一种双策略改性层状氧化物钠离子电池正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种双策略改性层状氧化物钠离子电池正极材料及其制备方法和应用，该正极材料是通过Mg

【技术实现步骤摘要】
一种双策略改性层状氧化物钠离子电池正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池
，具体涉及一种双策略改性层状氧化物钠离子电池正极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]能源作为人类社会文明发展的三大支柱之一，一直以来都是人们关注的热点问题。而诸如煤炭、石油等传统不可再生化石能源的耗竭，使得人们对风能、太阳能、水电等可再生能源的关注度越来越高。但是遗憾的是，此类可再生能源具有地域性和不连续性的特点，其不能直接并入电网，需要先用能源存储设备进行存储。而钠离子电池因为钠丰度高以及与锂离子电池相似的工作原理，近年来在储能领域的呼声越来越高，被认为是锂离子电池后的最有希望的下一代储能器件。层状氧化物材料作为钠离子电池中一类非常重要的正极材料，因为高电压和比容量、合成工艺简单以及良好的振实(压实)密度，在科研和工业界一直都占据着重要的地位，但是其循环稳定性仍然差强人意。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种Mg
2+
掺杂协同ZrO2表面改性的双策略改性层状氧化物钠离子电池正极材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的正极材料具有高的工作电压、优异的循环稳定性以及良好的倍率性能，且本专利技术的制备方法简单、产率高、成本低廉。
[0004]本专利技术为实现目的，采用如下技术方案：
[0005]本专利技术首先提供了一种双策略改性层状氧化物钠离子电池正极材料，所述钠离子电池正极材料是通过Mg
2+
掺杂协同ZrO2表面改性的双策略对P2型镍锰基层状过渡金属氧化物Na
0.67
Ni
0.33
Mn
0.67
O2进行了改性而获得；所述钠离子电池正极材料的化学式为Na
0.67
Ni
0.33
‑
x
Mg
x
Mn
0.67
O2‑
n％ZrO2，0<x<0.2，0≤N≤3，n表示ZrO2在钠离子电池正极材料中的质量百分比。优选为0<x<0.15、0.5％≤n％≤2％，进一步优选为0<x<0.1、1％≤n％≤2％。所述钠离子电池正极材料为ZrO2表面修饰的Mg
2+
掺杂层状氧化物颗粒材料，所述颗粒的粒径为2～5μm。
[0006]本专利技术还提供了一种上述钠离子电池正极材料的制备方法，是通过溶胶
‑
凝胶法结合湿化学法进行制备，包括以下步骤：
[0007]A)将钠源化合物、镍源化合物、镁源化合物和锰源化合物按照摩尔比与螯合剂溶解于水中后，加热挥发溶剂，得到凝胶前驱体；
[0008]B)将所述凝胶前驱体干燥后进行研磨，得到前驱体粉末；
[0009]C)将所述前驱体粉末依次经过两步煅烧，得到Mg
2+
掺杂的P2型镍锰基层状过渡金属氧化物Na
0.67
Ni
0.33
‑
x
Mg
x
Mn
0.67
O2；
[0010]D)将步骤C)所得产物分散于乙醇中，随后加入相应质量百分比的锆源化合物，搅
拌并加热挥发溶剂，得到混合物粉末；
[0011]E)将混合物粉末进行研磨，随后经过一步煅烧，即完成ZrO2表面改性，获得目标产物钠离子电池正极材料。
[0012]优选的：所述钠源化合物选自醋酸钠、硝酸钠、草酸钠和柠檬酸钠中的一种或多种；所述镍源化合物选自醋酸镍、硝酸镍、草酸镍、硫酸镍和氯化镍中的一种或多种；所述镁源化合物选自醋酸镁、硝酸镁、草酸镁、硫酸镁和氯化镁中的一种或多种；所述锰源化合物选自醋酸锰、硝酸锰、草酸锰、硫酸锰和氯化锰中的一种或多种；所述锆源化合物选自醋酸锆、硝酸锆、正丙醇锆、异丙醇锆、正丁醇锆和氯化锆中的一种或多种；所述螯合剂选自柠檬酸、草酸、酒石酸或乙二胺四乙酸。
[0013]优选的，步骤C)中，所述前驱体粉末的两步煅烧均在空气气氛下进行，分为第一步煅烧和第二步煅烧；所述第一步煅烧的升温速率为1～10℃/min，升温至350～600℃，保温至有机物充分分解；所述第二步煅烧的升温速率为1～10℃/min，升温至800～1000℃，保温10～24h至形成无杂相的P2相结构。
[0014]优选的，步骤E)中，所述混合物粉末的一步煅烧在空气气氛下进行，升温速率为1～10℃/min，升温至400～600℃，保温6～10h至形成ZrO2表面改性层。
[0015]本专利技术还提供了一种钠离子电池正极片，由活性正极材料、导电添加剂、粘结剂和溶剂制备而成，所述活性正极材料选自所述双策略改性层状氧化物钠离子电池正极材料。其中：所述导电添加剂可选自Super
‑
P、炭黑、科琴黑中的一种或多种；所述粘结剂可选自聚偏氟乙烯或聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠中的一种或多种；所述溶剂可选自N
‑
甲基吡咯烷酮或者去离子水中的一种。
[0016]本专利技术还提供了一种上述钠离子电池正极片的制备方法，是将正极材料、导电添加剂、粘结剂和溶剂混合后，经过涂片和干燥制备得到。本专利技术对所述混合、涂片以及干燥的具体方法没有特殊限制，本领域技术人员公知的方法即可。
[0017]本专利技术还提供了一种钠离子电池，由正极片、隔膜、有机电解液和负极金属钠组成，所述正极片为上述采用双策略改性层状氧化物钠离子电池正极材料的钠离子电池正极片。所述有机电解液为碳酸酯电解液，浓度为0.1～2M，优选为1M。所述有机电解液中，溶剂可选自碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯以及氟化碳酸乙烯酯中的至少一种，优选为碳酸丙烯酯和氟化碳酸乙烯酯的混合溶剂；溶质选自六氟磷酸钠、高氯酸钠、双三氟甲基磺酰亚胺钠中的至少一种，优选为高氯酸钠。所述隔膜优选为玻璃纤维。
[0018]本专利技术还提供了一种上述钠离子电池在电动汽车、太阳能和风能发电、智能电网调峰、分布电站或通信基地大规模能量储能器件中的应用。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0020]1、本专利技术提供的Na
0.67
Ni
0.33
‑
x
Mg
x
Mn
0.67
O2‑
n％ZrO2化合物，作为改性的钠离子电池正极材料，丰富了钠离子电池的材料体系。
[0021]2、本专利技术提供的正极材料具有工作电压高、结构稳定、循环稳定性好、大电流密度下倍率性能好等优势，相对于未改性材料性能提升显著，在钠离子电池正极材料中具有良好的应用前景。
[0022]3、本专利技术的正极材料采用简单的溶胶
‑
凝胶法结合湿化学法即可制备获得，流程
简单、易于控制，容易实现大批量生产，且产率高、成本低廉，所使用原料安全无毒、环境友好，具有较好的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双策略改性层状氧化物钠离子电池正极材料，其特征在于：所述钠离子电池正极材料是通过Mg
2+
掺杂协同ZrO2表面改性的双策略对P2型镍锰基层状过渡金属氧化物Na
0.67
Ni
0.33
Mn
0.67
O2进行了改性而获得；所述钠离子电池正极材料的化学式为Na
0.67
Ni
0.33
‑
x
Mg
x
Mn
0.67
O2‑
n％ZrO2，0<x<0.2，0≤n％≤3％，n％表示ZrO2在钠离子电池正极材料中的质量百分比。2.一种如权利要求1所述的钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，通过溶胶
‑
凝胶法结合湿化学法进行制备，包括以下步骤：A)将钠源化合物、镍源化合物、镁源化合物和锰源化合物按照摩尔比与螯合剂溶解于水中后，加热挥发溶剂，得到凝胶前驱体；B)将所述凝胶前驱体干燥后进行研磨，得到前驱体粉末；C)将所述前驱体粉末依次经过两步煅烧，得到Mg
2+
掺杂的P2型镍锰基层状过渡金属氧化物Na
0.67
Ni
0.33
‑
x
Mg
x
Mn
0.67
O2；D)将步骤C)所得产物分散于乙醇中，随后加入相应质量百分比的锆源化合物，搅拌并加热挥发溶剂，得到混合物粉末；E)将混合物粉末进行研磨，随后经...

【专利技术属性】
技术研发人员：章根强，万广林，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：