一种片状钠离子电池正极材料钠铜铁锰氧的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种片状钠离子电池正极材料钠铜铁锰氧的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将合成钠离子正极材料所需的原料用电子分析天平准确称量，并在磁力搅拌状况下加入到丙烯酸和水的混合溶液中；步骤二：将上述混合溶液放入恒温磁力搅拌器，在磁力搅拌下加热进行恒温反应，恒温反应时添加过二硫酸铵溶液作为引发剂；步骤三：恒温反应完成后溶液逐渐转变为类似果冻状凝胶，将反应完成的凝胶放入烘箱中干燥，干燥后的物料装钵热解，热解后的物料经粉碎处理得到半成品粉体；步骤四：将半成品粉体装钵、烧结；步骤五：烧结后的物料，出炉经粉碎、除磁、包装、检测得到成品料。检测得到成品料。检测得到成品料。

【技术实现步骤摘要】
一种片状钠离子电池正极材料钠铜铁锰氧的制备方法


[0001]本专利技术涉及钠离子电池
，具体为一种片状钠离子电池正极材料钠铜铁锰氧的制备方法。

技术介绍

[0002]进入21世纪以来，储能器件锂离子电池以其高的能量密度，远超其它电池的循环稳定性以及较高的体积能量密度成为手机、笔记本电脑乃至电动汽车等的主要动力源。但是，近年来，锂离子电池也遭遇了锂盐价格上涨等带来的严重成本问题，发展新能源器件作为锂离子电池的补充具有一定的迫切性。在众多可供选择的新一代储能器件中，具有与锂离子电池具有相似储能机制的钠离子电池成为其中的一种有竞争力的候选者，事实上，钠离子电池研究与锂离子电池基本同步，始于上世纪60年代，但是，钠离子电池由于传输的钠离子尺寸更大导致传输动力学、以及放电比容量较低等方面存在不足。钠离子电池也存在显著优势，其使用的碳酸钠以及金属钠等的价格远低于碳酸锂和金属锂，与锂离子电池相比具有成本优势，预估可节约30％左右的成本。因此，钠离子电池可以广泛的应用与电动自行车用动力电池、储能电站用电池等领域。
[0003]与锂离子电池类似，钠离子电池的性能也主要取决于电极材料特别是正极材料，可供选择的正极材料较多，但能够商业化的主要是聚阴离子型材料(以磷酸钒钠等为代表)、层状氧化物材料和普鲁士兰类材料(科学通报，2022，67(30):3546
‑
3564.)。其中，层状氧化物正极材料结构和锂离子电池层状正极材料类似，目前研究和应用最为成熟。国内钠离子电池先驱企业中科海钠和浙江钠创等企业发布的钠离子电池采用的正极材料都是采用层状氧化物。在众多层状氧化物中，代表性的是P2结构的Na
2/3
Ni
1/3
Mn
2/3
O2和O3结构的NaNi
1/3
Fe
1/3
Mn
1/3
O2。Na
2/3
Ni
1/3
Mn
2/3
O2材料的容量相对较低(2.0
‑
4.0V，低于90mAh/g)，但具有比较稳定的结构稳定性，在循环中容量衰减较少,，且倍率性能也较为优异。NaNi
1/3
Fe
1/3
Mn
1/3
O2的放电比容量更高，其能够达到120mAh/g，且循环稳定性尚可。
[0004]无论是Na
2/3
Ni
1/3
Mn
2/3
O2，还是NaNi
1/3
Fe
1/3
Mn
1/3
O2，其主要的金属除镍外都是较为经济的金属，如果能够尽量降低镍金属的使用量或不使用，将极大的降低材料的成本。目前通过实验以及理论计算，证明了二价铜离子在充放电过程中可以通过Cu
2+
/Cu
3+
之间的氧化还原进行能量储存，且其电位位于3.3
‑
4.0V之间，能够作为钠离子电池层状材料的主要活性金属离子，考虑到金属铜的价格大概是金属镍价格的1/3或更低，用铜替代镍作为层状材料的活性组分是完成可行的。接着，利用固相法制备了以铜作为主要活性组分的钠离子电池层状材料，并系统研究了其结构和电化学性能，发现其具有O3相层状结构，并展现了超过90mAh/g的放电比容量和较好的循环稳定性，认为该材料是一种潜在的商业化正极材料(Advanced Materials,2015,27:6928
‑
6933)。考虑到该材料的化学组分较多，直接固相反应由于涉及到多组分的扩散和重结晶，反应温度高且纯相较难制备，本专利技术通过一种聚合物凝胶法，将相应的离子以分子水平分散于凝胶中，再通过分解和高温烧结得到Na
