含掺杂的镍酸盐化合物的组合物制造技术

本发明专利技术涉及一种电极和包含该电极的应用装置，电极包括混合相含掺杂的镍酸盐的组合物，该组合物包含：第一组分类型，包括一种或多种具有O3结构的化合物；以及一种或多种选自以下的组分类型：第二组分类型，包括一种或多种具有P2结构的组分，和第三组分类型，包括一种或多种具有P3结构的组分；组合物由以下加权平均式表示：A”’a”’M

Composition of Doped Nickelate Compounds

The invention relates to an electrode and an application device comprising the electrode comprising a mixture of doped nickel salts in a mixed phase, comprising a first component type, including one or more compounds with an O3 structure, and one or more component types selected from the following components: a second component type, including one or more Various components with P2 structure, and third component types, including one or more components with P3 structure; compositions are represented by the following weighted average formula: A\'a\'M\

【技术实现步骤摘要】
含掺杂的镍酸盐化合物的组合物本申请为2015年5月20日提交的名称为“含掺杂的镍酸盐化合物的组合物”、申请号为201580026390.2的专利技术专利申请的分案申请。专利
本专利技术涉及包括特定的含掺杂的镍酸盐的组合物的新的电极；涉及这些电极中的一种或多种在储能装置如电池，尤其是可充电电池、电化学装置和电致变色器件中的用途；以及涉及包括一种或多种电极的储能装置，所述一种或多种电极包含特定的含掺杂的镍酸盐的组合物。本专利技术还涉及特定的新的含掺杂的镍酸盐的组合物。专利技术背景钠离子电池在许多方面与现今通常使用的锂离子电池是类似的；它们均为可重复使用的包括阳极(负极)、阴极(正极)和电解质材料的二次电池，均能够储能，并且它们均通过类似的反应机制充电和放电。当钠离子(或锂离子)电池充电时，Na+(或Li+)离子从阴极脱嵌(deintercalate)并嵌入阳极中。同时，电荷平衡电子从阴极穿过包括充电器的外电路并进入电池的阳极。在放电过程中发生相同的过程，但是以相反的方向发生。锂离子电池技术在近年来得到许多关注，并为现今使用的大多数电子设备提供了优选的便携式电池；然而，锂就来源而言不是廉价的金属，并且被认为对于大规模应用中的使用而言太昂贵。相比之下，钠离子电池技术仍然处在其相对初期，但被视为有利的；钠比锂充足得多，并且一些研究者预测这将给未来提供更廉价和更持久的储能方式，特别是对于大规模应用如在电网上储能。然而，在钠离子电池成为商业上的现实之前，还需要做很多工作。已知具有通式AxMO2的金属氧化物(其中A表示一种或多种碱金属离子且M表示一种或多种金属离子，其中至少一种具有几种氧化态，例如过渡金属)以许多不同的层状结构结晶。这由C.Delmas等人在“层状氧化物的结构分类和性质(StructuralClassificationandPropertiesoftheLayeredOxides)”,Physica99B(1980)81-85中详细描述。总之，这些结构均由形成(MO2)n片的MO6边缘共享八面体构成。这些片以一个在另一个之上的方式堆叠并且被碱金属原子隔开，并且碱金属的精确位置将决定金属氧化物的整体结构是否被描述为八面体(O)、四面体(T)或棱柱形(P)。在由六边形片(hexagonalsheet)构成的晶格中，氧原子有三种可能的位置，通常称为A、B和C。正是其中这些片堆积在一起的顺序导致O、T和P环境。数字2或3还用于描述在垂直于分层的重复单元中的碱金属层的数量。例如，当层以顺序ABCABC堆积时，获得O3结构。这是指在重复单元中的3个碱金属层，并且每个碱金属在八面体环境中。这样的材料的特征在于碱金属离子为八面体取向，并且该结构的典型化合物为AxMO2(x≤1)。碱金属离子呈四面体取向的顺序ABAB将产生以A2MO2化合物为代表的T1结构。以ABBA顺序堆积片得到P2结构，其中一半的棱柱与MO6八面体共享边缘，而另一半共享面，典型的化合物为A≈0.7MO2。最后，以ABBCCA顺序堆积得到P3结构类型，其中所有棱柱与一个MO6八面体共享一个面，并且与下一个片的三个MO6八面体共享三条边缘。发现A≈0.5MO2化合物采用P3结构。将注意到存在于AxMO2材料中的碱金属的量对金属氧化物的整体结构有直接影响。此外，Y.J.Shin等人在SolidStateIonics132(2000)131-141中报导了分层式氧化物NaxNix/2Ti1-x/2O2的制备和结构特性，其中x在0.6≤x≤1.0的范围内。具体地，这些工作者公开了当0.72<x≤1.0时观察到菱形晶格(O型)，并且当0.6≤x≤0.72时观察到六边形晶格(P型)，并且当在约1223K(约950℃)下在固态方法中制备产物时，O和P两种结构类型作为混合物存在。在过去十年中，许多工作者已经研究了具有P2或O3结构的单相金属氧化物的电化学性质。例如，C.Delmas等人报导了P2-NaxCoO2的相转变和电化学行为，参见例如，J.SolidStateChem.,2004,177,2790-2802和Inorg.Chem.,2009,48,9671-9683。此外，Delmas等人已经报导了虽然层状O3型材料NaxVO2、NaxCrO2、NaxMnO2和NaxFeO2能够在充电和放电时聚集(host)Na离子，并且具有优异的比容量性能，但其仍然经受显著的容量衰减。Lu和Dahn,J.Electrochem.Soc.,2001,148,A710-715证实了在钠半电池中的P2-层状氧化物Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2可以可逆地交换Na离子，然而，预期这些氧化物化合物尤其是在C/100下在2.3–4.5V显示差的循环能力。最近，Kim等人在Adv.EnergyMater.,2011,1,333-336中报导了在单相P2锂取代的化合物如Na1.0Li0.2Ni0.25Mn0.75O2中的锂的存在为循环期间的结构稳定性提供了一些改进，但这些化合物的可逆容量由于有限量(25％)的氧化还原活性二价Ni而仍然太低。Kim等人在2014年6月10-14日的意大利科莫的第17届锂电池国际会议进行的陈述的摘要中报导了增加容量以更接近180mAhg-1的理论值的尝试，并且涉及使用Na1-xLixNi0.5Mn0.5O2(Na/Li＝1.0)。在这项工作期间，Kim等人注意到在这种材料中存在P2和O3层状相的交互生长，他们推测该交互生长稳定晶体结构并导致改善的可逆容量。报导了x＝0.3化合物的最佳容量结果，其也对应于具有最高P2百分比的化合物。O3堆叠的x＝0材料是性能最低的。最近在Y.ShirleyMeng和D.H.Lee的另一篇论文Phys.Chem.Chem.Phys.,2013,15,3304中，报导了P2-Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2显示优异的循环和高速率能力，然而这些结果仅当材料在4.22V以下充电时才能实现；在4.22V以上，在循环期间由于从P2到O2的相转变而不能保持充电容量。总之，以上讨论的金属氧化物特别是在宽范围内的充电电压下受到低充电比容量或不良的循环稳定性的阻碍，因此，这些化合物在Na离子电池中的商业应用受到限制。目前工作人员已经开发了新的电极，其包含能够提供优异的比容量性能而在循环时具有很少衰减或没有衰减的特定的含掺杂的镍酸盐的组合物。此外，已发现用于本专利技术的电极的含掺杂的镍酸盐的组合物在通常导致其从P2到O2的相转变的电压条件下实现这些优异的结果；这是优于现有技术中描述的用于电极中的化合物的显著改进。因此，本专利技术可以用于提供能够多次再充电而没有显著的充电容量损失的电极。有利地，这些电极可以用于电池，尤其是可再充电电池、电化学装置和电致变色器件中。因此，本专利技术提供包括含掺杂的镍酸盐的组合物的电极，所述含掺杂的镍酸盐的组合物包含第一组分类型，其包括一种或多种具有以下通式的O3结构的组分：AaM1VM2WM3XM4yM5ZO2其中A包括一种或多种选自钠、锂和钾的碱金属；M1为2+氧化态的镍，M2包括一种或多种4+氧化态的金属，M3包括一种或多种2+氧化态的金属，M4包括一种或多种4+氧化态的金属，和M5包括一种或多种3+本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极，其包括混合相含掺杂的镍酸盐的组合物，所述混合相含掺杂的镍酸盐的组合物包含：第一组分类型，其包括一种或多种具有O3结构的化合物；以及一种或多种选自以下的组分类型：第二组分类型，其包括一种或多种具有P2结构的组分，和第三组分类型，其包括一种或多种具有P3结构的组分；所述混合相含掺杂的镍酸盐的组合物由以下加权平均式表示：A”’a”’M1”’V”’M2”’W”’M3”’X”’M4”’y”’M5”’Z”’O2其中A”’包括一种或多种选自钠、锂和钾的碱金属；M1”’为2+氧化态的镍，M2”’包括一种或多种4+氧化态的金属，M3”’包括一种或多种2+氧化态的金属，M4”’包括一种或多种4+氧化态的金属，和M5”’包括一种或多种3+氧化态的金属，其中0.4≤a”’

