一种钠离子电池的层状氧化物正极、其制备方法及用途技术

本发明专利技术提供了一种钠离子电池的层状氧化物正极、其制备方法及用途，所述的层状氧化物正极包括依次交替的钠离子层和过渡金属层，所述钠离子层的层间距离记为D

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池的层状氧化物正极、其制备方法及用途


[0001]本专利技术属于钠离子电池
，涉及一种钠离子电池的层状氧化物正极、其制备方法及用途。

技术介绍

[0002]资源枯竭和环境污染已成为了传统能源发展的瓶颈，改变目前的能源结构、开发新能源成为当今社会迫在眉睫的任务。自1991年，第一个商品化的锂离子电池——碳/钴酸锂电池被运用于便携储能设备中，由于拥有高电压、高能量密度和长寿命，锂离子电池迅速进入了便携式电子设备以及电动汽车等领域。成为了目前应用最为广泛的化学储能装置。然而，随着电动汽车和电化学储能的进一步发展，全球的锂资源有限，势必会带来严重的资源稀缺，相对储量匮乏的锂元素的价格势必会继续提高。因此，发展下一代具有优异电化学性能和价廉的储能体系显得极为重要。钠是与锂元素同族的元素，它具有与锂相似的电化学性质，并且其具有资源丰富、价格低廉、环境友好等优势，成为一种极具发展前景的替代锂离子电池的新型绿色储能体系，并且钠离子电池能量密度在160wh/kg以上，非常有竞争力，得到了国内外产业界的广泛关注。
[0003]钠离子电池由于其成本低、来源丰富等特点，一直以来被认为是锂离子电池的有益补充。时至今日，钠离子电池的相关技术研究已经在学术和工业领域引起了广泛的关注。开发高容量、高电位的正极材料对于其实际应用是至关重要的。在过去近十年中，提出了氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类似物等各种正极材料。其中，层状氧化物材料因其具有优异的电化学性能而得到了广泛研究。由于钠离子不同的垛堆方式，钠基层状材料通常可以分类为P型和O型。其中，P型是指钠离子占据三棱柱位置；O型是指钠离子占据八面体位置。理解这两种晶体结构潜在的构效关系，将有助于开发更高性能的钠离子电池材料。
[0004]CN107706375A公开了一种制备锰基钠离子复合氧化物正极材料的方法，它属于能源新材料
该正极材料的组成通式为Na1‑
x
Q
x
Mn1‑
y
M
y
O2，其中0≤x≤0.4，0≤y＜0.4，Q、M均为改性元素。其具体方法：将钠源、锰源、改性元素Q和M的化合物，按照Na:Q:Mn:M摩尔比为0.1～1.0:0～0.9:0.5～1.0:0～0.5称取后，装入有破碎介质和分散剂的设备里进行破碎及均匀混合后，在500～900℃温度的范围内进行3～30h的结晶合成，之后降温到200～500℃范围后恒温淬火1～5h，其后自然冷却至室温，最后在混磨设备中混合和破碎，得到锰基钠离子复合氧化物正极材料。
[0005]CN111564605A公开了一种层状氧化物正极及制备方法和应用及含其的钠离子电池，所述层状氧化物正极为钠锰与掺杂金属元素组成的四元层状氧化物正极，其化学式为Na
x
‑
α
M
α
[A
y
Mn1‑
y
]O2，其中，0.05≤α≤0.3，0.4≤x≤0.9，0.1≤y≤0.5；M为掺杂进入所述正极的碱金属层的金属离子，M的离子半径不小于钠离子；A为所述正极的过渡金属层中的金属离子。所述M选自K
+
、Ca
2+
、Sr
2+
或Ba
2+
中的一种或多种；所述A选自Li
+
、Mg
2+
、Zn
2+
中的一种或多种。
[0006]CN112510196A公开了一种锰基金属氧化物正极的制备方法，制作步骤包括如下：
S1，研磨烧制：将化学计量比的四氧化三钴，氧化镍，氧化锰，碳酸钠研磨在玛瑙研钵中充分研磨，然后在马弗炉中500℃烧3小时后继续升温至850℃烧12h；S2，冷却隔绝：冷却至室温后将所得固体粉末保存在氩气保护的手套箱中隔绝空气和水分；S3，正极包覆；S4，准备材料；S5，搅拌混合；S6，浆料滴加；S7，真空干燥。
