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本发明公开了一种多孔单晶氟磷酸氧钒钠正极材料及其制备方法和应用,将钒源和碳源在溶剂中加热还原,之后加入钠源、磷源和氟源,以及分散均匀的聚苯乙烯球,搅拌混合均匀,水热反应得到的氟磷酸氧钒钠单晶阵列在惰性气氛下,350~800℃退火0.1~50h,得到无定形碳包覆的多孔单晶氟磷酸氧钒钠正极材料;该无定形碳包覆的多孔单晶结构策略提高氟磷酸氧钒钠的功率密度和循环寿命,为该材料在钠离子电池中应用具有重要意义。

本发明中聚苯乙烯球作为氟磷酸氧钒钠单晶原位生长的媒介和模板，形成多孔单晶结构，采用无定形碳包覆的多孔单晶结构，可以有效提高材料的比表面积、反应活性位点和功率密度；利用无定形碳包覆作为颗粒表面电子快速传导媒介，提高材料的电子电导率和功率密度；通过合成单晶颗粒，提高材料的结构稳定性和循环寿命。本发明制备得到的多孔单晶氟磷酸氧钒钠正极材料，经X射线衍射测试符合氟磷酸氧钒钠的四方相晶型结构，并且X射线光电子能谱也表明无定形碳成功包覆，扫描电子显微镜照片显示单晶材料表面孔结构分布均匀，电化学性能测试结果表明多孔单晶氟磷酸氧钒钠循环稳定性显著提高、倍率性能显著增强。

相比于锂来说，钠资源丰富、价格便宜，因此钠离子电池及其相关材料的研究和开发成为了新一代储能器件的热点。2020年以来，钠离子电池初步实现商业化应用，在性价比要求较高的低速电动车、工具车、电动自行车和规模储能等领域表现出了良好的应用前景。虽然钠离子电池具有价格低廉、安全性高以及寿命长等优势，但是和锂离子电池相比，钠离子电池能量密度和功率密度较低制约了其广泛应用的步伐，以及上下游产业链的建立。作为电池中成本最高和决定电池工作电压的关键材料——高性能的正极储钠材料，是目前研究的重点。其中，聚阴离子型磷酸盐正极材料由于其晶体框架结构稳定和易于调变材料的放电电位平台，成为钠离子电池正极材料的最佳选择之一。聚阴离子型氟磷酸氧钒钠正极材料具有稳定的三维开放性框架结构，可允许钠离子在三个方向上可逆脱嵌且结构变化很小，具有较高的理论容量(130mAhg-1)和高的平均工作电压(～3.8V)，是一种极有前途的钠离子电池正极材料。

然而，现有氟磷酸氧钒钠复合正极材料的制备方法，如高温固相法、碳热还原法制备得到的氟磷酸氧钒钠复合正极材料比表面积较小，不利于电解液的浸润，从而导致磷酸钒钠复合正极材料的大电流充放电性能不理想，且其倍率性能仍难以满足某些情况下的使用要求；溶胶-凝胶法制备的该材料虽然比表面积大、功率密度高，但材料结晶性，颗粒表面缺陷多，从而导致循环寿命短。因此目前方法制备的氟磷酸氧钒钠复合材料因为电子电导率低、离子传输较差、结晶性不好等多方面原因，难以达到～500Wh/kg的理论能量密度和满足较高的功率密度，从而严重影响该材料和钠离子电池在高功率、长寿命等需求领域的应用步伐。

本发明在钠离子电池正极材料领域有着广泛的应用前景。

发明人：李龙 朱小龙 丁书江 孙泽慧 李雁淮 宋忠孝

西安交通大学是我国最早兴办、享誉海内外的著名高等学府，是教育部直属重点大学。西迁以来，一代代交大人扎根西部、服务国家，为西部发展和国家建设作出了卓越贡献，以实际行动铸就了第一批纳入中国共产党人精神谱系的西迁精神。2017年12月，习近平总书记对学校15位老教授来信作出重要指示。在2018年新年贺词中，习近平总书记再次提到“西安交大西迁的老教授”。2020年4月22日，习近平总书记来校考察并发表重要讲话，强调西迁精神的核心是爱国主义，精髓是听党指挥跟党走，与党和国家、与民族和人民同呼吸、共命运，勉励师生在新时代创造属于我们这代人的历史功绩，给全校师生以巨大关怀和极大鼓舞，为学校新时代建设中国特色世界一流大学提供了根本遵循和行动指南。

1)本发明单晶氟磷酸氧钒钠正极材料缺陷少、颗粒均匀、结构稳定性好、具有超长的循环寿命。

2)本发明通过无定形碳包覆提高材料的电子电导率，三维多孔结构促进电解液的浸润和传输，多孔单晶结构增加材料比表面积增加电化学反应的活性位点，可以大幅提高该复合正极材料的功率密度；提高比容量和良好的倍率性能。

3)本发明无定形碳包覆的多孔单晶氟磷酸氧钒钠复合正极材料的制备方法工艺简单、性能优异，可以达到目前电动自行车、低速电动车等领域对快速充放电、长循环寿命的要求，对该材料和钠离子电池的在此类领域的应用具有重要意义。

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