层状材料及其制备方法、正极材料以及钠离子电池技术

本发明专利技术公开了一种层状材料及其制备方法、正极材料以及钠离子电池，所述层状材料的化学通式为Na

【技术实现步骤摘要】
层状材料及其制备方法、正极材料以及钠离子电池


[0001]本专利技术涉及电池材料领域，特别是涉及一种层状材料及其制备方法、正极材料以及钠离子电池。

技术介绍

[0002]可再生能源对于可持续发展变得越来越重要。在各种节能和存储系统中，电化学能源技术被认为是最有效的方式。例如，锂离子电池因其高能量密度、环保和长循环寿命而被应用到社会的各个方面。然而，它们的进一步发展在很大程度上受到锂资源短缺和成本增加的限制。为了以低成本解决巨大的市场需求问题，钠离子电池以其丰富的储量和与锂离子电池相似的化学性质而备受关注。与硬碳负极不同，钠离子电池的正极材料有更多的候选材料，如过渡金属氧化物、磷酸盐以及普鲁士蓝类似物，保证了对能量密度的各种需求。
[0003]在这些正极材料中，层状过渡金属氧化物(Na
x
TMO2，0<x≤1，TM＝Fe、Mn、Ni、Cu以及Co等过渡金属)因其高平均电压、高比容量和易于合成的优点而脱颖而出。根据Na
+
的配位环境和氧的堆积顺序，将Na
x
TMO2分为两种常见类型，即P2型和O3型。与O3型相比，P2型正极因其更稳定的结构框架和更高的离子扩散率而被广泛研究。鉴于原材料成本低和能量密度高(520Wh kg
‑1)，P2型Fe/Mn基层状氧化物有望满足可持续大规模电池的要求。然而，这种材料仍然存在过渡金属层滑移导致其作为钠离子电池正极材料后，钠离子电池表现出倍率性能差、体积变化大和循环稳定性严重的问题。

