一种钠离子电池层状正极材料及其制备方法与用途技术

本发明专利技术涉及一种钠离子电池层状正极材料及其制备方法与用途，其中钠离子电池层状正极材料的化学式为Na

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池层状正极材料及其制备方法与用途


[0001]本专利技术属于电池
，具体涉及一种钠离子电池层状正极材料及其制备方法与用途。

技术介绍

[0002]由于化石燃料的资源枯竭、环境污染，导致风能、太阳能和潮汐能等各种可再生能源和清洁能源迅速出现。为了将这些可再生能源整合到电网中，大规模储能系统至关重要。在各种储能技术中，二次电池因其灵活性、高能量转换效率、维护简单等优点，在大规模蓄电中大显身手。目前，锂离子电池(LIB)占据电子市场的绝大多数。但是随着锂资源的逐渐短缺，锂的价格一路飙升。因此，人们必须寻找更加合适的储能技术来满足未来的发展。作为一种新型的二次储能器件，钠离子电池(SIB)具有成本低、钠丰富度大的优点，同时钠离子电池与锂离子电池具有相同的工作原理，有望在未来取代锂离子电池。
[0003]目前，钠离子电池正极材料有层状氧化物、隧道型氧化物、聚阴离子化合物和有机类正极材料等。由于层状氧化物有良好的周期性层状结构，比容量高，且晶格氧的氧化反应较多，因此近年来研究较多。但是该类材料在钠离子的脱出与嵌入过程中，经历了多个相变，较大的体积变化和容量的严重衰减，导致其循环稳定性较差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种具有高比容量，且同时具有优异的循环稳定性和倍率性能的钠离子电池层状正极材料及其制备方法与用途。
[0005]本专利技术的一种钠离子电池层状正极材料，其化学式为Na
n
Cu
y
Fer/>z
Mn1‑
x
‑
y
‑
z
A
x
O2，其中0＜n≤1，0≤x≤0.2，0＜y≤0.3，0＜z≤0.5，A为Ni，Co，Cr，Ru，Sn，Sc，Zr，Li，Ti，Mg，Zn，Ca，Al，B中的一种或多种；所述钠离子电池层状正极材料为工作电压3～3.3V，0.2C条件下比容量为108.81～138.53mAh/g，且在1C下循环200圈其容量保持率为65.13～98.86％的材料，所述钠离子电池层状正极材料为电阻率范围为1.9
×
10
‑3～6.6
×
10
‑3Ω*cm的材料。本申请通过控制反应条件在铜铁锰基层状氧化物材料的过渡金属层或者钠离子层中引入金属离子A，并对掺杂金属离子A与Mn的含量进行调控，最终得到化学式为Na
n
Cu
y
Fe
z
Mn1‑
x
‑
y
‑
z
A
x
O2的钠离子电池层状正极材料。金属离子的适量掺杂，能够使得层状氧化物的过渡金属层或者钠离子层的间距减小，限制了空气中水分的嵌入，大大提高了材料的存储稳定性。当引入Ni，Co，Cr，Ru，Sn，Sc，Zr，Li，Ti，Mg，Zn，Ca，Al，B的一种或多种金属离子时，在充放电过程中能够有效抑制材料发生的不可逆相变，使材料表现出高比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。同时所述钠离子电池层状正极材料的粒径尺寸小且均匀。
[0006]进一步，本专利技术所述钠离子电池层状正极材料中的金属离子掺杂在层状氧化物材料的过渡金属层或者钠离子层中；所述n为0.82，所述A包括Ca和Ti，所述钠离子电池层状正极材料为工作电压3.25V，0.2C条件下比容量超过138mAh/g，且在1C下循环200圈其容量保持率超过98％的材料，所述钠离子电池层状正极材料为电阻率减小至1.9
×
10
‑3Ω*cm的材
料。能够在保持良好的循环性能的同时，拥有高比容量。
[0007]一种如上所述的钠离子电池层状正极材料的制备方法，所述方法首先将适量钠源、铜源、铁源、锰源和金属元素化合物在溶剂中均匀混合得到混合物料，将所述混合物料粒径磨细至0.2～5μm；后干燥，然后于600～1000℃煅烧6h～24h，得到所述钠离子电池层状正极材料。采用砂磨
‑
固相烧结两步法制备所述钠离子电池层状正极材料，不仅制备方法简单，而且原料价格便宜，绿色无污染，适合商业化生产。在此温度范围内煅烧材料可以得到较为适中的粒径，当其作为正极材料时拥有优异的电化学性能。煅烧温度太低会对成相造成影响，温度太高则会过度耗能。
[0008]进一步，本申请所述的钠离子电池层状正极材料的制备方法，所述磨细后的混合物料的粒径为1.5μm。