[0007]现市面上的正极材料在使用时其性能受到很多因素的影响，这严重阻碍钠离子电池的实际应用，较大半径的钠离子在重复的嵌入/脱出过程中会导致主体材料的结构塌陷，严重损害了电池的循环寿命和倍率性能，在应用时不具备由于优异的循环性能和倍率性能，使用时存在一定的局限性。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种钠离子电池的层状氧化物正极、其制备方法及用途，有利于改善钠离子的脱嵌，改善材料的容量和循环寿命。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供了一种钠离子电池的层状氧化物正极，所述的层状氧化物正极包括依次交替的钠离子层和过渡金属层，所述钠离子层的层间距离记为D
Na
，所述过渡金属层的层间距离记为D
M
，D
Na
/D
M
＝1.6～1.9。但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0011]本专利技术特别限定了钠离子层的层间距离与过渡金属层的层间距离之间的比例关系，D
Na
/D
M
在1.6～1.9范围内时，有利于改善钠离子的脱嵌，改善材料的容量和循环寿命，当D
Na
/D
M
超过1.9时，会导致循环寿命下降，这是由于层状结构会变得不稳定；当D
Na
/D
M
小于1.6时，会导致材料的容量下降，这是由于钠离子的脱嵌变得更加困难。
[0012]需要说明的是，本专利技术限定的层状氧化物正极的分子结构中，钠离子层中均匀排布的钠离子与相邻过渡金属层中均匀排布的过渡金属离子之间通过氧离子进行化学键连接，从而形成正多面体的骨架结构。
[0013]作为本专利技术一种优选的技术方案，D
Na
/D
M
＝1.74～1.80。
[0014]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的过渡金属层中的过渡金属包括Fe、Mn、Cu、Ni、Ti、Zn、Zr、Mo或Nb。
[0015]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的层状氧化物正极还包括掺杂元素。
[0016]需要说明的是，本专利技术中掺杂元素并不会形成独立的一层，而是基于不同掺杂元素离子与钠离子或过渡金属离子之间的化学键能大小，与钠离子或过渡金属离子形成化学键连接。本专利技术通过加入掺杂元素，有利于避免层状结构的塌陷，从而提高分子结构的稳定性。
[0017]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的掺杂元素的离子半径大于钠离子半径；
[0018]优选地，所述的掺杂元素包括离子半径大于钠离子半径的碱金属或者碱土金属，进一步优选为K、Rb、Cs、Sr或Ba中的任意一种。
[0019]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的层状氧化物正极的化学通式为Na
y
A
x
MO
2+δ
，其中A为掺杂元素，M为过渡金属元素，0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池的层状氧化物正极，其特征在于，所述的层状氧化物正极包括依次交替的钠离子层和过渡金属层，所述钠离子层的层间距离记为D
Na
，所述过渡金属层的层间距离记为D
M
，D
Na
/D
M
＝1.6～1.9。2.根据权利要求1所述的层状氧化物正极，其特征在于，D
Na
/D
M
＝1.74～1.80。3.根据权利要求1或2所述的层状氧化物正极，其特征在于，所述的过渡金属层中的过渡金属包括Fe、Mn、Cu、Ni、Ti、Zn、Zr、Mo或Nb。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的层状氧化物正极，其特征在于，所述的层状氧化物正极还包括掺杂元素。5.根据权利要求4所述的层状氧化物正极，其特征在于，所述的掺杂元素的离子半径大于钠离子半径；优选地，所述的掺杂元素包括离子半径大于钠离子半径的碱金属或者碱土金属，进一步优选为K、Rb、Cs、Sr或Ba中的任意一种。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的层状氧化物正极，其特征在于，所述的层状氧化物正极的化学通式为N...

【专利技术属性】
技术研发人员：江卫军，陈思贤，杨红新，郑晓醒，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：