技术实现思路

[0004]基于此，为了提高层状材料的稳定性，以及进一步提高该层状材料作为正极材料的钠离子电池容量倍、率性能以及循环稳定性能，有必要提供一种层状材料及其制备方法、正极材料以及钠离子电池。
[0005]本专利技术提供一种层状材料，所述层状材料的化学通式为Na
n
‑
x
K
x
Mn1‑
y
TM
y
O2，其中0.5≤n≤1，0＜x＜0.2，0＜y＜1，TM为过渡金属元素。
[0006]在其中一个实施例中，所述过渡金属元素选自钛、铬、钒、铁、钴、铜、锌、铑、银、钯、铂、钨以及镍中的一种或多种。
[0007]本专利技术提供上述层状材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S10：混合锰盐、过渡金属化合物以及第一溶剂，制备第一溶液；
[0009]步骤S20：混合沉淀剂以及第二溶剂，制备第二溶液；
[0010]步骤S30：将所述第二溶液加入至所述第一溶液中，制备第三溶液；
[0011]步骤S40：离心所述第三溶液，收集固体进行清洗以及干燥，制备沉淀物；
[0012]步骤S50：将所述沉淀物进行热处理，制备前驱体氧化物；
[0013]步骤S60：混合所述前驱体氧化物、钠盐以及钾盐，煅烧。
[0014]在其中一个实施例中，步骤S10满足以下一个或多个特征：
[0015](1)所述锰盐选自硝酸锰、草酸锰、硫酸锰、乙酸锰以及氯化锰中的一种或多种；
[0016](2)所述过渡金属化合物选自过渡金属硫酸盐、过渡金属乙酸盐、过渡金属氧化物、过渡金属碳酸盐以及过渡金属氢氧化物中的一种或多种；
[0017](3)所述第一溶剂选自去离子水、乙醇以及乙二醇中的一种或多种。
[0018]在其中一个实施例中，步骤S20满足以下一个或多个特征：
[0019](1)所述沉淀剂选自碳酸钠、氢氧化钠以及碳酸氢铵中的一种或多种；
[0020](2)所述第二溶剂选自去离子水、乙醇以及乙二醇中的一种或多种。
[0021]在其中一个实施例中，在步骤S30之后以及在步骤S40之前还包括将所述第三溶液置于170℃～190℃的环境中20h～28h的步骤。
[0022]在其中一个实施例中，步骤S40中，清洗是指依次使用去离子水以及乙醇进行清洗。
[0023]在其中一个实施例中，步骤S50中，所述热处理的条件包括：热处理温度为480℃～520℃，热处理时间为4h～8h。
[0024]在其中一个实施例中，步骤S60满足以下一个或多个特征：
[0025](1)所述钠盐选自碳酸钠、乙酸钠、草酸钠以及硝酸钠中的一种或多种；
[0026](2)所述钾盐选自碳酸钾、氢氧化钾、乙酸钾以及硝酸钾中的一种或多种；
[0027](3)所述前驱体氧化物、所述钠盐以及所述钾盐的物质的量的比例为1:(0.5～0.7):(0.03～0.12)；
[0028](4)所述煅烧的条件包括：煅烧温度为850℃～950℃，煅烧时间为15h～25h。
[0029]本专利技术还提供一种正极材料，原料包括上述的层状材料、导电剂以及粘结剂。
[0030]在其中一个实施例中，所述层状材料、所述导电剂以及所述粘结剂的质量比为(5～10):(1～3):(1～3)。
[0031]进一步地，本专利技术还提供一种钠离子电池，包括正极片、负极片、隔膜和电解液组成，所述隔膜置于所述正极片和所述负极片之间，所述正极片、所述负极片以及所述隔膜置于所述电解液中，所述正极片包括上述的正极材料。
[0032]上述层状材料通过优化钠、铁、锰以及过渡金属之间的比例，以及选择适量较大离子半径的钾可以作为稳定材料主体层状结构的支柱并扩大晶面间距，提高了层状材料的晶体结构的稳定性，将上述层状材料作为钠离子电池中的正极材料，使钠离子电池表现出最高的循环稳定性和倍率性能。
附图说明
[0033]图1为实施例1、实施例2以及对比例1制备得到的层状材料的XRD图，(a)为实施例1，(b)为实施例2，(c)为对比例1；
[0034]图2为实施例1、对比例1以及对比例2制备得到的层状材料的SEM图，(a)为实施例1，(b)为对比例1，(c)为对比例2；
[0035]图3为采用实施例1、实施例3以及对比例1～2制得的层状材料作为正极材料的钠离子电池循环稳定性测试图；
[0036]图4为采用实施例1～2以及对比例1制得的层状材料作为正极材料的钠离子电池倍率性能图。
具体实施方式
[0037]本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本专利技术的公开内容理解的更加透彻全面。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本专利技术。此外，本专利技术可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
[0038]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在专利技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本专利技术的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种层状材料，其特征在于，所述层状材料的化学通式为Na
n
‑
x
K
x
Mn1‑
y
TM
y
O2，其中0.5≤n≤1，0＜x＜0.2，0＜y＜1，TM为过渡金属元素。2.如权利要求1所述的层状材料，其特征在于，所述过渡金属元素选自钛、铬、钒、铁、钴、铜、锌、铑、银、钯、铂、钨以及镍中的一种或多种。3.如权利要求1或2所述的层状材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S10：混合锰盐、过渡金属化合物以及第一溶剂，制备第一溶液；步骤S20：混合沉淀剂以及第二溶剂，制备第二溶液；步骤S30：将所述第二溶液加入至所述第一溶液中，制备第三溶液；步骤S40：离心所述第三溶液，收集固体进行清洗以及干燥，制备沉淀物；步骤S50：将所述沉淀物进行热处理，制备前驱体氧化物；步骤S60：混合所述前驱体氧化物、钠盐以及钾盐，煅烧。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S10满足以下一个或多个特征：(1)所述锰盐选自硝酸锰、草酸锰、硫酸锰、乙酸锰以及氯化锰中的一种或多种；(2)所述过渡金属化合物选自过渡金属硫酸盐、过渡金属乙酸盐、过渡金属氧化物、过渡金属碳酸盐以及过渡金属氢氧化物中的一种或多种；(3)所述第一溶剂选自去离子水、乙醇以及乙二醇中的一种或多种。5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S20满足以下一个或多个特征：(1)所述沉淀剂选自碳酸钠、氢氧化钠以及碳酸氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈敏，唐光霞，林智烨，罗燊，陈添伟，陈家坤，项问津，李伟善，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：