一种嵌钠金属化合物和钠离子电池正极材料制造技术

本发明专利技术涉及一种嵌钠金属化合物和钠离子电池正极材料，所述嵌钠金属化合物具有Na2O

【技术实现步骤摘要】
一种嵌钠金属化合物和钠离子电池正极材料


[0001]本专利技术涉及钠电池技术，尤其是一种嵌钠金属化合物和钠离子电池正极材料。

技术介绍

[0002]锂离子电池具有环境较为友好、能量密度高、可快速充放电等优势，目前是储能行业的重点产品，随着锂资源的耗用，锂电池上游原材料的价格上涨，开发新型能源的需求不断增长。
[0003]钠电池的安全性高，可以弥补锂电池的不足，同时钠资源储量丰富，钠电池成本低，因此，开发钠电池复合可持续发展的理念和市场的需求，其中主要的研究对象是钠离子电池正极材料的研究。
[0004]现有技术中钠离子电池正极材料的研究分为2种，一种是单纯的钠离子电池正极材料，例如过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士蓝等；另一种是钠锂掺杂，形成复合材料。通常，在复合材料烧结前，将钠源与其他材料采用机械物理混合，然后通过高温环境，使得钠作为掺杂元素与其他材料一起成型。
[0005]例如，专利申请CN 114678501 A公开了一种锰酸钠复合改性层状过渡金属氧化物正极材料，制备过程包括以下步骤：
[0006](1)将一定配比的钠氧化物或钠盐、其他金属氧化物置于球磨罐中，进行充分球磨，待混合均匀后将其进行高温煅烧即得层状过渡金属氧化物；
[0007](2)将(1)中的氧化物分散于去离子水中，加入可溶性锰盐和有机络合剂，充分混合后，将其置于聚四氟乙烯中进行水热反应，反应结束后制得MOF包覆的层状过渡金属氧化物前驱体；
[0008](3)将(2)中所得的前驱体与钠氧化物进行球磨混合，混合均匀后进行高温煅烧反应，即得。
[0009]该方法步骤(1)中通过添加钠氧化物或钠盐，与金属氧化物混合球磨，仅能在颗粒层面上实现混合，对这种混合物进行高温煅烧，得到是有杂相的晶体混合物，即钠元素和其他金属元素以各自的晶体存在，且二者金相结构不同，这种材料在充放电时首次充放电效率低，造成电池的使用受限。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是为了克服现有的钠离子电池材料首次放电效率偏低的问题，提供一种嵌钠金属化合物，采用湿法嵌钠反应，通过控制合适的反应条件，包括钠离子的浓度为5～12mol/L，pH值为10～13，反应温度为50～280℃，从而使钠元素的嵌入借助化学反应，进入氢氧化物晶格中，钠元素在材料内部更为均匀，达到原子级；而常规的钠离子电池正极材料的混合采用机械物理混合，混合效果仅达到颗粒级，钠元素无法达到原子级分散。
[0011]进一步地，本专利技术通过湿法嵌钠方案，在反应釜中进行湿法反应，能耗更低，产品中钠元素均匀更好，在后续烧结时可以降低烧结过程中烧结温度，从而保证钠离子电池正
极材料在足够的结晶强度条件下，具有更好的材料活性，在首次充放电中表现出极好的首效(首次放电效率)，同时在克容量、倍率性能等方面相对常规工艺具有更好的优势。
[0012]具体方案如下：
[0013]一种嵌钠金属化合物，所述嵌钠金属化合物具有Na2O
·
Me2O3固溶体结构，其中，Me为镍、钴、锰、铝、铁、铜中至少一种金属元素，钠离子位于金属氧化物Me2O3的晶格中而未改变其原有结构。
[0014]进一步的，Me为镍、钴、锰、铁、铜中至少一种金属元素，优选地，Me为代表镍、铁和锰。
[0015]进一步的，钠元素与Me摩尔比为(0.001～0.05):1，优选为(0.005～0.04):1，更优选为(0.01～0.03):1。
[0016]本专利技术还保护所述嵌钠金属化合物的制备方法，包括以下步骤：
[0017]S1，将金属氧化物或者氢氧化物、含钠金属化合物、氧化剂、水加入到反应器中；
[0018]S2，控制所述反应器的反应条件，所述反应条件包括：所述反应器中钠离子的浓度为5～12mol/L，pH值为10～13，反应温度为50～280℃，从而使钠离子嵌入所述金属氢氧化物结构中；
[0019]S3，将S2中反应物料进行固液分离，之后干燥，得到复合氢氧化物；
[0020]S4，将S3中所述复合氢氧化物进行热处理，所述热处理的温度为200～900℃，得到嵌钠金属化合物。
[0021]进一步的，S1中，所述金属氧化物或者氢氧化物为镍、钴、锰、铝、铁、铜的氧化物或者氢氧化物，或者镍、钴、锰、铝、铁、铜的混合金属氧化物或者氢氧化物；优选地，所述金属氧化物或者氢氧化物为镍铁锰的氧化物或者氢氧化物；
[0022]任选的，所述含钠金属化合物为氢氧化钠、乙酸钠、硝酸钠、硫酸钠、碳酸氢钠中的至少一种；
