一种高能量密度的钠离子电池Na制造技术

本发明专利技术专利公开了一种高能量密度的钠离子电池Na

【技术实现步骤摘要】
一种高能量密度的钠离子电池Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2正极材料的高效、稳定制备方法
本专利技术涉及三元钠离子电池正极材料制备
，特别涉及一种高能量密度的钠离子电池Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2正极材料的高效、稳定制备方法。
技术介绍
锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小等优势而在便携式电子设备、电动汽车市场等领域得到广泛应用，并向可再生能源大规模储能系统和智能电网扩展。随着人们对锂离子电池需求的不断增长，锂资源储量逐渐贫瘠；锂离子电池关键材料价格不断攀升，因此锂离子电池作为大型储能器件的发展受到一定限制。与锂离子电池相比，钠离子电池具有钠资源丰富、价格低廉、且分布广泛等显著优势。而钠与锂属于同一主族，具有相似的理化性质和电化学反应机制；因此，钠离子电池是锂离子电池的理想替代能源之一。但由于钠离子半径大，在正极材料上脱嵌较困难，导致实际材料的比容量较低、循环稳定性有待提高，尚无法达到规模商业化标准。更为关键的是，正极材料的容量决定钠离子电池的整体电芯容量；目前报道的钠离子电池正极材料有层状氧化物、金属框架结构材料及聚阴离子氧化物等。层状金属氧化物因具有优异的电化学性能而成为研究热点，其存在形态主要有O3型和P2型。在这两种结构中，O3相结构中钠离子迁移要通过四面体中心位置、离子通道狭窄、扩散势垒大及放电比容量低，且在充放电时易发生相变，导致循环稳定性欠佳。而P2型结构中钠离子迁移经过相对较宽的平面四边形中心位置，导致扩散势垒低和电池能量密度高；同时在充放电过程中能够保持其晶体结构，从而展现较好容量保持率。三元钠离子正极材料Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2作为P2型钠基层状过渡金属氧化物，不仅具有P2晶体结构稳定性优势，还因多元金属离子的协同效应使倍率性能、实际放电比容量及循环稳定性均得到进一步提升，是理想的大规模储能钠离子电池正极材料(P.F.Wang，H.R.Yao，X.Y.Liu，etal.Sci.Adv.，2018，4：6018.)。对于三元钠离子正极材料Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2而言，常用的合成方法有溶胶-凝胶法、固相合成法、共沉淀法等(N.Yabuuchi，M.Yano，H.Yoshida，etal.J.Electrochem.Soc.，2014，14：1620-1626；I.Hasa，S.Passerini，J.Hassoun.Rsc.Adv.，2015，5：48928-48934；S.M.Oh，S.T.Myung，C.S.Yoon.NanoLett.，2014，14：1620-1626)。传统合成方法存在制备周期长、操作复杂、成本高、产物结构可控性差的关键问题；如在已有研究基础上，开发操作更为简便、高效的合成技术，对三元钠离子电池正极材料Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2的应用具有重要现实意义。值得关注的是，微波辐射法是近年来人们开发三元钠离子电池正极材料的合成方法之一。相比于传统的热传导加热方式，微波波长是红外波长的千倍，可深度加热，使研究目标内部温度迅速升高，整个研究目标被均匀加热，从而提高热能利用率、并缩短加热时间，进而提高生产效率；微波加热温度偏析惯性小，可快速控制温度升降，有利于连续批量操作合成；由于反应体系封闭，微波加热能够克服电化学性能和材料微观结构不一致的严重不足。基于以上考虑，本专利技术专利将微波辐射法引入三元钠离子电池正极材料Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2合成体系中，并采用机械剪切力包覆了石墨烯导电炭层，该方法生产效率高、操作简单及制备成本低，且通过该方法制备出的产物纯度高、颗粒度小、分布均匀、层状结构特征强且结晶度高，在实际测试中表现出能量密度高、放电比容量高及循环稳定性优异的优势。
技术实现思路
基于以上技术背景，本专利技术专利提供一种高能量密度的钠离子电池Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2正极材料的高效、稳定制备方法；以碳酸钠(分子式为Na2CO3)、三氧化二锰(分子式为Mn2O3)、三氧化二铁(分子式为Fe2O3)及氧化镍(分子式为NiO)为原料，经过球磨、压片、微波烧结及表面修饰工序后制得单一相Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2，微波辐照工艺的热能利用率高、反应时间短、生产效率高、操作简单、成本低、且实验参数易于调控；所得材料的层状结构特征明显，为三元电极材料和同类型材料的快速控制合成提供了新途径。本专利技术的技术方案本专利技术提供一种高能量密度的钠离子电池Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2正极材料的高效、稳定制备方法，其技术方案是：第一、室温下，将一定质量的碳酸钠(分子式为Na2CO3)、三氧化二锰(分子式为Mn2O3)、三氧化二铁(分子式为Fe2O3)及氧化镍(分子式为NiO)按照Na∶Mn∶Fe∶Ni化学计量比为0.67∶0.65∶0.2∶0.15均匀混合，称量上述混合均匀的物料粉末10.0000g，然后添加到转入行星式球磨机的容积为200ml的球磨罐中，设置球磨机功率参数为1000W，转速100～1000rpm，球料比10∶1，球磨时间为30～500min，球磨过程中保持体系温度为22～25℃；第二、球磨结束后，将所得前驱体混合物转入压片机模具内压实，压片厚度为10mm、压片压力10～20MPa，压片模具直径为10～80mm，将压实后的片状材料置于刚玉舟中，送入微波烧结炉内，调整微波烧结炉功率1600W～5000W，升温速率5～20℃/min，在烧结过程中保持Ar气流量200mL/cm3，待升温至500～1200℃后持续保温烧结1～16h，然后冷却至室温，最后转入氩气气氛保护手套箱中保存，即可得到Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2三元正极材料。所述产物为P2型单一相Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2，属于六方晶系；微观形貌为规整层状结构，表面均匀光滑、结晶度高。第三、三元正极材料表面包覆高导电率碳的处理方法：在室温下取P2型单一相Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2块体材料5g；放于剪切力机械打磨粉碎机的打磨罐中，罐的总体积500mL，转速800～29000转/分钟，设备工作功率可调800～1200W，为了防止材料在粉碎过程中表面结构变化，罐体温度控制在25℃～50℃；工作时间为5～30分钟；能得到直径15微米的Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2颗粒；第四、开启剪切力机械打磨粉碎机的打磨罐，将上第三步骤所得粉末添加0.15～0.6克石墨烯粉体材料，其中石墨烯粉体材料的单层石墨烯片层厚度为6～11nm，材料比表面积为1800m2g-1；设定粉碎机的转速为1000～29000转/分钟，打磨功率为600～1200W，设置打磨时间为2～10分钟，罐体温度控制在25℃；便获得表面包覆石墨烯材料的Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2颗粒；第五、将第四步骤所得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术提供一种高能量密度的钠离子电池Na

