一种钠离子电池正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种钠离子电池正极材料及其制备方法和应用，属于二次电池材料技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及二次电池材料
，尤其是涉及一种钠离子电池正极材料及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]钠离子电池以其成本低
、
安全性能好
、
钠资源丰富等优点被认为是一种很有前途的储能系统，而电极材料的开发对其性能的提高起着重要的作用
。
钠离子电池中，正极材料对性能的影响比例超过
60%
，因此，大量的钠离子电池正极材料正在被广泛研究
。
常见的钠离子电池正极材料包括层状过渡金属氧化物
、
聚阴离子型化合物和普鲁士蓝类似物等
。
在这些钠离子正极材料中，
P2
型氧化物正极材料表现出高容量和良好的倍率性能，这是由于其拥有宽阔的三棱柱钠离子传输通道，较低的迁移势垒
。
在所有的
P2
型过渡金属氧化物中，
Na
0.67
Ni
0.33
Mn
0.67
O2正极材料因其具有理论比容量高
、
工作电压高
、
环境友好和成本低等优点而受到广泛关注
。
[0003]然而，包括
Na
0.67
Ni
0.33
Mn
0.67
O2在内的
P2
型氧化物正极材料仍存在以下问题：
①
不可逆相变，包括从/>P2
相到
O2
相的相变（高压区），以及充放电过程中
Na
+
/
空位有序（中压区）；
②
空气稳定性差，大部分
P2
材料在空气中表现出吸湿性，这大大增加了该材料制备和运输电极的难度；
③
电化学性能差，需要进一步提高材料的电化学性能，才能达到实际应用的目的
。
通过研究，技术人员发现金属掺杂有助于提高容量和稳定性，因此，常采用金属元素掺杂来解决这些问题
。
然而，寻找合适的金属元素掺杂以获得能量密度高和稳定性好的正极材料，以满足实际应用的要求仍是一个技术难题
。
[0004]因此，研究一种低成本的
、
稳定的
、
具有高能量密度的正极材料是发展钠离子电池的必然趋势
。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一
。
为此，本专利技术提出一种钠离子电池正极材料的制备方法，能够有效提高所得钠离子电池正极材料的电化学性能
。
[0006]本专利技术还提供了上述制备方法制得的钠离子电池正极材料
。
[0007]本专利技术还提供了上述制备方法制得的钠离子电池正极材料的应用
。
[0008]根据本专利技术第一方面的实施例，提供了一种钠离子电池正极材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1.
将镍源
、
锰源
、M
源和部分钠源混合，并进行一次煅烧；所述一次煅烧的气氛流量为
3~8m3/h
；
S2.
将步骤
S1
所得产物
、N
源和剩余钠源混合研磨；之后进行二次煅烧，并以
≥15℃/min
的速度速冷；
S3.
将步骤
S2
所得产物进行三次煅烧
。
[0009]根据本专利技术实施例的钠离子电池正极材料，至少具有以下有益效果：
本专利技术采用固相法三烧工艺，通过煅烧方式
、
冷却方式等参数的控制，有利于促进碱性金属层掺杂元素的融合，合成目标结构的产物，解决了各组分元素分布不匀的问题，利于完善所得钠离子电池正极材料晶体结构，减弱了其内部应力，改善了晶体材料畸变情况，从而使本专利技术得到的钠离子电池正极材料具有高电压
、
高倍率
、
高循环的综合电性能，具体的：本专利技术分两次投加钠源：在一次煅烧时减少钠源的引入，在二次煅烧的混合研磨过程中将钠源补足；由此一次煅烧可得到形成稳定的层状结构的初始样，由于较少钠源的引入，可以预留更多的碱性金属层空位，利于二次煅烧时掺杂
N
元素在钠层中的掺杂融合
。
传统制备方法中，通常一次性添加所有的钠源，本专利技术提供的制备方法和传统制备方法相比，可解决元素分布不均问题，并且有利于掺杂
N
元素进入到钠层，而不是进入到过渡金属层
。
[0010]步骤
S2
中，通过限定混合研磨可调整（降低）所得混合物的粒径，可显著提升所得中间产物之间的分散均匀性，有利于提升所得钠离子电池正极材料的元素均匀性
。
进一步的，小粒径的中间产物，有利于
N
元素掺杂的进行，降低了二次煅烧等掺杂过程的难度
。
[0011]步骤
S2
中，限定冷却速度，可降低材料因高温煅烧出现的高价锰含量，有利于掺杂
N
元素在钠层的掺杂融合
。
[0012]在二次煅烧一级急速冷却后，会导致材料产生缺陷，因此，增设三次煅烧，以降低材料内部应力与畸变，提高本专利技术所得钠离子电池正极材料的综合电性能
。
[0013]所述一次煅烧过程中，会产生大量的废气，本专利技术通过限定一次煅烧的气体流量，可带走所述一次煅烧产生的气体废物，促进反应进行，有利于晶体结构的生长
。
[0014]根据本专利技术的一些实施例，所述镍源包括氢氧化镍
、
氧化镍和碳酸镍中的至少一种
。
[0015]根据本专利技术的一些实施例，所述锰源包括二氧化锰
、
四氧化三锰和碳酸锰中的至少一种
。
[0016]根据本专利技术的一些实施例，所述钠源包括碳酸钠和氢氧化钠中至少一种
。
[0017]根据本专利技术的一些实施例，所述
M
源包括氧化镁
、
氧化锂
、
氧化钛
、
氧化锌
、
氧化铝
、
氧化钴和氧化铁中的至少两种
。
例如具体可以是氧化镁
、
氧化锂
、
氧化钛的组合；氧化镁
、
氧化锌
、
氧化铁的组合；氧化镁
、
氧化铝
、
氧化钴的组合；氧化锌
、
氧化钛的组合；或者氧化锂
、
氧化铁的组合
。
[0018]根据本专利技术的一些实施例，所述
N
源包括碳酸钙
、
氢氧化钙
、
氧化镧和氧化铒中的至少一种
。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1.
将镍源
、
锰源
、M
源和部分钠源混合，并进行一次煅烧；所述一次煅烧的气氛流量为
3~8m3/h
；
S2.
将步骤
S1
所得产物
、N
源和剩余钠源混合研磨；之后进行二次煅烧，并以
≥15℃/min
的速度速冷；
S3.
将步骤
S2
所得产物进行三次煅烧
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤
S1
中，所述部分钠源占所有钠源的质量百分数为
85~95%。3.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤
S2
中，所述混合研磨的方法为湿法研磨
。4.
根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤
S2
中，还包括在所述湿法研磨后进行干燥；和
/
或，所述干燥的方法包括喷雾干燥
、
鼓风干燥
、
冷冻干燥和真空干燥中的至少一种
。5.
根据权利要求
1~4
任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤
S1
中，所述一次煅烧的温度为
550℃
～
700℃
；和
/
或，所述一次煅烧的时长为
8~16h。6.
根据权利要求
1~4
任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤
S2
中，所述二次煅烧的温度为
800℃
～
1050℃
；和
/
或，所述二次煅烧的时长为
6~12h。7.
根据权利要求
1~4
任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤

【专利技术属性】
技术研发人员：李魁，曾伟雄，李尚，
申请(专利权)人：湖南驼峰新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：