[發明專利]一種用于鈉離子電池的負極材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 201710261280.5
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN107086300B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 王保峰;田劍莉亞;許貝貝;馬瀟;平秋實
• 申請（專利權）人: 上海電力學院
• 主分類號: H01M4/48
• 分類號: H01M4/48;H01M10/054
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

本發明提供了一種用于鈉離子電池的負極材料，其化學式為Ni₃B₂O₆，晶體結構為正交晶系結構，屬于Pnnm空間群。本發明還提供了上述用于鈉離子電池的負極材料的制備方法，將鎳源和硼源混合均勻后，在氧化性氣氛條件下進行燒結，然后經過冷卻，洗滌，烘干步驟，制得純相硼酸鎳材料。本發明具有原料來源廣、制備成本低、制備工藝流程簡單，對設備的性能要求低，產品純度高，安全性能好等特點。制得的硼酸鎳材料應用于鈉離子電池時，表現出良好的儲鈉能力及優異的電化學性能。

技術領域

本發明屬于材料學領域，涉及一種儲能材料，具體來說是一種用于鈉離子電池的負極材料及其制備和應用。

背景技術

太陽能、風能、潮汐能等綠色環保能源的快速發展為其配套儲能系統提出了更高的要求和更廣闊的應用范圍。作為最有應用前景的儲能系統，化學電源的研究和發展聚焦了眾多學者的注意力。自上世紀90年代鋰離子電池商業化以來，由于具有高電壓、高能量密度、無記憶效應等優勢而得到快速發展，現今已廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車等方面；但是由于受到鋰資源的限制，人們正在大力研究可替代鋰離子電池的化學電池系統。在元素周期表中，鈉元素和鋰元素處于同一主族的相鄰周期，具有相似的物理和化學性質；此外，鈉與鋰相比，因其儲量更豐富，提煉更簡單，分布更廣泛等特點而具有獨特的優勢。因此，鈉離子電池可作為一種應用于大規模儲能的化學電源。

鈉離子電池同鋰離子電池具有類似的工作原理，但是由于鈉離子具有比鋰離子更大的離子半徑而相對困難的在電極材料中進行可逆脫嵌，且在嵌入/出過程中，易使材料結構損害，使電池容量變低，循環性能變差。因此新型的性能優異的電極材料的探索研究是鈉離子電池研究發展的關鍵課題。目前，鈉離子電池正極材料的研究集中如含鈉過渡金屬氧化物（如Na_xCoO₂、Na_xMnO₂）和過渡金屬氟磷酸鈉鹽（如NaVPO₄F、Na₂FePO₄F）等方面。而在負極材料方面的研究相對較少。

用于鈉離子電池的負極材料的研究中，在炭材料方面，由于鈉離子半徑較大，不能再傳統的鋰離子電池負極材料石墨中進行可逆脫嵌，非石墨碳材料主要集中于硬碳和軟碳。Komaba等人通過改善電解液和硬碳的微結構提高了硬碳儲鈉的首次效率和循環穩定性， 采用扣式電池首周庫侖效率高達90%，循環100周后仍有220mAh/g， 以NaNi_0.5Mn_0.5O₂為正極構建的全電池顯示了較好的循環性能（Advanced Functional Materials. 2011, 21,3859）。在合金類材料中，Xiao等采用高能球磨法制備了SnSb/C納米復合物， 首次循環過程的可逆儲鈉容量為544mAh/g, 表現了較好的循環穩定性和倍率性能，50周循環后保持有435mAh/g（Journal of the Chemical Society chemical Communications, 2012, 48,3321）。此類材料具有巨大的發展潛力，但其在充放電過程中由于的電極的體積膨脹造成的電極材料結構的變化可引起電池容量的衰減，從而制約其發展。此外，金屬氧化物、鈦酸鹽、有機物等也可作為用于鈉離子電池的負極材料。

隨著新能源的研究發展，對鈉離子電池作為儲能裝置的要求越來越高，人們渴望研究出高比能量、長循環壽命和制備簡單等特點的鈉離子負極材料。

發明內容

針對現有技術中的上述技術問題，本發明提供了一種用于鈉離子電池的負極材料及其制備和應用。

本發明提供了一種用于鈉離子電池的負極材料，其化學式為Ni₃B₂O₆，晶體結構為正交晶系結構，屬于Pnnm空間群。