多元共掺杂钠离子正极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提出一种多元共掺杂钠离子正极材料，其特征在于，正极材料为O3相，空间群为R

【技术实现步骤摘要】
多元共掺杂钠离子正极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及材料
，且特别涉及一种多元共掺杂钠离子正极材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]近年锂离子电池呈爆发性成长，3C、储能与动力领域的需求逐日增加。然而，锂离子电池面临锂资源与镍、钴矿匮乏等问题，尤其是锂矿的价格逐年攀升，即使将全球已勘探的所有锂资源全部开采也不足以满足爆发性成长的锂离子电池需求。此外，全球锂资源分布极为不均，我国80％的锂矿需从南美进口，带给国家能源安全严重隐患。因此开始寻找资源丰度大、分布广、价格低廉、电化学性能好的其他碱金属元素电池。钠离子电池除具备上述优点外，还可与锂离子电池完美兼容，大部分的辅材与工艺是相同或类似的。
[0003]钠离子电池主要由正极、负极、隔膜电解液及其他辅材组成。正极的性能决定着电池的性能。常用的钠离子正极材料普遍存在比容量低(小于135mAh/g)、结构稳定性和空气稳定性差等缺点。为获得更高容量的途径主要有：拓宽电压区间、引入活性晶格氧、电化学活性元素掺杂(主要提升Ni含量)。前两者会牺牲材料的循环寿命，而且结构稳定性和高容量往往难以兼得，可能引起放电均压的下降；后者会大大增加原料成本，与钠离子正极材料低成本理念相违背。最常用解决的方案是通过掺杂优化结构，但单一元素掺杂效果往往有限，无法在结构和性能多方面提升。也就是说，为获得长循环寿命，可通过元素掺杂来稳定结构，然而单一元素掺杂不能兼顾高容量和长循环的设计要求。
[0004]常见的钠离子正极主要有氧化物、普鲁士蓝、聚阴离子型等三大类型。氧化物以高比容量、低成本、高电压、原料来源广泛和环境友好等优点，逐渐成为学术界和产业界的技术热点。然而，氧化物正极材料面临相变引起的结构稳定性差、容量衰减快和空气稳定性差等问题，造成大规模商业化进程缓慢。

