一种P2型钠离子电池正极材料及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了一种P2型钠离子电池正极材料及其制备方法、应用，一种P2型钠离子电池正极材料Na

【技术实现步骤摘要】
一种P2型钠离子电池正极材料及其制备方法、应用


[0001]本专利技术属于电池
，具体涉及一种P2型钠离子电池正极材料及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]钠离子电池具有钠资源丰富、分布广泛和成本低的优势，在大规模储能领域具有很好的应用前景。正极材料作为钠离子电池中钠的主要来源，直接决定了钠离子电池的能量密度，正极材料在充放电过程中的结构稳定性，影响着电池的循环和倍率性能。因此，研发容量高、循环稳定和快充性能优异的正极材料至关重要。
[0003]在众多正极材料中，P2型层状氧化物具有较高的理论容量和易于钠离子扩散的传输路径，适合应用在快充钠离子电池中。但P2型材料在充电到高电压时会发生不可逆的P2
‑
O2相变，严重降低P2型层状氧化物的循环稳定性；在充放电过程中会出现多种钠/空位有序结构，导致材料的快充性能下降。例如Dahn等报道的Na
2/3
[Ni
1/3
Mn
2/3
]O2，在2.0
‑
4.5V的可逆比容量可达150mAh/g，但原位XRD结果表明4.1V左右的平台对应着P2
‑
O2相变，同时伴随着巨大的体积变化，从而导致了比容量的快速衰减。研究人员通过元素替代/掺杂的方法，抑制P2型层状氧化物在充放电过程中出现的有序结构和不可逆相变，进而改善P2层状氧化物的循环和倍率性能。Komaba等通过掺杂Ti替代部分Mn得到的Na
2/3
[Ni
1/3
Mn/>1/2
Ti
1/6
]O2循环性能得到一定提升，但可逆比容量出现下降。现有技术中主要是通过一种或两种元素逐步替代的方法，提升其中部分性能，难以全面快速地提升钠离子电池的综合性能。