0.9
Cu
0.22
Fe
0.3
Mn
0.48
O2，并用于钠离子电池的正极材料。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种片状钠离子电池正极材料钠铜铁锰氧的制备方法，解决了上述背景所提出的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种片状钠离子电池正极材料钠铜铁锰氧的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：将合成分子式为Na
0.9
Cu
0.22
Fe
0.3
Mn
0.48
O2的钠离子正极材料所需的原料用电子分析天平准确称量，并在磁力搅拌状况下加入到丙烯酸和水的混合溶液中；
[0009]步骤二：将上述混合溶液放入恒温磁力搅拌器，在磁力搅拌下加热到80℃，进行恒温反应2
‑
8小时，恒温反应时添加过二硫酸铵溶液作为引发剂；
[0010]步骤三：恒温反应完成后溶液逐渐转变为类似果冻状凝胶，将反应完成的凝胶放入120℃的烘箱中干燥8
‑
12小时，将干燥后的物料装钵热解，热解温度350
‑
450℃，热解时间2
‑
4小时，热解后的物料经粉碎处理得到半成品粉体；
[0011]步骤四：将半成品粉体装钵、烧结，烧结温度800
‑
900℃，烧结时间8
‑
10小时；
[0012]步骤五：烧结后的物料，出炉经粉碎、除磁、包装、检测得到成品料。
[0013]优选的，步骤一中所需的原料为无水碳酸钠、四水乙酸铜、四水乙酸锰、九水硝酸铁、丙烯酸、过二硫酸铵。
[0014]优选的，步骤一中丙烯酸和水的混合溶液为50
‑
60％质量分数的丙烯酸水溶液。
[0015]优选的，步骤二中加入总质量为0.1
‑
0.5％的过二硫酸铵溶液作为引发剂。
[0016]优选的，步骤二中加入的是质量分数为1
‑
5％的过二硫酸铵溶液。
[0017]优选的，所述步骤四中升温速度为3
‑
5℃/min，降温方式为随炉膛自然冷却至室温，为了防止样品吸潮，将粉体采用真空袋保存。
[0018]优选的，成品料经XRD检查物相为层状结构、经扫描电子显微镜观察微观结构为片状形貌。
[0019]本专利技术采用以上技术方案，具有以下有益效果：
[0020]与现有技术相比，本专利技术通过采用聚合物凝胶分解法制备Na
0.9
Cu
0.22
Fe
0.3
Mn
0.48
O2，在起始阶段金属离子溶解于丙烯酸和水的混合溶液，接着在适当的温度下丙烯酸在引发剂的作用下发生活性自由基聚合形成聚丙烯酸凝胶，将金属离子以类似于水溶液中的形式“冻”在凝胶中，达到分子水平的分散效果。
[0021]本专利技术通过聚合物凝胶法制备的Na
0.9
Cu
0.22
Fe
0.3
Mn
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种片状钠离子电池正极材料钠铜铁锰氧的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将合成分子式为Na
0.9
Cu
0.22
Fe
0.3
Mn
0.48
O2的钠离子正极材料所需的原料用电子分析天平准确称量，并在磁力搅拌状况下加入到丙烯酸和水的混合溶液中；步骤二：将上述混合溶液放入恒温磁力搅拌器，在磁力搅拌下加热到80℃，进行恒温反应2
‑
8小时，恒温反应时添加过二硫酸铵溶液作为引发剂；步骤三：恒温反应完成后溶液逐渐转变为类似果冻状凝胶，将反应完成的凝胶放入120℃的烘箱中干燥8
‑
12小时，将干燥后的物料装钵热解，热解温度350
‑
450℃，热解时间2
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4小时，热解后的物料经粉碎处理得到半成品粉体；步骤四：将半成品粉体装钵、烧结，烧结温度800
‑
900℃，烧结时间8
‑
10小时；步骤五：烧结后的物料，出炉经粉碎、除磁、包装、检测得到成品料。2.根据权利要求1所述的一种片状钠离...

【专利技术属性】
技术研发人员：张保平，于伟，
申请(专利权)人：龙岩青源钠电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：