一种钠离子电池铜铁锰基正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钠离子电池铜铁锰基正极材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：S1将钠源、铜源、铁源、锰源和掺杂源M溶解于去离子水中，再加入燃料，搅拌均匀得混合溶液；S2将所述混合溶液置于马弗炉中进行自蔓延燃烧，所述自蔓延燃烧是先将马弗炉升温到300

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池铜铁锰基正极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及钠离子电池材料的制备
，尤其是一种钠离子电池铜铁锰基正极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池因其高能量密度、高功率密度和长循环寿命等优点，已被广泛应用于便携式电子器件和电动汽车中。但是由于锂储量少且分布不均以及近几年来全球电动汽车行业的井喷式发展使得锂的用量迅速增加，导致锂价格飙升，从而限制了锂离子电池在规模储能方面的应用。
[0003]钠离子电池与锂离子电池具有类似的电化学脱嵌机理，且钠离子电池具有钠资源丰富、高低温性能优异、安全性高等优点，被认为是规模储能领域的理想器件。在钠离子电池体系中，正极材料对电池的能量密度、循环寿命以及成本起决定性作用。因此，寻找合适的正极材料对钠离子电池的发展与应用至关重要。
[0004]钠离子电池铜铁锰基正极材料由于原料丰富、环境友好、空气稳定性好等优势引起了研究人员的广泛关注。钠离子电池铜铁锰基正极材料常用的制备方法包括高温固相法、溶胶
‑
凝胶法，其中，高温固相法制备的铜铁锰基正极材料存在产物纯度不高、颗粒尺寸偏大等缺陷，导致其循环性能和倍率性能较差，且材料煅烧温度高(约1000℃)、煅烧时间长(约20h)，造成能量损耗大，不利于节能和环保。采用溶胶
‑
凝胶法有利于提高材料的纯度，改善材料的形貌，但其制备工艺流程复杂，不利于工业化生产和应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服现有的钠离子电池铜铁锰基正极材料制备过程中存在的加热温度高、材料性能不佳的问题，提供一种钠离子电池铜铁锰基正极材料的制备方法，采用加入燃料的方式让钠源、铜源、铁源、锰源和掺杂源M先在低温下进行溶液燃烧，在自蔓延燃烧过程中，上述物质反应形成具有反应活性高的纳米晶前驱体，对前驱体进行煅烧以低于常规铜铁锰基正极材料煅烧温度200
‑
300℃的热氛围进行，在短时间内即可形成结构稳定的目标产物，且产物的晶相结构完整，呈现P2或O3型层状氧化物结构，产物纯度高，颗粒尺寸小，形貌规整，粒径分布较均匀，即使进行多次充放电也能保持较高的容量。
[0006]具体方案如下：
[0007]一种钠离子电池铜铁锰基正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1将钠源、铜源、铁源、锰源和掺杂源M溶解于去离子水中，再加入燃料，搅拌均匀得混合溶液；
[0009]S2将所述混合溶液置于马弗炉中进行自蔓延燃烧，所述自蔓延燃烧是先将马弗炉升温到300
‑
500℃，再将所述混合溶液置于马弗炉中，混合溶液在含氧氛围下进行燃烧，燃烧时间为1
‑
60min，得到前驱体；
[0010]S3将所述前驱体进行煅烧，所述煅烧的温度为600
‑
900℃，时间为1
‑
10h，得到所述
钠离子电池铜铁锰基正极材料。
[0011]进一步的，步骤S1中所述钠源选自硝酸钠、乙酸钠、柠檬酸钠、碳酸钠中的至少一种；
[0012]任选的，所述铜源选自硝酸铜、乙酸铜、硫酸铜中的至少一种；
[0013]任选的，所述铁源选自硝酸铁、乙酸铁、柠檬酸铁、硫酸亚铁中的至少一种；
[0014]任选的，所述锰源选自乙酸锰、硝酸锰、硫酸锰中的一种；
[0015]任选的，所述掺杂源M为Ni、Co、Mg、Zn、Zr、Ca、Al、V、Ti、Nb、W、Mo、Ce、Li、Na、K的可溶性盐中的至少一种。
[0016]进一步的，步骤S1中所述钠源、所述铜源、所述铁源、所述锰源、所述掺杂源M的加量按照分子式中对应元素的摩尔比例，分子式为Na
a
[Cu
b
Fe
c
Mn
d
M1‑
b
‑
c
‑
d
]O2，其中，0.6≤a≤1，0＜b≤0.3，0＜c≤0.5，0＜d≤0.9，0.8≤b+c+d≤1。
[0017]进一步的，步骤S1中，当所述钠源、所述铜源、所述铁源、所述锰源、所述掺杂源M中含有硝酸盐时，所述燃料为柠檬酸、草酸、抗坏血酸、甘氨酸、蔗糖、葡萄糖、尿素中的至少一种，所述燃料的加量为所述硝酸盐摩尔数的1
‑
10倍。
[0018]进一步的，步骤S1中，当所述钠源、所述铜源、所述铁源、所述锰源、所述掺杂源M中不含有硝酸盐时，所述燃料为柠檬酸、草酸、抗坏血酸、甘氨酸、蔗糖、葡萄糖、尿素中的至少一种，同时还加入硝酸，搅拌均匀得到所述混合溶液，其中，所述燃料的加量为所述硝酸摩尔数的1