[0023]任选的，S1中各物质的加量为，金属氧化物或者氢氧化物中金属：含钠金属化合物中钠：氧化剂的摩尔量之比为(0.4～1.3)：1：(0.5～4)，优选为(0.8～1.2)：1：(1.0～3.0)，更优选为1：1：2。
[0024]所述氧化剂为氧气、空气、双氧水中的至少一种，优选为双氧水，所述双氧水在反应体系中起始浓度为5
‑
20wt％。
[0025]进一步的，S2中所述反应条件包括：所述反应器中钠离子的浓度为7～10mol/L，pH值为10～13，反应温度为100～250℃；
[0026]优选地，所述反应条件还包括：反应压力为0.1～50MPa，反应温度为100～250℃，反应时间为0.5～60h，更优选地，反应压力为2～30MPa，反应温度为120～200℃，反应时间为10～48h。
[0027]本专利技术还保护一种钠离子电池正极材料，采用所述嵌钠金属化合物，与含钠化合物混合进行煅烧后得到。
[0028]进一步的，所述含钠化合物选自氢氧化钠、乙酸钠、硝酸钠、硫酸钠、碳酸氢钠中的至少一种；所述煅烧的温度为500
‑
900℃，时间为12
‑
30h煅烧温度为500～900℃，优选为600～900℃；煅烧时间为12～30h，优选为15
‑
30h；烧结气氛为空气气氛或氧气气氛；
[0029]优选地，所述嵌钠金属化合物与所述含钠化合物混合时，按照Na：Me摩尔比＝
1.01
‑
1.1:1，优选为1.05
‑
1.1:1。
[0030]进一步的，所述钠离子电池正极材料，具有如下(1)至(3)项中的任意1项或者多项：
[0031](1)所述钠离子电池正极材料为由一次颗粒组成的类球形多晶材料，所述一次颗粒为厚度300
‑
500nm的片状粒子，所述钠离子电池正极材料具有多孔结构；
[0032](2)所述钠离子电池正极材料在2.0～4.0V、0.1C倍率下的首次放电容量，相比非嵌钠方法对应的钠离子电池正极材料提高3～5mAh/g；
[0033](3)所述钠离子电池正极材料在2.0～4.0V、0.1C倍率下的首次放电效率大于等于98％。
[0034]本专利技术还保护一种钠离子电池，包含所述钠离子电池正极材料。
[0035]有益效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种嵌钠金属化合物，其特征在于：所述嵌钠金属化合物具有Na2O
·
Me2O3固溶体结构，其中，Me为镍、钴、锰、铝、铁、铜中至少一种金属元素，钠离子位于金属氧化物Me2O3的晶格中而未改变其原有结构。2.根据权利要求1所述嵌钠金属化合物，其特征在于：Me为镍、钴、锰、铁、铜中至少一种金属元素，优选地，Me为代表镍、铁和锰。3.根据权利要求1或2所述嵌钠金属化合物，其特征在于：钠元素与Me摩尔比为(0.001～0.05):1，优选为(0.005～0.04):1，更优选为(0.01～0.03):1。4.一种权利要求1
‑
3任一项所述嵌钠金属化合物的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1，将金属氧化物或者氢氧化物、含钠金属化合物、氧化剂、水加入到反应器中；S2，控制所述反应器的反应条件，所述反应条件包括：所述反应器中钠离子的浓度为5～12mol/L，pH值为10～13，反应温度为50～280℃，从而使钠离子嵌入所述金属氢氧化物结构中；S3，将S2中反应物料进行固液分离，之后干燥，得到复合氢氧化物；S4，将S3中所述复合氢氧化物进行热处理，所述热处理的温度为200～900℃，得到嵌钠金属化合物。5.根据权利要求4所述嵌钠金属化合物的制备方法，其特征在于：S1中，所述金属氧化物或者氢氧化物为镍、钴、锰、铝、铁、铜的氧化物或者氢氧化物，或者镍、钴、锰、铝、铁、铜的混合金属氧化物或者氢氧化物；优选地，所述金属氧化物或者氢氧化物为镍铁锰的氧化物或者氢氧化物；任选的，所述含钠金属化合物为氢氧化钠、乙酸钠、硝酸钠、硫酸钠、碳酸氢钠中的至少一种；任选的，S1中各物质的加量为，金属氧化物或者氢氧化物中金属：含钠金属化合物中钠：氧化剂的摩尔量之比为(0.4～1.3)：1：(0.5～4)，优选为(0.8～1.2)：1：(1.0～3.0)，更优选为1：1：2；所述氧化剂为氧气、空气、双氧水中的至少一种，优选为双氧水，所述双氧水在反应体系中起始浓度为5
‑
20wt％。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：马跃飞，洪礼训，林予舒，曾雷英，魏国祯，
申请(专利权)人：厦门厦钨新能源材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：