【技术特征摘要】
1.本发明提供一种高能量密度的钠离子电池Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2正极材料的高效、稳定制备方法，其技术方案是：
第一、室温下，室温下，将一定质量的碳酸钠Na2CO3、三氧化二锰Mn2O3、三氧化二铁Fe2O3及氧化镍NiO按照Na∶Mn∶Fe∶Ni化学计量比为0.67∶0.65∶0.2∶0.15均匀混合，称量上述混合均匀的物料粉末10.0000g，然后添加到转入行星式球磨机的溶剂为200ml的球磨罐中，设置球磨机功率参数为1000W，转速100～1000rpm，球料比10∶1，球磨时间为30～500min，球磨过程中保持体系温度为22～25℃；
第二、球磨结束后，将所得前驱体混合物转入压片机模具内压实，压片厚度为10mm、压片压力10～20MPa，压片模具直径为10～80mm，将压实后的片状材料置于刚玉舟中，送入微波烧结炉内，调整微波烧结炉功率1600W～5000W，升温速率5～20℃/min，在烧结过程中保持Ar气流量200mL/cm3，待升温至500～1200℃后持续保温烧结1～16h，然后冷却至室温，最后转入氩气气氛保护手套箱中保存，即可得到Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2三元正极材料；所述产物为P2型单一相Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2，属于六方晶系；微观形貌为规整层状结构，表面均匀光滑、结晶度高；
第三、三元正极材料表面包覆高导电率碳的处理方法：在室温下取P2型单一相Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2块体材料5g；放于剪切力机械打磨粉碎机的打磨罐中，罐的总体积500mL，转速800～29000转/分钟，设备工作功率可调800～1200W，为了防止材料在粉碎过...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙嬿，李春生，金奕，王莉娜，付俊龙，吴海涛，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32