【技术特征摘要】
2014.05.22 GB 1409163.11.一种电极，其包括混合相含掺杂的镍酸盐的组合物，所述混合相含掺杂的镍酸盐的组合物包含：第一组分类型，其包括一种或多种具有O3结构的化合物；以及一种或多种选自以下的组分类型：第二组分类型，其包括一种或多种具有P2结构的组分，和第三组分类型，其包括一种或多种具有P3结构的组分；所述混合相含掺杂的镍酸盐的组合物由以下加权平均式表示：A”’a”’M1”’V”’M2”’W”’M3”’X”’M4”’y”’M5”’Z”’O2其中A”’包括一种或多种选自钠、锂和钾的碱金属；M1”’为2+氧化态的镍，M2”’包括一种或多种4+氧化态的金属，M3”’包括一种或多种2+氧化态的金属，M4”’包括一种或多种4+氧化态的金属，和M5”’包括一种或多种3+氧化态的金属，其中0.4≤a”’<1；0<v”’<0.5；w”’和y”’中至少一个>0；x”’≥0；z”’≥0；其中选择a”’、v”’、w”’、x”’、y”’和z”’以保持电中性。2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述混合相含掺杂的镍酸盐的组合物包含：i)单一化合物，所述单一化合物包括包含一种或多种具有O3结构的组分的离散区域以及具有P2和P3结构中的一种或两者的组分的离散区域；或ii)物理混合物，所述物理混合物包含一种或多种具有O3结构的化合物以及一种或多种具有P2和/或P3结构的化合物；或iii)其将...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·塞耶斯，J·巴克，R·希普，
申请(专利权)人：法拉典有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB