一种富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料及其制备方法和应用

【技术实现步骤摘要】
一种富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于材料
，具体涉及一种富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]近几年来，随着锂电池的广泛应用，锂资源的价格逐年上升
。
此外锂金属资源的短缺和分布不均匀无疑会极大的限制锂离子电池在大规模储能领域的应用
。
钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似
。
且钠离子电池也具备许多锂离子电池的优点，例如环境友好
、
能量密度高等
。
然而相比较于锂，钠在自然界中储量及其丰富，且分布十分均匀，且可以使用价格更低廉的铝箔作为集流体等使得钠离子电池的成本远低于锂离子电池
。
此外钠离子电池可选择的电解质更广泛，安全性和稳定性更高且可以兼容目前的锂电设备，基于以上优点，钠离子电池有望成为锂离子电池的替代品，从而缓解越来越严重的能源危机
。
[0003]目前，钠离子电池的性能主要由正极材料所决定，而钠离子电池正极材料的研究主要分为过渡金属氧化物
、
聚阴离子型化合物
、
普鲁士蓝类似物及有机类化合物等
。
其中，过渡金属氧化物具有较高的可逆比容量和工作电位且合成简单等优点，更适合钠离子电池商业化
。
其中过渡金属氧化物又分为层状氧化物和隧道氧化物
。
层状过渡金属氧化物在电化学循环过程之中存在较多不可逆相变及空气不稳定性等问题，而隧道型过渡金属氧化物具有独特的三维隧道结构，能够提供较宽的钠离子扩散路径，还能够调节钠离子脱嵌过程中产生的结构应变，保持其结构的稳定性
。
[0004]然而隧道型过渡金属氧化物通过高温手段合成的钠含量较低
(Na
0.44
MnO2)
，是一种典型的贫钠材料，首周充电只有
0.22
当量的钠能够从结构中脱嵌提供约
60mAh/g
的理论比容量，而在后续放电过程中能够由
0.44
当量的钠嵌入结构提供约
120mAh/g
的理论比容量，从而造成首周库伦效率高达约
200
％
。
因此受到钠含量的限制，隧道型正极材料直接与无钠的负极，如硬碳等直接匹配组装的全电池容量较低
(
约
60mAh/g)。
[0005]因此，在实际使用过程中需要对材料进行优化，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案
。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的隧道型过渡金属氧化物钠含量低
、
直接与无钠负极匹配全电池时容量低
、
性能差等问题，本专利技术的目的在于提供一种富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料及其制备方法和应用
。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]本专利技术提供一种富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料，所述富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料的化学式为
Na
x
Mn
y
Ti
z
A
c
O2‑
δ
，其中
y+z+c
＝1；
0.44≤x≤0.8
；
0≤
δ
≤0.05
；
A
为掺杂元素
Li、Mg、B
中任一种或两者及以上
。
[0009]优选的，
0.56≤x≤0.8
；
0.57≤y≤0.70
；
0.20≤z≤0.56
；
0≤c≤0.10。
[0010]本专利技术提供一种所述富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011]a、
按照化学式
Na
x
Mn
y
Ti
z
A
c
O2‑
δ
，将钠源
、
锰源
、
钛源
、
掺杂元素
A
源溶于去离子水中，室温搅拌，得金属溶液；
[0012]b、
配置酒石酸的饱和水溶液；
[0013]c、
将酒石酸的饱和水溶液滴加到不断搅拌的金属溶液中，得混合溶液；
[0014]d、
将混合溶液转移到油浴锅中，保持搅拌，调节溶液
pH
，待金属离子和酒石酸络合后，旋干水分，得混合材料；
[0015]e、
将混合材料转移到烘箱中干燥过夜，得干凝胶；
[0016]f、
将干凝胶充分研磨后转移到马弗炉中，烧结后，即得
。
[0017]优选的，步骤
a
中所述钠源为碳酸钠
、
锰源为乙酸锰
、
钛源为钛酸四丁酯
、
掺杂元素
A
源为乙酸镁
、
乙酸锂或硼酸中任一种或两者及以上；搅拌时间为
20
‑
40min。
[0018]优选的，步骤
c
酒石酸的饱和水溶液中酒石酸的物质的量与金属溶液中金属离子总物质的量的比为
1.2
‑2：
1。
[0019]优选的，步骤
d
中油浴锅的温度为
50
‑
100℃
；使用氨水调节溶液
pH
＝1‑9；络合时间为3‑
10h。
[0020]优选的，步骤
e
中烘箱的干燥温度为
60
‑
120℃。
[0021]优选的，步骤
f
中烧结的具体操作为：先以
5℃/min
的速度升温到
250
‑
500℃
，达到目标温度后预烧2‑
6h
，自然降温后取出研磨，再放入马弗炉中以相同升温速率升温到
600
‑
1000℃
，达到目标温度后烧结
12h
，自然降温后，即得
。
[0022]本专利技术提供一种所述制备方法制备的富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料在钠离子电池中的应用
。
[0023]优选的，钠离子电池的电压区间为2‑
4.4V。
[0024]有益效果：
[0025]本专利技术提供一种富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料
Na
x
Mn
y
Ti
z
A
c
O2‑
δ
(A
为
Li、Mg、B
中任一种或两者及以上
)
，该富钠本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料，其特征在于，所述富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料的化学式为
Na
x
Mn
y
Ti
z
A
c
O2‑
δ
，其中
y+z+c
＝1；
0.44≤x≤0.8
；
0≤
δ
≤0.05
；
A
为掺杂元素
Li、Mg、B
中任一种或两者及以上
。2.
如权利要求1所述富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料，其特征在于，
0.56≤x≤0.8
；
0.57≤y≤0.70
；
0.20≤z≤0.56
；
0≤c≤0.10。3.
如权利要求1或2所述富钠的隧道型过渡金属氧化物正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、
按照化学式
Na
x
Mn
y
Ti
z
A
c
O2‑
δ
，将钠源
、
锰源
、
钛源
、
掺杂元素
A
源溶于去离子水中，室温搅拌，得金属溶液；
b、
配置酒石酸的饱和水溶液；
c、
将酒石酸的饱和水溶液滴加到不断搅拌的金属溶液中，得混合溶液；
d、
将混合溶液转移到油浴锅中，保持搅拌，调节溶液
pH
，待金属离子和酒石酸络合后，旋干水分，得混合材料；
e、
将混合材料转移到烘箱中干燥过夜，得干凝胶；
f、
将干凝胶充分研磨后转移到马弗炉中，烧结后，即得

【专利技术属性】
技术研发人员：段小川，王皓睿，张鼎，张献明，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：