙二醇-400、聚乙二醇-600、聚乙二醇-800、聚乙烯吡咯烷酮-k30、聚乙烯吡咯烷酮-k60、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸、沥青或聚苯胺中的任意一种或几种、分散剂可以为聚乙二醇-400、聚乙烯吡咯烷酮-k30、聚丙烯酸钠或聚丙烯酸中的任意一种或几种、有机溶剂可以为酒精、丙酮或异丙醇中的任意一种或几种，制备得到的碳包覆纳米正极材料性能与实施例1和实施例2中的产物性能相似。
71.综上所述，本发明公开了一种连续生产的碳包覆纳米正极材料的制备方法，主要采用砂磨-喷雾干燥-低温碳化联用的合成方法，使用可更换的盛装容器完成目标产物的分批投料与产出，实现产物碳包覆纳米正极材料(na
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fey(p2o7)4po4)的连续制备，该制备方法在工艺流程上可连续生产，无须多次投料操作，减轻了材料制备难度，保持了较低的制造成本和绿色的工艺流程，可实现不同功能性碳源包覆，有效地提升材料的电化学稳定性，具有优异的产业化前景；本发明还公开了一种连续生产的碳包覆纳米正极材料，该材料的前驱体粒径≤100nm，主要是纳米级材料(na
x
fey(p2o7)4po4，其中x为4-7的整数，y为4或5)通过低温碳包覆，以纳米单体为核心自发聚合，纳米颗粒之间通过碳源连接形成微米级球形颗粒，其表面为薄层碳源包覆的粗糙颗粒，该材料具有纳米尺度的活性微粒，物理性质可控、性能稳定一致、形貌均一，同时具有可控的终产物颗粒大小，较未经碳包覆的块状聚阴离子材料具有更好的稳定性和电化学活性。本发明公开了一种连续生产的碳包覆纳米铁基聚阴离子正极材料的合成方法及应用，通过简洁高效的工艺生产流程设计，实现了一次投料连续产出的工艺优化，目前已初步具备规模化生产雏形，配合吨包自卸机器人可实现大规模产出，具有优异的产业化前景。此外，铁基聚阴离子材料由于其成本优势，绿色化材料来源，可以有效地补充钠离子电池正极材料大规模产业化方法的空白。
72.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明
的权利要求范围当中。
技术特征：1.一种连续生产的碳包覆纳米正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法采用砂磨-喷雾干燥-低温碳化联用的方式进行，具体包括如下步骤：(1)预分散：将钠源、磷源、铁源进行预混合的得到混合物，加入碳源、分散剂、助磨剂和有机溶剂形成溶液，加入到分散容器中进行搅拌预分散0.5～2h；(2)制备碳包覆的正极材料前驱体浆料：将经过搅拌预分散的产物与砂磨机相连，按照200～2000ml/min的速率进行泵料，再以800～1200rpm的转速进行初步砂磨1～2h，随后以1500～1800rpm的转速持续砂磨10～20h，在分离电机作用下使浆料与砂磨介质全部分离后停止泵料，得到碳包覆的正极材料前驱体浆料；(3)制备碳包覆的纳米正极材料前驱体：将盛装有碳包覆的正极材料前驱体浆料的分散容器与喷雾干燥设备连接，进行喷雾干燥，得到碳包覆的纳米正极材料前驱体；(4)制备碳包覆纳米正极材料：将所述碳包覆的纳米正极材料前驱体进行热解，待其自然降温后，得到碳包覆纳米正极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钠源中的钠、磷源中的磷和铁源中的铁的摩尔比为4-7:4-5:10；所述混合物、碳源、分散剂、助磨剂的质量比为100:1-10:1-10:0.1-2；所述溶液中有机溶剂和固体物质的比例为4-10:1。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钠源为氯化钠、碳酸钠、草酸钠或碳酸氢钠中的任意一种或几种；所述磷源为磷酸氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸氢钾、磷酸二氢钾或磷酸氢二钾中的任意一种或几种；所述铁源为硫酸铁、氯化铁或硝酸铁中的任意一种或几种。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碳源为聚乙二醇-400、聚乙二醇-600、聚乙二醇-800、聚乙烯吡咯烷酮-k30、聚乙烯吡咯烷酮-k60、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸、沥青或聚苯胺中的任意一种或几种；所述分散剂为聚乙二醇-400、聚乙烯吡咯烷酮-k30、聚丙烯酸钠或聚丙烯酸中的任意一种或几种；所述助磨剂为六偏磷酸钠。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为酒精、丙酮或异丙醇中的任意一种或几种。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述喷雾干燥设备的进料温度为50-90℃、出料温度为90-110℃、泵料速率为30-100ml/min。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述分离电机的转速为1800rpm。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述热解的过程中气氛为空气气氛或氧气气氛、热解温度为200-600℃，热解时间为2-6h。9.根据权利要求1-8任一项所述制备方法制备的碳包覆纳米正极材料，其特征在于，所述碳包覆纳米正极材料包括纳米级材料na
x
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y
(p2o7)4po4以及表面包覆的碳源，其中x为4-7的整数，y为4或5。10.根据权利要求9所述的碳包覆纳米正极材料作为钠离子电池正极材料方面的应用。
技术总结本发明涉及一种连续生产的碳包覆纳米正极材料的制备方法及其产品和应用，属于正极材料制备技术领域。本发明公开了一种连续生产的碳包覆纳米正极材料的制备方法，主要采用砂磨-喷雾干燥-低温碳化联用的合成方法，使用可更换的盛装容器完成目标产物的分批投料与产出，实现产物碳包覆纳米Na
技术研发人员：岳亮 徐茂文 戚钰若 雷雨司 吴进 李杰 李连接
受保护的技术使用者：西南大学
技术研发日：2022.04.19
技术公布日：2022/7/5
