[發明專利]一種高倍率水系堿金屬電化學電池正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310348987.1
• 申請日: 2013-08-12
• 公開（公告）號: CN103441259A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 戴翔;劉陽;方淳;張五星;黃云輝
• 申請（專利權）人: 恩力能源科技（南通）有限公司
• 主分類號: H01M4/50
• 分類號: H01M4/50
• 代理公司: 北京弘權知識產權代理事務所(普通合伙) 11363
• 代理人: 郭放;榮文英

技術領域

本發明屬于新能源材料技術領域，涉及一種高倍率層狀水系堿金屬電化學正極材料及其制備方法。

背景技術

隨著科技、經濟和社會的發展，能源和環境問題越來越受到關注，能源方面需求持續暴漲，化石能源的短缺和對環境造成的破壞使關注點轉向了風能、太陽能這些可再生資源，然而這些可再生能源受天氣及時間段的影響較大，具有明顯的不穩定、不連續和不可控等特點，需要開發和建設配套的電能儲存（儲能）裝置來保證發電、供電的連續性和穩定性。因此，大規模儲能技術是大力發展太陽能、風能等可再生能源利用和智能電網的關鍵。在所有的儲能技術中，電池可以實現化學能與電能之間的高效轉換，是一種最佳的能量儲存技術。二次可充電池是目前使用最廣泛的一種儲能方式。與其它儲能方式相比，電化學儲能能夠適應不同的電網功能需要，在風電、光電等的集成并網方面尤其具有優勢。對于可充電池儲能技術的推廣方面來說，存在這兩大挑戰。第一是開發具有高電壓和高能量的電池系統，第二是使用成本低、穩定、對環境完全友好、長壽命的電池體系，以保證源源不斷的電能從可再生清潔能源中整合到電網中。

目前，用于大型電網儲能的方式，在實際布建的案例中，還是以傳統的鉛酸電池為主。鉛酸電池成本低、但是壽命短、鉛和濃硫酸等主要材料對環境造成嚴重污染，需要回收。因此，迫切需要找到一種可以替代鉛酸電池的新技術。

近二十年來，鋰離子電池技術的發展日益成熟，由于其能量密度大，輸出電壓高，使得鋰離子電池在不同領域的應用也得到了迅猛發展。但是由于鋰離子電池使用有機溶劑作為電解液，由此造成了制造成本偏高以及在使用中有易燃易爆的安全隱患。中國專利授權公告號CN1328818C公開了一種混合型水系鋰離子電池。其工作原理是：對裝成的電池，首先必須進行充電。充電過程中，鋰離子從正極脫出，通過電解液，鋰離子吸附在活性碳等材料做成的負極。放電過程中，鋰離子從負極上脫附，通過電解液，鋰離子嵌入正極。充放電過程僅涉及鋰離子在兩電極間的轉移。該混合型水系鋰離子電池的正極材料采用LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂、LiMg_0.2Mn_1.8O₄等能夠可逆的嵌入脫出鋰離子的材料，負極則采用比表面積在1000m2/g以上的活性炭、介孔碳或碳納米管等。

另外，隨著鋰離子電池的大規模應用，鋰的需求量會越來越大，由于地殼中有限的儲量，導致鋰材料的價格會越來越高。近年來人們開始關注用更為廉價的堿金屬如鈉，鉀甚至是堿土金屬鎂來取代鋰用于儲能器件。鈉在地殼中的儲量非常豐富，約占2.74%，為第六豐富元素，分布廣泛，含鈉的原料價格較低；以及和鋰相似的電化學性質，鈉基的電池漸漸成為了鋰離子電池的替代選擇。

早期研究的基于鈉金屬的鈉硫和Na/NiCl₂電池，雖然具有較為理想的能量密度，但是要用到熔融態的鈉作為負極，運行溫度在300～350℃之間，因此需要配套使用高額的熱管理體系和特殊的陶瓷固體電解質。另外如果陶瓷固體電解質一旦破損形成短路，高溫的液態鈉和硫就會直接接觸，發生劇烈的放熱反應，產生2000℃的高溫，有較大的安全隱患。基于這些背景和原因，室溫鈉離子電池又成為人們的研究熱點。

中國專利公開號CN102027625A公開了一種以鈉離子為主的水相電解質電化學二次能源儲存裝置，其包括陽極電極、能夠使鈉陽離子可逆性脫嵌的陰極電極、隔板和含有鈉陽離子的水相電解質，其中初始活性陰極電極材料包含在該裝置的初始充電期間使堿金屬離子脫嵌的含堿金屬的活性陰極電極材料。該活性陰極電極材料可以是摻鋁的λ-MnO₂、NaMnO₂(水鈉錳礦結構)、Na₂Mn₃O₇、NaFePO₄F、Na_0.44MnO₂。該陽極電極包含多孔活性炭，且電解質包含硫酸鈉。

中國專利公開號CN1723578A公開了一種鈉離子電池，包括正電極、負電極和電解質。正電極包括一種能夠可逆性循環鈉離子的電化學活性材料，負電極包括一種能夠嵌入鈉離子的碳。該活性材料包括鈉過渡金屬磷酸鹽。過渡金屬包括選自釩（V）、錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鈦（Ti）中的一種過渡金屬及其混合物。