‑
10倍，所述硝酸的加量为所述混合溶液的总离子摩尔数的0.1
‑
1倍。
[0019]进一步的，步骤S2中，现将马弗炉升温到400
‑
500℃，再将所述混合溶液置于马弗炉中，混合溶液在含氧氛围下进行燃烧，燃烧时间为5
‑
30min，得到前驱体。
[0020]进一步的，步骤S3中，将所述前驱体进行煅烧，煅烧时的升温速度为1
‑
10℃/min，煅烧温度700
‑
850℃。
[0021]本专利技术还保护所述钠离子电池铜铁锰基正极材料的制备方法制备得到的钠离子电池铜铁锰基正极材料，所述钠离子电池铜铁锰基正极材料的分子式为Na
a
[Cu
b
Fe
c
Mn
d
M1‑
b
‑
c
‑
d
]O2，其中，0.6≤a≤1，0＜b≤0.3，0＜c≤0.5，0＜d≤0.9，0.8≤b+c+d≤1，为P2或O3型层状氧化物，单个颗粒具有微纳米结构，颗粒厚度为0.05
‑
1μm，单个颗粒的粒径为1
‑
50μm，材料的纯度大于等于99％。
[0022]本专利技术还保护一种电极，包含所述钠离子电池铜铁锰基正极材料。
[0023]本专利技术还保护一种钠离子电池，包含所述电极，所述钠离子电池在2
‑
4.2V电压范围内以10mA/g进行充放电时放电比容量为150
‑
160mAh/g，循环50次后容量保持率为90％
‑
92％；在空气中放置1个月后，以20mA/g进行充放电时放电比容量大于等于120mAh/g。
[0024]有益效果：
[0025]本专利技术中，采用自蔓延燃烧法制备钠离子电池铜铁锰基正极材料，使原料能在分子水平混合均匀，制得的产物纯度更高，形貌更均匀，产物煅烧所需温度得到降低、所需时间极大的减少，制备工艺简单，绿色环保，易于大规模生产。
[0026]再则，本专利技术中所述方法，相比高温固相法、溶胶
‑
凝胶法，在降低反应温度，缩短操作时间的同时，获得的正极材料纯度高、形貌规整，无需进行后续的粉碎、过筛即可直接运用。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池铜铁锰基正极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1将钠源、铜源、铁源、锰源和掺杂源M溶解于去离子水中，再加入燃料，搅拌均匀得混合溶液；S2将所述混合溶液置于马弗炉中进行自蔓延燃烧，所述自蔓延燃烧是先将马弗炉升温到300
‑
500℃，再将所述混合溶液置于马弗炉中，混合溶液在含氧氛围下进行燃烧，燃烧时间为1
‑
60min，得到前驱体；S3将所述前驱体进行煅烧，所述煅烧的温度为600
‑
900℃，时间为1
‑
10h，得到所述钠离子电池铜铁锰基正极材料。2.根据权利要求1所述钠离子电池铜铁锰基正极材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述钠源选自硝酸钠、乙酸钠、柠檬酸钠、碳酸钠中的至少一种；任选的，所述铜源选自硝酸铜、乙酸铜、硫酸铜中的至少一种；任选的，所述铁源选自硝酸铁、乙酸铁、柠檬酸铁、硫酸亚铁中的至少一种；任选的，所述锰源选自乙酸锰、硝酸锰、硫酸锰中的一种；任选的，所述掺杂源M为Ni、Co、Mg、Zn、Zr、Ca、Al、V、Ti、Nb、W、Mo、Ce、Li、Na、K的可溶性盐中的至少一种。3.根据权利要求1所述钠离子电池铜铁锰基正极材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述钠源、所述铁源、所述铜源、所述锰源、所述掺杂源M的加量按照分子式中对应元素的摩尔比例，分子式为Na
a
[Cu
b
Fe
c
Mn
d
M1‑
b
‑
c
‑
d
]O2，其中，0.6≤a≤1，0＜b≤0.3，0＜c≤0.5，0＜d≤0.9，0.8≤b+c+d≤1。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述钠离子电池铜铁锰基正极材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，当所述钠源、所述铜源、所述铁源、所述锰源、所述掺杂源M中含有硝酸盐时，所述燃料为柠檬酸、草酸、抗坏血酸、甘氨酸、蔗糖、葡萄糖、尿素中的至少一种，所述燃料的加量为所述硝酸盐摩尔数的1
‑
10倍。5.根据权利要求1
‑
3中任一项所述钠离子电池铜铁锰基正极材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，当所述钠源、所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦牡兰，唐陈冉，刘慧美，刘万民，申斌，王伟刚，
申请(专利权)人：长沙美悦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：