一种正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种正极材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于钠离子电池
，涉及一种正极材料及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]锂离子电池因其能量密度高
、
循环寿命长等优势占据了便携式电子设备市场的主导地位，然而，锂是地壳中的稀缺元素，含量低价格高，与锂相比，钠具有相似的物理和化学性质，同时具有低成本，资源丰富等优势，因此钠离子电池在储能领域有广阔的应用前景，被认为是锂电池的理想替代品
。
[0003]目前钠离子电池正极材料主要有过渡金属氧化物
、
聚阴离子类化合物
、
普鲁士蓝类化合物
、
有机材料等
。
过度金属氧化物类包括层状结构氧化物和隧道结构氧化物，聚阴离子类包括磷酸盐
、
焦磷酸盐和硫酸盐等
。
研究发现，硫酸盐聚阴离子材料具有较强的电负性和氧化还原电势，是一种潜力较大的储钠材料
。
虽然硫酸盐聚阴离子材料的能量密度较低，但其原材料成本可控，按照当前市场价来计算，理想情况下
Na2Fe2(SO4)3的理论原材料成本仅需
500.4
元
/
吨
(
按照分子式进行理论计算，不计损耗，不包括加工费用等
)
，相对锂电正极材料和其他钠电正极材料理论原材料成本优势显著
。
[0004]CN115849454A
公开了一种硫酸亚铁钠正极材料制备方法，选择葡萄糖酸基类的铁盐和硫氢化钠作为铁源和钠源，硼氢化钠作为还原剂，按一定的摩尔比球磨混合，随后烧结得到最终产物
。
[0005]CN115172724A
公开了一种硫酸亚铁钠
/
碳纳米管复合正极材料，其制备方法包括：
(1)
将碳纳米管分散于去离子水中，经超声处理分散均匀；
(2)
将原料七水合硫酸亚铁，无水硫酸钠，抗氧化剂加入去离子水中，随后加入分散好的碳纳米管混合均匀；
(3)
对混合溶液进行喷雾干燥得到前驱体；
(4)
将前驱体进行烧结后得到硫酸亚铁钠
/
碳纳米管复合正极材料
。
[0006]固相法的缺点在于合成过程中容易出现原材料混合不均匀，形貌难以控制的问题，因此在煅烧会出现杂质元素，对电性能有一定影响
。
液相法的缺点在于溶液转移时不完全，导致原料浓度和设计值存在偏差，喷雾干燥导致材料球状形貌不均一等问题
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种正极材料及其制备方法和应用，本专利技术通过溶胶凝胶法
、
冷冻干燥以及静电纺丝的方法，可以制得具有多孔纳米纤维结构的正极材料
。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种正极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0010](1)
将硫酸钠
、
硫酸亚铁与溶剂混合，得到混合盐溶液，将所述混合盐溶液和聚乙烯吡咯烷酮水溶液混合得到复合溶液，将所述复合溶液与酸性溶液混合，得到前体溶液，对所述前体溶液进行加热处理后得到凝胶；
[0011](2)
对所述凝胶进行煅烧处理得到粉末材料，将聚乙烯吡咯烷酮与二甲基甲酰胺
混合，加入所述粉末材料得到混合物料；
[0012](3)
对所述混合物料进行冷冻干燥处理后，超声得到纺丝液，对所述纺丝液进行静电纺丝处理，烧结得到所述正极材料
。
[0013]本专利技术预先采用溶胶
‑
凝胶法得到混合物料，对所述混合物料进行冷冻干燥使纳米纤维变成多孔纳米纤维，且可通过工艺控制调整孔结构，多孔纳米纤维得益于丰富的电活性位点的多孔结构，增加了材料的孔隙率，有利于离子传输，不仅具有无机纳米材料的小尺寸效应和化学稳定性等，而且易于形成自支撑的薄膜，避免了因使用粘结剂所带来的界面阻抗增加和传输效率降低的缺陷
。
通过静电纺丝法制备的多孔纳米正极材料的比表面积高，暴露出更丰富的活性位点，同时能够承受高的形变应力，缩短离子迁移路径，加快反应动力学，离子和电子传输路径定向，有较强的抗形变能力
。
