[發明專利]一類性能優異的鈉離子電池層狀正極材料以及通過擴大層間距提升其電化學性能的方法

在審

• 申請號: 202011623364.7
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112768684A
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 姚胡蓉;袁新光;呂偉軍;黃志高;朱海亮;歐陽楚英
• 申請（專利權）人: 福建師范大學
• 主分類號: H01M4/505
• 分類號: H01M4/505;H01M4/525;H01M4/485;H01M4/131;H01M10/054;C01G51/00;C01G53/00
• 代理公司: 福州君誠知識產權代理有限公司 35211
• 代理人: 張耕祥

1.一類具有較大層間距的鈉離子層狀正極材料，其特征在于：這類正極材料為鈉基層狀金屬Na_xTmO₂，Tm為過渡金屬，包括Mn、Fe、Ni、Mg、Ti、Co、V、Cu、Cr元素中的一種或幾種；x為鈉的化學計量數，范圍為0.44≤x≤1。

2.如權利要求1所述的鈉離子層狀正極材料的合成方法，其特征在于：采用高溫固相法或溶膠凝膠法；所述高溫固相法是通過將對應比例的過渡金屬氧化物研磨混勻，壓片，設置煅燒程序，在馬弗爐中高溫煅燒得到目標正極材料；所述溶膠凝膠法是將過渡金屬鹽按比例配制成金屬離子濃度為1.5～3mol/L的溶液，再加入檸檬酸攪拌絡合，待混合均勻后，將樣品進行干燥，再高溫煅燒形成目標正極材料。

3.根據權利要求2所述的鈉離子層狀正極材料的合成方法，其特征在于：所述溶膠凝膠法中，攪拌絡合的溫度為25-80℃，攪拌速率為400-12000rpm。

4.根據權利要求2所述的鈉離子層狀正極材料的合成方法，其特征在于：所述煅燒溫度為700-1000℃，煅燒時間為12-24h，升溫過程中，升溫速率為2-10℃min^-1。

5.一種包含權利要求1所述鈉離子層狀正極材料的復合物電極，其特征在于：所述復合物電極中含有所述正極材料，以及含有導電添加劑、粘結劑和溶劑；所述導電添加劑為碳黑、Super-P、科琴黑中的一種或多種；所述粘結劑為聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、羧甲基纖維素鈉、丁苯橡膠/羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉、明膠中的一種或多種；所述溶劑為N-甲基吡咯烷酮。

6.如權利要求5所述的復合物電極的合成方法，其特征在于：將正極材料經制漿、涂片、干燥工藝制得，所述正極材料含量為80wt％，導電添加劑含量為10wt％，粘結劑含量為10wt％。

7.一類鈉離子電池，其特征在于：由正極、隔膜、有機電解液和負極金屬鈉組成；所述正極為權利要求5所述的復合物電極；所述有機電解液為濃度為0.1-2M的碳酸酯電解液；所述碳酸酯電解液中，溶劑選自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯中的至少一種；溶質選自六氟磷酸鈉、高氯酸鈉、雙三氟甲基磺酰亞胺鈉中的至少一種。

8.一種擴大鈉離子層狀正極材料層間距的方法，其特征在于：所述正極材料為鈉基層狀金屬Na_xTmO₂，Tm為過渡金屬，通過離子摻雜、調節材料中鈉含量以及優化合成方法的方式擴大材料的層間距，通過以上三種方式，對材料的晶體結構進行定向優化，使得層間距擴大，材料在反應過程中可脫嵌的鈉離子數量增加，此外鈉離子在材料中的擴散通道也更開闊，進而表現出更為優異的電化學性能；

其中，所述優化合成方法是指采用溶膠凝膠法，將過渡金屬鹽按比例配制成金屬離子濃度為1.5～3mol/L的溶液，再加入檸檬酸攪拌絡合，待混合均勻后，將樣品進行干燥，再高溫煅燒形成目標正極材料Na_xTmO₂。

9.根據權利要求8所述的擴大鈉離子層狀正極材料層間距的方法，其特征在于：所述離子摻雜是指摻雜一種或多種離子半徑更大的非活性金屬離子，這類非活性金屬為Zn、Al、Mn、Fe、Ni、Mg、Ti、Co、V、Cu、Cr中的一種或多種；所述調節材料中鈉含量是將化學式中的x范圍調節為0.44≤x≤1。