提供了用作电池的阴极材料的化合物、该化合物的晶体以及包含该化合物的电池。该化合物具有i)至少钠或者ii)钠和锂作为第一成分；铜作为第二成分；选自锰、镍、铁、铜、锌、铬、钒、钛、钼、钨、铌、铷、锡和锆的至少一种过渡金属M作为第三成分；以及氧作为第四成分；并且其中所述化合物的化学式为NayCuxM1-xO2或LiaNabCuxM1-xO2。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用作电池阴极材料的化合物、该化合物的晶体以及包含该化合物的电池。
技术介绍
随着对移动电子设备和器件以及其它不具有固定连接电源线(electricalpowercable)装置使用的急剧增加，对于能够向这些器件或设备充电的电池有着极高的要求。虽然常规的锂离子电池(LIB)已经广泛使用，但它存在一定的缺点。例如，锂在地球上的储量不高，所以导致以锂为原料制备的电池中较为重要阴极材料的成本较高。此外，从自然界开采锂通常会损害自然环境，并且对生态系统产生不可修复的破坏。本专利技术试图解决以上问题，提供一类可以替代传统电池阴极材料的化合物，或至少向公众提供一种替代方案。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了用作电池阴极材料的化合物，其包含i)至少钠或ii)钠和锂作为第一成分；铜作为第二成分；选自锰、镍、铁、铜、锌、铬、钒、钛、钼、钨、铌、铷、锡和锆的至少一种过渡金属M作为第三成分；以及氧作为第四成分；并且其中该化合物的化学式为NayCuxM1-xO2或LiaNabCuxM1-xO2。在一个实施方案中，化合物可以仅包含钠作为第一成分。在这一实施方案中，化学式可以是NayCuxM1-xO2，其中0.6≤y≤0.75，并且0.02≤x≤0.30。优选地，化合物在第三成分中还可以包含过渡金属A，所述过渡金属A选自镍、铁、钴、钒、钛、锆、铷和锡。在一个实施方案中，过渡金属M可以是锰。在这一实施方案中，化学式可以是NayCuxMn1-x-zAzO2，其中0.6≤y≤0.75，0.02≤x≤0.30，并且0≤z≤0.67。在一个实施方案中，化合物在第一成分中可以包含钠和锂。在这一实施方案中，化学式可以是LiaNabCuxM1-xO2，其中0.6≤a+b≤0.75，并且0.02≤x≤0.30。优选地，化合物在第三成分中还可以包含过渡金属A，所述过渡金属A选自镍、铁、钴和钒。在一个具体实施方案中，过渡金属M是锰，并且在这样的实施方案中，化学式是LiaNabCuxMn1-x-zAzO2，其中0.6≤a+b≤0.75，0.02≤x≤0.30并且0≤z≤0.67。这些值对于制备工艺非常重要，因为如果y或“a+b”的值小于0.6，则材料不会呈现所期望的纯相结构。如果y或“a+b”大于0.75，则材料会是吸湿的，并且发生不期望的分解。根据本专利技术的第二方面，提供了上述化合物的晶体，其中所述晶体具有层状结构，其中，该层状结构的一层基本上仅由碱金属占据，并且另一层基本上仅由过渡金属占据。优选地，晶体可具有P2、P3或O3的结构。适当地，此类结构化合物的平均尺寸大体在0.05至10μm之间。根据本专利技术的第三方面，提供了一种锂离子或钠离子电池，其包含如上所述的化合物或化合物的晶体。根据本专利技术的第四方面，提供了上述晶体的制备方法，其包括了包含第一和第二成分在内的各成分的非固态合成的步骤，该步骤不涉及固态合成。优选地，该步骤可以是溶胶-凝胶合成步骤。溶胶-凝胶法使各成分更好的混合。附图说明现将参照附图解释本专利技术的一些实施方案，其中：图1是用作电池阴极中的材料的化合物(Na0.67CuxMn1-xO2)样品的制备示意图；图2包括a部分、b部分和c部分，它们分别是图1所制备化合物的XRD、Cu2p和Mn2PXPS图谱；图3包括a部分、b部分、c部分、d部分和e部分，它们分别是Na0.67MnO2的SEM、EDX元素分布图(EDXmapping)、TEM和HRTEM的图片；图4包括a部分、b部分、c部分、d部分、e部分和f部分，它们分别是Na0.67Cu0.14Mn0.86O2的SEM、EDX元素分布图、TEM、SAED和HRTEM的图片；图5包括a部分、b部分、c部分和d部分，它们显示了不同Na0.67CuxMn1-xO2样品在2.0-4.2V的电压范围内在0.1mVs–1的扫描率下的CV曲线，其中a：x＝0，b：x＝0.14，c：x＝0.25和d：x＝0.33；图6包括a部分、b部分、c部分和d部分，它们显示了图5的样品电极在200mAg-1电流下的典型的充-放电曲线，其中a：x＝0，b：x＝0.14，c：x＝0.25和d：x＝0.33；图7包括a部分、b部分和c部分，它们分别显示了不同Na0.67CuxMn1-xO2样品的倍率性能(ratecapability)、在200mAg-1的电流密度下和在1000mAg-1的高电流密度下的长期循环；图8是表示了O3(右下)、P3(右上)、O2(左下)和P2(左上)类型的晶格结构的示意图(图取自Yabuuchietal,2014,IOPScience)；图9A、9B是Na0.67Cu0.25Mn0.75O2的SEM图像，图9C是Na0.67Cu0.25Mn0.75O2的EDX元素分布图；图10显示不同Na0.67CuxMn1-xO2样品在不同电流密度下的充-放电曲线：a：x＝0，b：x＝0.14，c：x＝0.25和d：x＝0.33。