技术实现思路

[0004]针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提供一种可精确控制不同元素的含量范围，全面提升钠离子电池容量、循环、倍率性能的P2型钠离子电池正极材料及其制备方法、应用。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种P2型钠离子电池正极材料，其化学式为：Na
x
Ni
a
Cu
b
Fe
c
Mn
d
Ti
e
M
f
O2，其中，M为Li
+
、Mg
2+
、Zn
2+
、Al
3+
、Co
3+
、Sn
4+
、V
4+
、Zr
4+
、La
3+
、Nb
5+
中的一种或多种，0.6≤x≤0.75，0.15≤a≤0.35，0.02≤b≤0.15，0.02≤c≤0.2，0.25≤d≤0.45，0.1≤e≤0.3，0≤f≤0.1，a+b+c+d+e+f＝1。
[0006]本专利技术还提供了所述P2型钠离子电池正极材料的制备方法，所述制备方法为固相法。
[0007]进一步地，所述P2型钠离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)按比例取适量的钠盐、氧化镍、氧化铜、氧化铁、二氧化锰、二氧化钛和M的氧化物，混合成前驱体；
[0009](2)将所述前驱体置于马弗炉内低温烧结，取出研磨后进行高温烧结；
[0010](3)取烧结后粉末研磨，得到P2型钠离子电池正极材料。
[0011]进一步地，所述步骤(1)中，所述钠盐为碳酸钠或硝酸钠。
[0012]进一步地，所述步骤(2)中，将所述前驱体粉末置于马弗炉内，以100
‑
500℃烧结1
‑
5h后，取出充分研磨，再以800
‑
1100℃烧结12
‑
24h。
[0013]本专利技术还提供了所述P2型钠离子电池正极材料的制备方法，所述制备方法为溶胶
‑
凝胶法。
[0014]进一步地，所述P2型钠离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0015](1)将所需钠的化学计量的盐、电极材料所需元素的盐及掺杂元素M的盐按化学计量比溶解混合成前驱体溶液；
[0016](2)对前驱体溶液在加热条件下搅拌，加入螯合剂蒸干形成前驱体凝胶；
[0017](3)将所述前驱体凝胶置于坩埚中，低温加热预烧后高温热处理得到前驱体粉末；
[0018](4)将所述前驱体粉末研磨，得到P2型钠离子电池正极材料。
[0019]进一步地，所述步骤(1)中，钠的化学计量的盐为100wt％～108wt％的乙酸钠、硝酸钠、碳酸钠或硫酸钠中的一种；所述掺杂元素电极材料所需元素为镍、铜、铁、锰、钛；所述掺杂元素M为Li
+
、Mg
2+
、Zn
2+
、Al
3+
、Co
3+
、Sn
4+
、V
4+
、Zr
4+
、La
3+
、Nb
5+
中的一种或多种；所述盐为硝酸盐或硫酸盐。
[0020]进一步地，所述步骤(2)中，加热温度为50℃～100℃。
[0021]进一步地，所述步骤(3)中，加热温度100℃～500℃，时间2h；热处理600℃～1000℃，时间2～24h。
[0022]进一步地，所述P2型钠离子电池正极材料为P2型钠离子电池层状氧化物正极材料。
[0023]本专利技术还提供了所述P2型钠离子电池正极材料的应用，作为电池正极材料的活性物质用于钠离子电池的制备。
[0024]采用本专利技术的技术方案带来的有益效果是，一种P2型钠离子电池正极材料，Na
x
Ni
a
Cu
b
Fe
c
Mn
d
Ti
e
M
f
O2，并对各元素含量进行相应限定；本专利技术的材料涉及多种元素，其中Fe、Mn来源丰富，成本低，且在制备过程中Fe可通过Fe
3+
/Fe
4+
氧化还原反应为材料提供一定容量，若材料中Fe
4+
含量过高，则会造成Fe
4+
从过渡金属层迁移到钠层，最终降低材料的循环稳定性；为抑制Fe
4+
迁移，并保证层状氧化物具有足够的电荷补偿，本专利技术在制备过程同时加入Ni，利用Ni
2+
/Ni
3+
/Ni
4+
的多电子氧化还原反应，为材料提供高容量，并严格控制Ni的含量，避免出现NiO杂质；同时加入可变价的Cu在保证高容量的情况下，进一步提升材料在空气中的稳定性；但Cu的固溶度不高，要对其掺杂量进行控制。另本专利技术中将部分Mn
4+
用Ti
4+本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种P2型钠离子电池正极材料，其特征是，所述P2型钠离子电池正极材料化学式为：Na
x
Ni
a
Cu
b
Fe
c
Mn
d
Ti
e
M
f
O2；其中，M为Li
+
、Mg
2+
、Zn
2+
、Al
3+
、Co
3+
、Sn
4+
、V
4+
、Zr
4+
、La
3+
、Nb
5+
中的一种或多种，0.6≤x≤0.75，0.15≤a≤0.35，0.02≤b≤0.15，0.02≤c≤0.2，0.25≤d≤0.45，0.1≤e≤0.3，0≤f≤0.15，a+b+c+d+e+f＝1。2.根据权利要求1所述的一种P2型钠离子电池正极材料的制备方法，其特征是，所述P2型钠离子电池正极材料的制备方法为固相法或溶胶
‑
凝胶法。3.根据权利要求1所述的一种P2型钠离子电池正极材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：(1)按比例取适量的钠盐、氧化镍、氧化铜、氧化铁、二氧化锰、二氧化钛和M的氧化物按比例混合成前驱体；(2)将所述前驱体置于马弗炉内低温烧结，取出研磨后进行高温烧结；(3)取烧结后粉末研磨，得到P2型钠离子电池正极材料Na
x
Ni
a
Cu
b
Fe
c
Mn
d
Ti
e
M
f
O2。4.根据权利要求3所述的一种P2型钠离子电池正极材料的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中，所述钠盐为碳酸钠或硝酸钠。5.根据权利要求3所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈东风，孙凯，郭浩，高健翔，焦学胜，马小柏，李正耀，胡旭峰，王洪亮，田庚方，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：