一种钠离子电池层状锰基正极材料、制备方法及用途技术

本发明专利技术涉及一种新型钠离子电池层状锰基正极材料，其通式为Na

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池层状锰基正极材料、制备方法及用途


[0001]本专利技术涉及钠离子电池正极材料
，具体涉及一种钠离子电池层状锰基正极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳中和推动新能源产业蓬勃发展，面对国家战略和市场需求的崛起。锂离子电池的快速商业化促进了人类存储和利用清洁能源的效率，并广泛应用于移动通讯和新能源汽车领域，由于锂资源的分布不均和成本的不断攀升，使得钠离子电池作为最具潜力的替代电池得以迅速发展，新型钠离子电池正极材料的开发尤为重要。钠离子电池能够满足新能源领域低成本、长寿命和高安全性能等要求，可在一定程度上缓解锂资源短缺引发的储能电池发展受限问题，是锂离子电池的有益补充，同时可逐步替代铅酸蓄电池，进入低速电动车领域。钠离子电池可以锂钠AB混搭电池的形式弥补其能量密度短板，充分发挥其低温性能和快充方面的优势，预计于2023年以后正式商业化量产。钠离子电池中锰基层状材料具有廉价、容量大等特点被认为是最有希望商业化的正极材料之一。
[0003]但是锰基层状材料也有缺点，如空气中暴露结构会改变，循环过程中发生相变影响容量稳定性，大大降低了锰基层状材料的实用性。目前，钠离子电池的研究方向转向利用阴离子氧化还原，一方面提供额外的容量，另一方面起到稳定结构的作用。尽管氧具有很好的氧化还原特性，但高压阴离子氧化还原反应伴随着可逆容量衰减等电化学缺陷。例如在现有技术中的Na
2/3
[Mg
0.28
Mn
0.72
]O2层状材料(非专利文献1)，这种材料可以通过阴离子的氧化还原反应实现容量的提供，其初始运行中是由氧的氧化还原反应提供容量，但是这类材料存在着氧的氧化还原反应可逆性不高的问题，导致了其性能的劣化，该材料在首圈的氧化还原反应可逆性为79％(非专利文献2)；因此，需要对其进行改进，稳定阴离子氧化还原反应并使其可逆。
[0004]非专利文献1：YabuuchiN,HaraR,KubotaK,etal.Anewelectrodematerialforrechargeablesodiumbatteries:P2
‑
typeNa
2/3
[Mg
0.28
Mn
0.72
]O2withanomalouslyhighreversiblecapacity[J].J.mater.chem.a,2014,2(40):16851
‑
16855.
[0005]非专利文献2：DaiK,WuJ,ZhuoZ,etal.HighReversibilityofLatticeOxygenRedoxQuantifiedbyDirectBulkProbesofBothAnionicandCationicRedoxReactions[J].arXiv,2018.

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是：现有技术中的Na
2/3
[Mg
0.28
Mn
0.72
]O2层状材料存在着的阴离子氧化还原反应的可逆性低、阴离子运动氧化时的扩散动力学不佳的问题；本专利技术提供了一种通过阳离子掺杂解决阴阳离子协同贡献容量反应过程中，可逆容量衰减问题的设计策略。
[0007]本专利技术的钠离子电池的锰基正极材料由两种以上金属离子组成，具有三斜晶系的
层状晶 体结构，颗粒均匀，本专利技术的正极材料中氧元素在充放电过程中也由于特殊的结构会发生氧 化还原从而贡献额外的容量，并且掺杂Fe使得这种反应变得高度可逆，也使得这部分容量在 循环中没有明显的衰减。掺杂的金属元素一方面协同阴离子提供容量，另一方面也起到了稳 定结构的作用。
[0008]一种钠离子电池层状锰基正极材料，其化学结构通式是：Na
y
Mg
0.33
‑
0.5x
Mn
0.67
‑
0.5x
Fe
x
O2， 且0≤x≤0.67，0≤y≤2。
[0009]0≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7。
[0010]钠离子电池层状锰基正极材料的通式Na
0.65
Mg
0.24
Mn
0.59
Fe
0.17
O2。
[0011]所述正极材料呈颗粒状，属于P63/mmc空间群，其粒径为0.2
‑
2μm。
[0012]钠离子电池层状锰基正极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0013]将钠源、锰源、镁源以及铁源进行混合，压制后，煅烧处理，得到正极材料。
[0014]所述的钠源选自碳酸钠、硝酸钠或者氯化钠中的一种或几种。
[0015]所述的锰源选自二氧化锰或者三氧化二锰中的一种或几种。
[0016]所述的镁源选自氧化镁或者氢氧化镁中的一种或几种。
[0017]所述的铁源选自三氧化二铁、四氧化三铁、氢氧化铁中的一种或几种。
[0018]所述的煅烧过程条件是：750
‑
1000℃下煅烧12
‑
15h，以2
‑
7℃/min的速度升温。
[0019]煅烧时在氧气气氛、空气气氛或氦气气氛下进行。
[0020]所述的钠源、锰源、镁源以及铁源摩尔比为0
‑
2:0.67
‑
0.33:0.33
‑
0:0
‑
0.67；优选 0.5
‑
0.7:0.67
‑
0.42:0.33
‑
0.08:0
‑
0.5。
[0021]混合过程采用球磨法，球磨速度为100
‑
300r/min。球磨时间为3
‑
10h。
[0022]压制过程在1
‑
50MPa压力下进行。
[0023]上述的正极材料在钠离子电池中的应用。
[0024]所述的应用中，正极材料用于提高阴离子氧化还原反应的可逆性。
[0025]有益效果
[0026](1)本专利技术提供的钠离子电池层状正极材料中，通过对Na
2/3
[Mg
0.28
Mn
0.72
]O2层状 材料进行Fe掺杂处理，Fe元素的掺入使得O的配位环境发生改变，不会产生气体逸出，提 高了阴离子氧化还原的可逆性。
[0027](2)本专利技术的钠离子电池层状正极材料，镁元素虽然不发生氧化还原，但是能够起到一 定的稳定结构作用和形成引发氧发生氧化还原的结构，使得材料在宽的电压范围没有展示出 相变的特性，从而使的材料在电化学过程中具有更小的体积变化，所以使得其所组装的电池 具有超长的循环稳定寿命。
[0028](3)本专利技术的钠离子电池层状锰基正极材料具有三斜晶体结构，在一个很宽的电压范围 内，金属元素的掺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池层状锰基正极材料，其特征在于，其化学结构通式是：Na
y
Mg
0.33
‑
0.5x
Mn
0.67
‑
0.5x
Fe
x
O2，且0≤x≤0.67，0≤y≤2。2.根据权利要求1所述的钠离子电池层状锰基正极材料，其特征在于，0≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7。3.根据权利要求1所述的钠离子电池层状锰基正极材料，其特征在于，钠离子电池层状锰基正极材料的通式Na
0.65
Mg
0.24
Mn
0.59
Fe
0.17
O2。4.根据权利要求1所述的钠离子电池层状锰基正极材料，其特征在于，所述正极材料呈颗粒状，属于P63/mmc空间群，其粒径为0.2
‑
2μm。5.权利要求1所述的钠离子电池层状锰基正极材料，其特征在于，将钠源、锰源、镁源以及铁源进行混合，压制后，煅烧处理，得到正极材料。6.根据权利要求5所述的钠离子电池层状锰基正极材料，其特征在于，所述的钠源选自碳酸钠、硝酸钠或者氯化钠中的一种或几种；所述的锰源选自二氧化锰或者三氧化二锰中的一种或几种。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭少华，卞静静，褚世勇，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：