一种基于三相异质共生结构的层状氧化物正极材料的制备方法及一种钠离子电池技术

本发明专利技术涉及新能源材料技术领域，尤其涉及一种三相异质共生结构的层状氧化物钠离子电池正极材料的制备。所述正极材料的化学组成为Na

【技术实现步骤摘要】
一种基于三相异质共生结构的层状氧化物正极材料的制备方法及一种钠离子电池


[0001]本专利技术属于新能源材料
，具体的涉及一种基于三相异质共生结构的层状氧化物正极材料的制备方法及一种钠离子电池。

技术介绍

[0002]电化学储能技术因其可以实现能源的合理存储和传输而成为研究热点。在储能技术升级变革的进程中，钠离子电池以其钠资源储量丰富、氧化还原电势低、生产成本低、安全性高等优点成为被广泛研究的储能技术。然而，由于钠离子较大的离子半径和迟缓的扩散动力学速率，钠离子电池的能量密度、循环寿命和功率密度受到了极大程度的制约。如何进一步提高其能量密度和使用寿命已然成为推动钠离子电池迈向产业化应用的过程中面临的主要问题。与锂离子电池的情况类似，正极材料对钠离子电池整体的性能与成本具有极大的影响。目前已证实多种结构的正极材料具有良好的储钠活性，如过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士蓝类似物及有机化合物等。
[0003]层状过渡金属氧化物具备制备工艺简单、比容量高、离子电导率高和环境友好等优点，因此引起了研究人员的广泛关注。迄今为止，人们已经探索了大量钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料的晶体结构，包括P2型、O3型和尖晶石型等。P2型正极材料的钠离子采取三棱柱的占位方式，氧层以ABBA的方式排列。O3型正极材料的钠离子占据八面体位点，氧层以ABCABC的方式排列。尖晶石型正极材料能够提供较高的导电性和稳定的结构骨架，有利于钠离子的嵌入和脱出。根据目前的研究发展来看，大多数层状氧化物正极材料表现出单相结构，所以电化学性能受到限制。值得注意的是，现阶段报道的两相复合结构可以利用两者的协同作用，综合不同结构的优点从而改善电化学性能。然而，复合结构在电化学循环过程中通常会发生一系列复杂的相转变，容易诱发复杂的电化学行为，不可避免地导致晶格体积的大幅度膨胀和收缩。频繁的结构转变不利于结构稳定性，导致动力学迟缓，电化学性能差。
[0004]为了解决上述问题，本专利技术通过简单的丙烯酸热聚合方法结合高温固相烧结合成了具备层状P2@P3尖晶石复合结构的正极材料。该正极材料具有独特的晶体结构，充放电过程中呈现出简单的结构演化，表明采用合理的化学元素取代调控局域化学是抑制相转变的有效手段，可以改善钠离子电池层状氧化物正极材料的电化学性能。研究一种具有简单可逆相转变的正极材料是发展钠离子电池的必然趋势。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于三相异质共生结构的层状氧化物正极材料的制备方法，以解决充放电过程中频繁的结构转变导致的结构稳定性差，动力学迟缓，电化学性能差的问题。
[0006]本专利技术的第一个目的是提供层状P2@P3尖晶石三相异质共生结构层状氧化物正极
材料Na
0.5
Ni
0.2
‑
x
Co
0.15
Mn
0.65
A
x
O2的制备方法，包括如下步骤：
[0007]采用简单的丙烯酸热聚合方法结合高温固相烧结，按照Na
0.5
Ni
0.2
‑
x
Co
0.15
Mn
0.65
A
x
O2中各元素的化学计量比(乙酸钠：乙酸镍：乙酸钴：乙酸锰：乙酸镁/乙酸锌/乙酸铜＝0.5：0.2
‑
x：0.15：0.65：x)准确称取定量的醋酸盐溶解在去离子水中，加入适量的丙烯酸溶液和硝酸溶液，将混合溶液放入烘箱中进行热聚合反应，得到的前驱体研磨成粉末在马弗炉中煅烧，冷却至室温即得所述三相异质共生结构层状氧化物正极材料。
[0008]本专利技术的第二个目的是提供抑制钠离子电池三相异质共生结构层状氧化物正极相转变的方法，其特征在于，所述三相异质共生结构层状氧化物正极材料为Na
0.5
Ni
0.2
‑
x
Co
0.15
Mn
0.65
A
x
O2。
[0009]为抑制层状P2@P3尖晶石三相异质共生结构层状氧化物正极材料中存在的复杂相转变，本专利技术通过半径相近和价态相同的化学元素进行取代调控局域化学，有效抑制正极材料在充放电过程中的相转变，提高层状结构的稳定性，进而提高正极材料的电化学性能。
[0010]本专利技术的第三个目的是提供P2@P3尖晶石三相异质共生结构层状氧化物正极材料Na
0.5
Ni
0.2
‑
x
Co
0.15
Mn
0.65
A
x
O2的应用，以所述正极材料Na
0.5
Ni
0.2
‑
x
Co
0.15
Mn
0.65
A
x
O2作为电池的正极材料组装成钠离子电池，在1.5
‑
4.0V和1.5
‑
4.3V的电压窗口下进行充放电测试得到其电化学性能。
[0011]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案：
[0012]采用丙烯酸热聚合方法结合高温固相烧结的方法合成P2@P3尖晶石三相异质共生结构层状氧化物正极材料，探索不同的实验条件对材料性能的影响，确定最优的合成工艺。基于此，采用化学元素取代调控局域化学抑制材料在充放电过程中发生的复杂相转变，从而获得具有相转变过程简单，能量密度高，稳定性好的钠离子电池三相异质共生结构层状氧化物正极材料。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0014]一、本专利技术采用简单的丙烯酸热聚合方法结合高温固相烧结的方法成功制备出具有P2@P3尖晶石三相异质共生结构的层状氧化物正极材料。
[0015]二、本专利技术制备的三相异质共生结构层状氧化物正极材料通过半径相近和价态相同的化学元素进行取代调控局域化学，成功抑制了Na
0.5
Ni
0.2
Co
0.15
Mn
0.65
O2正极材料中存在的复杂相转变。
[0016]三、本专利技术制备的P2@P3尖晶石三相异质共生结构层状氧化物正极材料Na
0.5
Ni
0.2
‑
x
Co
0.15
Mn
0.65
A
x
O2在1.5
‑
4.0V和1.5
‑
4.3V的电压窗口下均表现出平滑的充放电曲线，表明在1.5
‑
4.3V的电压窗口下也表现出简单的相转变。
[0017]四、本专利技术提供了一种P2@P3尖晶石三相异质共生结构层状氧化物正极材料Na
0.5
Ni
0.2
‑
x
Co
0.15
Mn
0.65
A...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三相异质共生结构的层状氧化物正极材料，其特征在于，所述三相异质共生结构层状氧化物正极材料为Na
0.5
Ni
0.2
‑
x
Co
0.15
Mn
0.65
A
x
O2，所述取代元素A选自Mg或者Zn或者Cu，所述x的范围大于等于0小于等于0.15。2.如权利要求1所述一种基于三相异质共生结构的层状氧化物正极材料，其特征在于，所述三相异质共生结构层状氧化物正极材料为P2@P3尖晶石三相异质共生结构。3.权利要求1所述一种基于三相异质共生结构的层状氧化物正极材料，其特征在于：所述三相异质共生结构层状氧化物正极材料制备方法为，按照Na
0.5
Ni
0.2
‑
x
Co
0.15
Mn
0.65
A
x
O2中各元素的化学计量比(乙酸钠：乙酸镍：乙酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖遥，胡海燕，侴术雷，朱燕芳，
申请(专利权)人：温州大学碳中和技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：