技术实现思路

[0005]本专利技术之目的在于通过多元素共掺杂方式，实现多元素的协同作用，达到共同改善正极材料结构和电化学性能的目的。
[0006]是以，本专利技术提出一种多元共掺杂钠离子正极材料，其特征在于：正极材料为O3相，空间群为R
‑
3m，其化学式为Na
α
M
a
Li
b
Cu
c
Ti
d
O
2+β
，其中M为Ni、Co、Mn、Cr、V、Al、Fe、B、Si、Mg、Zn中的至少一种，且0.5≤α≤1，
‑
0.1≤β≤0.1，0＜a＜0.95，0＜b＜0.25，0＜c＜0.3，0＜d＜0.6，a+b+c+d＝1，且满足电中性。
[0007]较佳地，M为Ni、Mn、Fe中的一种、二种或三种。
[0008]较佳地，0.05≤a+b+c＜1。
[0009]本专利技术另提出一种上述多元共掺杂钠离子正极材料的制备方法，其特征在于，方法包括：依照化学式Na
α
M
a
Li
b
Cu
c
Ti
d
O
2+β
中Na元素、M元素、Li元素、Cu元素、Ti元素的原子数比秤取适量的含Na元素的化合物、含M元素的化合物、含Li元素的化合物、含Cu元素的化合物、
与含Ti元素的化合物，混合得到混合料；以及将混合料煅烧得到多元共掺杂钠离子正极材料。
[0010]较佳地，含M元素的化合物、含Li元素的化合物、含Cu元素的化合物、与含Ti元素的化合物独立地为金属氧化物、金属硝酸盐、金属硫酸盐、金属碳酸盐、与金属氯化物中的至少一种。
[0011]较佳地，含Na元素的化合物为碳酸钠、氢氧化钠、与碳酸氢钠中的至少一种。
[0012]较佳地，含Na元素的化合物的秤取量为依照Na元素、M元素、Li元素、Cu元素、Ti元素的原子数比所计算取得的理论量的100％至110％。
[0013]较佳地，含Na元素的化合物的秤取量为理论量的102％至106％。
[0014]较佳地，含Li元素的化合物的秤取量为理论量的100％至110％。
[0015]较佳地，含Li元素的化合物的秤取量为理论量的102％至106％。
[0016]较佳地，混合步骤包括将含Na元素的化合物、含M元素的化合物、含Li元素的化合物、含Cu元素的化合物、与含Ti元素的化合物，混合机械球磨得到混合料。
[0017]较佳地，机械球磨的速度为100至1000rpm，时间为1至48小时。
[0018]较佳地，煅烧温度为700至1050℃，时间为6至36小时，升温速率为1至20℃/分钟。
[0019]本专利技术另提出一种上述多元共掺杂钠离子正极材料的制备方法，其特征在于，方法包括：依照化学式MCO3或M(OH)2中M元素的原子数比秤取适量的含M元素的硝酸盐或含M元素的硫酸盐溶于水中，用沉淀剂与络合剂调节pH使其均匀沉淀，干燥后得到前驱物MCO3或M(OH)2；依照化学式Na
α
M
a
Li
b
Cu
c
Ti
d
O
2+β
中Na元素、M元素、Li元素、Cu元素、Ti元素的原子数比秤取适量的含Na元素的化合物、含Li元素的化合物、含Cu元素的化合物、含Ti元素的化合物、与前驱物MCO3或M(OH)2，混合得到混合料；以及将混合料煅烧得到多元共掺杂钠离子正极材料。
[0020]较佳地，含Li元素的化合物、含Cu元素的化合物、与含Ti元素的化合物独立地为金属氧化物、金属硝酸盐、金属硫酸盐、金属碳酸盐、与金属氯化物中的至少一种。
[0021]较佳地，含Na元素的化合物为碳酸钠、氢氧化钠、与碳酸氢钠中的至少一种。
[0022]较佳地，含Na元素的化合物的秤取量为依照Na元素、M元素、Li元素、Cu元素、Ti元素的原子数比所计算取得的理论量的100％至110％。
[0023]较佳地，含Na元素的化合物的秤取量为理论量的102％至106％。
[0024]较佳地，含Li元素的化合物的秤取量为理论量的100％至110％。
[0025]较佳地，含Li元素的化合物的秤取量为理论量的102％至106％。
[0026]较佳地，前驱物得到步骤中的pH为7.5至13，沉淀剂为氢氧化钠或碳酸钠，络合剂为氨水，干燥温度为80至150℃，干燥时间为6至48小时。
[0027]较佳地，混合步骤包括将含Na元素的化合物、含Li元素的化合物、含Cu元素的化合物、含Ti元素、与前驱物MCO3或M(OH)2的化合物，混合机械球磨得到混合料。
[0028]较佳地，机械球磨的速度为100至1000rpm，时间为1至48小时。
[0029]较佳地，煅烧温度为700至1050℃，时间为6至36小时，升温速率为1至20℃/分钟。
[0030]本专利技术另提供一种钠离子电池，其特征在于，钠离子电池包括上述多元共掺杂钠离子正极材料。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多元共掺杂钠离子正极材料，其特征在于，所述正极材料为O3相，空间群为R
‑
3m，其化学式为Na
α
M
a
Li
b
Cu
c
Ti
d
O
2+β
，其中M为Ni、Co、Mn、Cr、V、Al、Fe、B、Si、Mg、Zn中的至少一种，且0.5≤α≤1，
‑
0.1≤β≤0.1，0＜a＜0.95，0＜b＜0.25，0＜c＜0.3，0＜d＜0.6，a+b+c+d＝1，且满足电中性。2.依据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，M为Ni、Mn、Fe中的一种、二种或三种。3.依据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，0.05≤a+b+c＜1。4.一种依据权利要求1所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：依照化学式Na
α
M
a
Li
b
Cu
c
Ti
d
O
2+β
中Na元素、M元素、Li元素、Cu元素、Ti元素的原子数比秤取适量的含Na元素的化合物、含M元素的化合物、含Li元素的化合物、含Cu元素的化合物、与含Ti元素的化合物，混合得到混合料；以及将所述混合料煅烧得到所述多元共掺杂钠离子正极材料。5.依据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述含M元素的化合物、所述含Li元素的化合物、所述含Cu元素的化合物、与所述含Ti元素的化合物独立地为金属氧化物、金属硝酸盐、金属硫酸盐、金属碳酸盐、与金属氯化物中的至少一种；且/或所述含Na元素的化合物为碳酸钠、氢氧化钠、与碳酸氢钠中的至少一种。6.依据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述含Na元素的化合物的秤取量为依照Na元素、M元素、Li元素、Cu元素、Ti元素的原子数比所计算取得的理论量的100％至110％；且/或所述含Li元素的化合物的秤取量为理论量的100％至110％。7.依据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述混合步骤包括：将所述含Na元素的化合物、所述含M元素的化合物、所述含Li元素的化合物、所述含Cu元素的化合物、与所述含Ti元素的化合物，混合机械球磨得到所述混合料，其中机械球磨的速度为100至1000rpm，时间为1至48小时。...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄志，邓城，吴惠康，袁远，郑田瑞，卢鹏，崔如玉，程跃，
申请(专利权)人：上海恩捷新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：