[發明專利]摻雜的鎳酸鹽化合物

有效

• 申請號: 201380036339.0
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN104428253B
• 公開（公告）日: 2016-10-12
• 發明（設計）人: J·巴克;R·希普
• 申請（專利權）人: 法拉典有限公司
• 主分類號: C01G53/00
• 分類號: C01G53/00
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 郭廣迅

發明領域

本發明涉及新的摻雜的鎳酸鹽化合物、它們的制備方法，涉及使用包含所述摻雜的鎳酸鹽化合物的活性材料的新電極，以及涉及這些電極的用途，例如在儲能裝置中的用途。

發明背景

鈉離子電池在許多方面與目前通用的鋰離子電池是類似的；它們都是可重復使用的包括陽極(負極)、陰極(正極)和電解質材料的二次電池，二者都能夠儲存能量，并且它們都通過類似的反應機理充電和放電。當鈉離子(或鋰離子電池)充電時，Na⁺(或Li⁺)離子從陰極脫嵌(de-intercalat?e)并插入陽極。同時，電荷平衡的電子從陰極流經含有充電器的外電路并進入電池的陽極。在放電期間，發生相同的過程，但是方向相反。

近年來鋰離子電池技術已經引起了大量關注并為目前使用的大多數電子器件提供了優選的便攜式電池；然而，鋰不是來源便宜的金屬，并被認為對于在大規模應用中使用而言過于昂貴。與之相比，鈉離子電池技術仍處于其相對初期，但被視為有利的；鈉比鋰更加豐富，并且一些研究者預言，這將給今后的、特別是針對大規模應用儲能，例如在電網上儲能，提供更便宜且更持久的方式。然而，在鈉離子電池成為商業現實之前，還必須要做大量的工作。

NaNi_0.5Mn_0.5O₂是一種已知的鈉離子材料，其中，鎳作為Ni²⁺存在，而錳作為Mn⁴⁺存在。該材料是以Na和Ni原子存在于結構內的離散位點來排列的。鎳離子(Ni²⁺)是氧化還原元素，其有助于可逆的比容量；錳離子(M?n⁴⁺)起到結構穩定劑的作用。化合物NaNi_0.5Ti_0.5O₂與NaNi_0.5Mn_0.5O₂的類似之處在于，Ni²⁺離子提供活性氧化還原中心，Ti⁴⁺離子為了結構穩定而存在。有大量的文獻描述了制備NaNi_0.5Mn_0.5O₂(以及較小程度上，NaNi_0.5Ti_0.5O₂)作為用于通過Na→Li離子交換制備針對鋰離子應用的LiNi_0.5Mn_0.5O₂和Li?Ni_0.5Ti_0.5O₂的前體。制備這些Li材料的直接合成方法產生了不期望的無序材料，例如，作為鋰和鎳原子共享結構位點的結果。

由Komaba等人于Adv.Funct.Mater.2011,21,3859報道的最新電化學研究描述了碳酸丙烯酯電解質溶液中的硬碳和層狀NaNi_0.5Mn_0.5O₂電極的鈉插入性能。得到的結果表明，雖然NaNi_0.5Mn_0.5O₂顯示出一些可逆的充放電能力，但是在僅40次循環后，該材料的容量衰減25％或更多。

本發明的目的是提供新的化合物。進一步地，本發明的目的是提供成本有效的電極，該電極含有制備簡單且易于處理和儲存的活性材料。本發明的另一目的是提供具有高的初始放電比容量(initial?specific?discharge?capacity)且能夠多次充電而充電容量沒有顯著損失的電極。

因此，本發明的第一方面提供了化合物，其式為：

Α_1-δNi_0.5M¹_0.5-XM²_XO₂

其中，

A包括一種或多種選自鋰、鈉和鉀的堿金屬；

Μ¹和M²各自包括+4氧化態的金屬，其選自錳、鈦和鋯中的一種或多種；

其中，

0≤δ≤0.1；

X的范圍為0≤X<0.5；以及

進一步地，其中當X＝0時，則M¹≠Mn或Ti。