[發明專利]鈉離子電池鈦基復合相負極活性材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201910264816.8
• 申請日: 2019-04-03
• 公開（公告）號: CN111785927A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 胡勇勝;丁飛翔;陸雅翔;陳立泉
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/36;H01M4/48;H01M4/58;H01M4/583;H01M4/60;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 北京慧誠智道知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11539
• 代理人: 李楠

本發明公開了一種鈉離子電池鈦基復合相負極活性材料及其制備方法和應用，所述鈦基復合相負極活性材料的化學通式為:Na_xLi_yAl_zTi_1?y?z0_2?δ；其中，0.5≤x≤0.67，0.02≤y≤0.25，0.1≤z≤0.35，0≤δ≤0.05；所述鈦基復合相負極活性材料的主相為P2相物質，空間群為P63/mmc。通過使用資源豐富的過渡金屬元素配合少量的鋰元素構成鈦基復合相負極活性材料，成本低，體積形變小，可逆充放電電位適中，循環穩定。

技術領域

本發明涉及鈉電池材料技術領域，尤其涉及一種鈉離子電池鈦基復合相負極活性材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著科技的進步，一系列綠色清潔能源如太陽能、風能、水能、核能、潮汐能等被開發利用，成為可替代化石能源的最佳選擇。然而，新能源發電的瞬時性和波動性影響著電網的安全運行，因此需要開發高性能的能源儲存和轉化裝置，為使用和發展新能源奠定良好的基礎。廣泛應用于便攜裝置中的鋰離子二次電池，作為一種綠色高性能的二次電池，現已推動著新能源汽車和大規模儲能等領域的產業變革，引人關注。但因鋰資源儲量有限(約為0.0065％)、分布不均勻，而且原材料成本比較高，導致鋰離子電池在大規模儲能方面的應用遇到了瓶頸。與鋰相比堿金屬鈉資源豐富、分布廣泛原料成本低廉，與鋰有相似的物理化學性質，并且正負極集流體均可以用鋁箔進一步降低成本。對于可再生能源的大規模存儲和智能電網來說，室溫鈉離子電池表現出極大潛力。

目前文獻中報道的比較多的鈉離子電池負極材料主要有碳類、過渡金屬氧化物、合金類材料和磷酸鹽等。其中硬碳作為鈉離子電池的負極材料綜合性能比較好，但是其儲鈉平臺電位比較低，難以確保安全的充放電過程；而合金類材料在嵌鈉過程中體積形變大，容易造成極片的粉化，循環性能不佳。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的缺陷，提供一種鈉離子電池鈦基復合相負極活性材料及其制備方法和應用。通過使用資源豐富的過渡金屬元素配合少量的鋰元素構成鈦基復合相負極活性材料，成本低，體積形變小，可逆充放電電位適中，循環穩定。

有鑒于此，在第一方面，本發明實施例提供了一種鈉離子電池的鈦基復合相負極活性材料，所述鈦基復合相負極活性材料的化學通式為:Na_xLi_yAl_zTi_1-y-z0_2-δ；其中，0.5≤x≤0.67，0.02≤y≤0.25，0.1≤z≤0.35，0≤δ≤0.05；所述鈦基復合相負極活性材料的主相為P2相物質，空間群為P63/mmc。

優選的，所述鈦基復合相負極活性材料還具有包覆層；

所述包覆層包括：碳層、氮摻雜的碳、金屬層、氮化物層、氧化物層和高分子聚合物層中的一種或多種；每種包覆層的厚度各自獨立地為1-15nm。

優選的，所述鈦基復合相負極活性材料的化學通式中，0.6≤x≤0.67，0.05≤y≤1/6，0.1≤z≤0.35，0≤δ≤0.02。

第二方面，本發明實施例提供了一種上述第一方面所述的鈦基復合相負極活性材料的制備方法，所述制備方法為固相法，包括：

將所需鈉的化學計量102wt％-110wt％的碳酸鈉、所需鋰的化學計量102wt％-105wt％的鋰源、所需化學計量鈦的氧化物和Al的氧化物、氫氧化物或有機物按比例混合，加入無水乙醇研磨均勻后得到前驅體粉末；所述鋰源包括碳酸鋰、氫氧化鋰和草酸鋰中的一種或多種；

將所得前驅體粉末壓片置于坩堝內于800-1000℃下處理10-24小時，降到室溫后研磨即得所述鈦基復合相負極活性材料。

第三方面，本發明實施例提供了一種上述第一方面所述的鈦基復合相負極活性材料的制備方法，所述制備方法為噴霧干燥法，包括：