图11是Na0.67M0.20Mn0.80O2(M＝Cu、Zn和Mg)电极在10mAg-1电流下的典型的充-放电曲线的比较(a部分)与倍率性能的比较(b部分)。具体实施方式对于高效低廉的电池需求一直在不断地增加。例如，风能和太阳能的日益流行意味着对于这种能源的储存需求也相应地增加。本专利技术宽泛地涉及钠离子电池(NIB)，或其中部分锂被钠取代的锂离子电池(L/NIB)。本专利技术的研究表明，常规电池使用钠代替锂的电极材料，由于不够高的操作电压和比能量/功率密度，将会导致没有效率。本专利技术提供了一类用作钠离子或锂/钠离子电池阴极材料的新化合物，这类化合物的性能即使不比常规锂离子电池(LIB)的好，至少也能够相当。这类新化合物材料的一个实例是铜取代的P2-型Na0.67CuxMn1-xO2阴极材料。实验已经显示，随着阴极材料中Cu含量的增加，平均电势增加，这归因于Cu3+/Cu2+的氧化还原对的贡献(3.5-4.0V)。最重要的是，Cu取代提高了材料的循环稳定性，即使是在高电流比(currentrate)下也是如此。在200mAg-1的电流下150次循环之后，容量能够维持在100mAhg-1之上，达到90％的容量保持率。在1000mAg-1电流下经过500次循环之后，能够获得>70％的容量保持率。本专利技术的这一NIBP2-型阴极材料的性即使不比常规LIB的性能更好，但至少也是相当的。以下说明书描述了本专利技术的进一步示例。在过去二十年中，常规锂离子电池(LIB)已经被广泛用作便携式装置(如便携式电脑、手机和电动工具)的供电设备，因为它们具有高能量和功率密度。然而，有限的锂资源以及这些资源的不均衡分布导致了LIB价格高昂。虽然LIB成本高，但许多研究工作仍然致力于功率输出和功率输出的持续时间这两方面而增加常规LIB的生产。本专利技术的研究显示，P2-、P3-和O3型NaxMO2(M＝Ni、Co、Mn、Fe、Cr等)的层状氧化物是合适的候选材料。层状结构指材料具有特定构型的晶体结构。通常，具有层状结构的材料是如下材料：其中碱金属(例如Na和/或Li)占据材料的一层，并且过渡金属占据另外的层。层状结构允许碱金属(Na和/或Li)易于移动嵌入和脱出晶格。参见图本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种化合物，其用作电池的阴极材料，所述化合物包含：a)i)至少钠或者ii)钠和锂作为第一成分；b)铜作为第二成分；c)选自锰、镍、铁、铜、锌、铬、钒、钛、钼、钨、铌、铷、锡和锆的至少一种过渡金属M作为第三成分；以及d)氧作为第四成分；其中所述化合物的化学式为NayCuxM1‑xO2或LiaNabCuxM1‑xO2。
【技术特征摘要】
2015.09.14 US 14/853,3821.一种化合物，其用作电池的阴极材料，所述化合物包含：a)i)至少钠或者ii)钠和锂作为第一成分；b)铜作为第二成分；c)选自锰、镍、铁、铜、锌、铬、钒、钛、钼、钨、铌、铷、锡和锆的至少一种过渡金属M作为第三成分；以及d)氧作为第四成分；其中所述化合物的化学式为NayCuxM1-xO2或LiaNabCuxM1-xO2。2.如权利要求1所述的化合物，其仅包含钠作为所述第一成分。3.如权利要求2所述的化合物，其中所述化学式是NayCuxM1-xO2。4.如权利要求3所述的化合物，其中0.6≤y≤0.75，并且0.02≤x≤0.30。5.如权利要求4所述的化合物，其在所述第三成分中还包含过渡金属A，所述过渡金属A包括选自以下的一种或多种过渡金属：镍、铁、钴、钛、锆、铷、锡和钒。6.如权利要求5所述的化合物，其中所述过渡金属M是锰。7.如权利要求6所述的化合物，其中所述化学式是NayCuxMn1-x-zAzO2。8.如权利要求7所述的化合物，其中0.6≤y≤0.75，0.02≤x≤0.30，...
【专利技术属性】
技术研发人员：虞有为，康文裴，李振声，
申请(专利权)人：香港城市大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81
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