[0009]进一步，本申请所述的钠离子电池层状正极材料的制备方法，所述煅烧温度为700℃，煅烧时间为20h。
[0010]进一步，本申请所述的钠离子电池层状正极材料的制备方法，所述钠源为硝酸钠、氯化钠、醋酸钠、柠檬酸钠、碳酸钠和氧化钠中的一种或多种；所述铜源为硝酸铜、氯化铜、醋酸铜、硫酸铜、碳酸铜和氧化铜中的一种或多种；所述铁源为硝酸铁、氯化铁、醋酸铁、硫酸铁、碳酸铁和氧化铁中的一种或多种；所述锰源为硝酸锰、氯化锰、醋酸锰、硫酸锰、碳酸锰、二氧化锰、三氧化二锰和四氧化三锰中的一种或多种；所述金属元素化合物为氧化镍、氧化钴、氧化铬、氧化钌、氧化锡、氧化钪、氧化锆、碳酸锂、二氧化钛、氧化镁、氧化锌、氧化钙、氧化铝和氧化硼的一种或多种。
[0011]进一步，本申请所述的钠离子电池层状正极材料的制备方法，所述钠源为碳酸钠，所述铜源为氧化铜，所述铁源为氧化铁，所述锰源为二氧化锰。
[0012]进一步，本申请所述的钠离子电池层状正极材料的制备方法，所述溶剂为水，所述混合物料用砂磨机将粒径磨细，所述砂磨机的最大转速百分比为40～80％，所述砂磨机的进料泵压力为0.1～1MPa。若小于此范围，则耗时耗能较多，如大于此范围时，可能会对砂磨机造成损害。
[0013]进一步，本申请所述的钠离子电池层状正极材料的制备方法，所述砂磨机的最大转速百分比为60％，所述砂磨机的进料泵压力为0.5MPa。
[0014]进一步，本申请所述的钠离子电池层状正极材料的制备方法，所述干燥过程采用喷雾干燥机和蠕动泵，所述喷雾干燥机的进风温度为180～230℃，出风口温度为100～120℃，喷雾的频率为300～500Hz，所述蠕动泵转速为10～60转/min。温度太低无法对进料干燥造粒，温度太高则会损坏仪器。
[0015]进一步，本申请所述的钠离子电池层状正极材料的制备方法，所述喷雾干燥机的进风温度为200℃，出风口温度为110℃，喷雾的频率为400Hz，所述蠕动泵转速为60转/min。
[0016]一种如上所述的任一钠离子电池层状正极材料的用途，所述钠离子电池层状正极材料用于钠离子电池。
[0017]进一步，本申请所述的钠离子电池层状正极材料的用途，所述钠离子电池包括含有所述钠离子电池层状正极材料的电极极片，所述电极极片中所述钠离子电池层状正极材料的含量为70～90wt％。
[0018]进一步，本申请所述电极极片中所述钠离子电池层状正极材料的含量为70wt％。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池层状正极材料，其特征在于，所述钠离子电池层状正极材料的化学式为Na
n
Cu
y
Fe
z
Mn1‑
x
‑
y
‑
z
A
x
O2，其中0＜n≤1，0≤x≤0.2，0＜y≤0.3，0＜z≤0.5，A为Ni，Co，Cr，Ru，Sn，Sc，Zr，Li，Ti，Mg，Zn，Ca，Al，B中的一种或多种；所述钠离子电池层状正极材料为工作电压3～3.3V，0.2C条件下比容量为108.81～138.53mAh/g，且在1C下循环200圈其容量保持率为65.13～98.86％的材料，所述钠离子电池层状正极材料为电阻率范围为1.9
×
10
‑3～6.6
×
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‑3Ω*cm的材料。2.根据权利要求1所述的钠离子电池层状正极材料，其特征在于，所述钠离子电池层状正极材料中的金属离子掺杂在层状氧化物材料的过渡金属层或者钠离子层中；所述A包括Ca和Ti，所述钠离子电池层状正极材料为工作电压3.25V，0.2C条件下比容量超过138mAh/g，且在1C下循环200圈其容量保持率超过98％的材料，所述钠离子电池层状正极材料为电阻率减小至1.9
×
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‑3Ω*cm的材料。3.一种如权利要求1或2所述的钠离子电池层状正极材料的制备方法，所述方法为砂磨
‑
固相烧结两步法，所述方法首先将适量钠源、铜源、铁源、锰源和金属元素化合物在溶剂中均匀混合得到混合物料，将所述混合物料粒径磨细至0.2～5μm；后干燥，然后于600～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振华，苏恒，张冰洁，庞小飞，李鹏涛，薛鹏，
申请(专利权)人：创普斯深圳新能源科技集团有限公司，
类型：发明
国别省市：