[發明專利]水系鈉離子電池用正極材料及其制備方法和電池

在審

• 申請號: 201710817470.0
• 申請日: 2017-09-12
• 公開（公告）號: CN107732223A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 韓建濤;丘躍崗
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M4/48
• 分類號: H01M4/48;H01M4/50;H01M10/36;C01G45/12
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司11246
• 代理人: 徐楊松

技術領域

本發明涉及電池領域，具體是電池用的正極材料以及制備方法，屬于電化學材料領域。

背景技術

社會的飛速發展對能源的需求日益增加，而儲量有限的煤炭石油等不可再生能源已經難以滿足。水能、風能、太陽能等可再生新能源的發展對能源危機起到了巨大的緩解作用，但儲能是可再生新能源規模化發展的關鍵限制因素之一。

目前，鋰離子儲能設備在很多領域得到了廣泛研究發展和應用，但鋰資源的儲量極大的限制了其在大規模儲能方面的應用。鈉作為鋰元素的同族元素，性質與鋰相似，且資源豐富，開發技術成熟，因此，室溫鈉離子電池得到了研究者們廣泛的研究和發展。鈉離子電池工作原理與鋰離子電池相似，是一種可逆的搖椅式脫嵌鈉離子的過程，通過正負極在充放電過程中的氧化還原反應可逆脫嵌鈉離子達到電池的充放電作用。有機體系鈉離子電池所使用的有機電解液沸點低，易燃易爆，易出現安全問題，極大的限制了有機體系鈉離子電池的規模化。

水系鈉離子電池采用鈉鹽的水溶液作為電解質，具有成本低，安全性高的特點，是大規模儲能的極佳選擇。但目前水系鈉離子電池常用的正極材料主要包括λ-MnO₂、Na_0.44MnO₂等錳基氧化物和普魯士藍類鐵氰化合物。但λ-MnO₂的制備目前局限在酸洗LiMn₂O₄的方法，不能避免鋰資源的使用；Na_0.44MnO₂充放電比容量低(45mAh/g)；普魯士藍類鐵氰化合物比容量低(60mAh/g)且含有氰根存在安全性問題等限制了其作為水系鈉離子電池正極材料的應用。而另外一種摻雜的錳基氧化物正極材料Na_xMn_(1-y-z)A_yTi_zO_2-δ具有較高的比容量(76mAh/g)和優異的循環穩定性，但其合成過程采用價格昂貴的原料Mn₂O₃，成本高，限制了其大規模的生產。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供新型的水系鈉離子電池用正極材料、制備方法以及使用該材料的電池。

本發明提供了一種水系鈉離子電池用正極材料，其特征在于：化學式表示為Na_0.66Mn_0.66Ti_0.34O₂，使用Cu-K_α輻射，使用Cu-K_α輻射，以2θ角度表示的XRD粉末衍射在13.861±0.1、16.473±0.1、19.283±0.1、19.500±0.1、22.286±0.1、33.775±0.1、35.605±0.1、36.908±0.1、48.449±0.1、50.833±0.1有特征峰。

本發明還提供一種水系鈉離子電池用正極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、按照原子摩爾比例Na:Mn:Ti為(0.67～0.72):0.66:0.34稱取碳酸鈉(Na₂CO₃)、二氧化錳(MnO₂)和二氧化鈦(TiO₂)，備用；

步驟二、將步驟一中稱取的起始原料充分混合并研磨，加入適量有機溶劑充分混合并研磨至有機溶劑完全蒸發，得到顆粒細小混合均勻的前驅體粉末；

步驟三、將步驟二中得到的所述前驅體粉末倒入耐高溫容器中，并振實；

步驟四、將步驟三中盛放有前驅體粉末的耐高溫容器進行煅燒：3～5℃/min升溫速率下升溫至第一溫度T₁煅燒一段時間，并在3～5℃/min升溫速率下繼續升溫至第二溫度T₂煅燒一段時間，完成后冷卻至室溫，研磨粉碎后即得到目標產品。

本發明提供的水系鈉離子電池用正極材料的制備方法，還可以具有這樣的特征：其中，所述有機溶劑為無水的醇類溶劑。

本發明提供的水系鈉離子電池用正極材料的制備方法，還可以具有這樣的特征：其中，所述醇類溶劑為無水乙醇。

本發明提供的水系鈉離子電池用正極材料的制備方法，還可以具有這樣的特征：其中，第一溫度T₁為700～800℃，第二溫度T₂為900～1000℃。