所述正极材料中，钠离子沿长纤维嵌套，并且纤维结构提供了大量的钠离子嵌入位，增大了钠电池的能量密度，大大降低钠离子的迁移距离，提高钠离子迁移速率，同时降低电解液与活性电极材料之间的阻抗，提高了材料的离子和电子电导率，从而大大提高了材料的比容量
、
循环性能及倍率特性，因此可以通过静电纺丝方法，增大容量，延长寿命
。
[0014]优选地，步骤
(1)
所述硫酸钠中钠元素和硫酸亚铁中铁元素的摩尔比为
(1
～
2):1
，例如：
1:1、1.2:1、1.5:1、1.8:1
或
2:1
等
。
[0015]优选地，所述混合的过程中进行搅拌
。
[0016]优选地，所述搅拌的速度为
200
～
400rpm
，例如：
200rpm、250rpm、300rpm、350rpm
或
400rpm
等
。
[0017]优选地，所述搅拌的时间为2～
4h
，例如：
2h、2.5h、3h、3.5h
或
4h
等
。
[0018]优选地，所述酸性溶液包括硫酸和
/
或柠檬酸
。
[0019]优选地，步骤
(1)
所述聚乙烯吡咯烷酮水溶液的浓度为
c1＝
1.2
～
1.6mol/L
，例如：
1.2mol/L、1.3mol/L、1.4mol/L、1.5mol/L
或
1.6mol/L
等
。
[0020]优选地，所述复合溶液的浓度
c2＝1～
1.3mol/L
，例如：
1mol/L、1.05mol/L、1.1mol/L、1.2mol/L
或
1.3mol/L
等
。
[0021]优选地，所述前体溶液的浓度
c3＝
0.93
～
1.74mol/L
，例如：
0.93mol/L、0.98mol/L、1mol/L、1.5mol/L
或
1.74mol/L
等
。
[0022]优选地，
c1、c2和
c3满足关系式：
0.78c1c2≤c3≤1.32c1c2。
[0023]本专利技术通过调控加入材料的质量比调节后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)
将硫酸钠
、
硫酸亚铁与溶剂混合，得到混合盐溶液，将所述混合盐溶液和聚乙烯吡咯烷酮水溶液混合得到复合溶液，将所述复合溶液与酸性溶液混合，得到前体溶液，对所述前体溶液进行加热处理后得到凝胶；
(2)
对所述凝胶进行煅烧处理得到粉末材料，将聚乙烯吡咯烷酮与二甲基甲酰胺混合，加入所述粉末材料得到混合物料；
(3)
对所述混合物料进行冷冻干燥处理后，超声得到纺丝液，对所述纺丝液进行静电纺丝处理，烧结得到所述正极材料
。2.
如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
所述硫酸钠中钠元素和硫酸亚铁中铁元素的摩尔比为
(1
～
2):1
；优选地，所述混合的过程中进行搅拌；优选地，所述搅拌的速度为
200
～
400rpm
；优选地，所述搅拌的时间为2～
4h
；优选地，所述酸性溶液包括硫酸和
/
或柠檬酸
。3.
如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
所述聚乙烯吡咯烷酮水溶液的浓度为
c1＝
1.2
～
1.6mol/L
；优选地，所述复合溶液的浓度
c2＝1～
1.3mol/L
；优选地，所述前体溶液的浓度
c3＝
0.93
～
1.74mol/L
；优选地，
c1、c2和
c3满足关系式：
0.78c1c2≤c3≤1.32c1c2。4.
如权利要求1‑3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
所述加热处理包括水浴加热；优选地，所述加热处理的温度为
60
～
80℃
；优选地，所述加热处理的时间为2～
5h
；优选地，所述加热处理后进行静置和真空干燥；优选地，所述静置的时间为
12
～
15h。5.
如权利要求1‑4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤
(2)
所述煅烧处理的温度为
350
～
380℃
；优选地，所述煅烧处理的时间为6～
10h
...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩佳桐，盛杰，李明露，江卫军，郑晓醒，杨红新，任海朋，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：