[發明專利]一種高能量密度鈉離子電池鐵錳基正極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010863823.2
• 申請日: 2020-08-25
• 公開（公告）號: CN111952579A
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 曹明慧
• 申請（專利權）人: 東華理工大學
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/505;H01M4/525;H01M10/054
• 代理公司: 杭州潤淶知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 33358
• 代理人: 李磊

本發明公開了一種高能量密度鈉離子電池鐵錳基正極材料及其制備方法，所述鈉離子電池正極材料為P2型層狀過渡金屬氧化物材料，具體化學式為Na_xFe_aMn_bM1_cO₂(0.6≤x≤0.7，0a≤1/3，0b≤1/2，0c≤1/6)，其中M1為空位(□)、Li、Mg、Zn或Al中的一種或幾種；其制備方法是利用球磨法得到前驅體，再采用固相燒結法分步煅燒來合成目標材料。本發明制備過程簡單，操作方便，球磨處理前驅體可以使得合成材料顆粒更加均勻；制得的材料可應用于鈉離子電池，其中的氧離子能夠參與氧化還原反應，使得材料具有工作電壓高、比容量大及能量密度高的優點，同時此類材料屬于Na?Fe?Mn?O體系材料，元素儲量豐富，環境友好，制作成本低，可應用于高能量密度鈉離子電池的大規模開發與應用。

技術領域

本發明涉及一種鈉離子電池正極材料，尤其是一種高能量密度鈉離子電池鐵錳基正極材料及其制備方法。

背景技術

隨著化石燃料的消耗及環境污染的日益加劇，對可再生能源風能、太陽能、潮汐能等的利用越來越受到關注，大規模儲能技術的發展也越來越受到重視。其中鋰離子電池在儲能領域已經得到了成功的應用，近些年來成功地獲取了科學界和產業界的廣泛關注，但鋰資源的儲量有限且分布不均勻，鋰離子電池的成本高等問題限制了鋰離子電池在儲能領域的大規模應用。目前，尋找合適的正極材料是鈉離子電池實現大規模儲能應用的關鍵任務，從電化學和經濟學的角度綜合來看，自然界中儲量十分豐富且成本較低的鐵錳基層狀氧化物是最具商業潛力的鈉離子電池正極材料之一，然而由于其僅由過渡金屬離子變價來提供電荷補償，極大地限制了電池能量密度的提升。因此，開發高能量密度鐵錳基層狀氧化物正極材料是發展鈉離子電池的重要任務，契合國家能源戰略和能源安全的重大需求。

本發明專利采用“球磨-固相反應”兩步合成法，在過渡金屬層中引入空位(□)或弱電負性的Li⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、Al³⁺，來激活陰離子(O^2-)的氧化還原反應活性，從而達到提高鐵錳基層狀氧化物正極材料能量密度的目的。本發明可以為開發高容量鈉離子電池正極材料提供新的技術思路和理論儲備。

發明內容

本發明針對現有的P2型層狀鐵錳基鈉離子電池正極材料能量密度低的問題，提供了一種具有高能量密度、操作簡單、成本低等優點的鈉離子電池層狀結構鐵錳基正極材料以及制備方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種高能量密度鈉離子電池鐵錳基正極材料，具體為一種鐵錳基層狀氧化物材料，其化學通式為Na_xFe_aMn_bM1_cO₂，其中M1為空位(□)、Li、Mg、Zn或Al中的一種或幾種，用于取代材料中的過渡金屬位置；所述材料中各元素的摩爾百分比的范圍為0.6≤x≤0.7，0a≤1/3，0b≤1/2，0c≤1/6，其中a，b，c的關系滿足a+b+c＝1，并且整個化學式要保持電中性；所述鐵錳基層狀氧化物材料屬于P2型結構，對應的空間群為P63/mmc。

一種高能量密度鈉離子電池鐵錳基正極材料的制備方法，所述方法為“球磨-固相反應”兩步合成法，具體包括以下步驟：

(1)將鈉鹽、鐵鹽、錳鹽和M1鹽溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)或乙醇中得混合物A；

(2)將混合物A轉移至瑪瑙球磨罐中，并密封；

(3)將瑪瑙球磨罐置于行星式球磨機上，進行球磨；

(4)通過干燥球磨后得到的混合物，即獲得前驅體；

(5)將球磨法所得前驅物研磨均勻，稱取適量粉末，再將粉末壓制成片狀；