[發明專利]具有超結構的層狀氧化物鈉離子電池正極材料及制備方法

在審

• 申請號: 202210733739.8
• 申請日: 2022-06-27
• 公開（公告）號: CN115036487A
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 曾思莎;申斌;劉萬民;秦牡蘭;王偉剛
• 申請（專利權）人: 湖南工程學院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/505;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 長沙伊柏專利代理事務所(普通合伙) 43265
• 代理人: 丁敏;羅莎

本發明提供一種具有超結構的層狀氧化物鈉離子電池正極材料及制備方法，該鈉離子電池正極材料為具有超結構的層狀氧化物，分子式為Na_x[A_yMn_1?y]O₂·zMO_a，其中，0.4≤x≤0.9，0.1≤y≤0.5，0.01≤z≤0.2；A為鈉離子電池正極材料的過渡金屬層中的金屬離子，選自Li⁺、Mg²⁺、K⁺、Zn²⁺中的一種或多種；MO_a為納米管金屬氧化物，選自MnO₂、BaO、SnO₂、TiO₂、ZnO、ZrO₂、SrO或Al₂O₃中的一種或多種，MO_a能誘導和控制超結構形成。本發明通過納米管金屬氧化物MOa誘導作用控制鈉離子電池正極材料合成過程中的結晶、生長，從而獲得具有超結構的微米級鈉離子電池正極材料。該納米管金屬氧化物MO_a超結構能夠在層狀材料高脫鋰態下，對高電壓下層狀材料電化學性能的發揮起到促進的作用，提高其循環穩定性。

技術領域

本發明屬于鈉離子電池材料及其制造工藝技術領域，具體涉及一種具有超結構的層狀氧化物鈉離子電池正極材料及制備方法。

背景技術

隨著不可再生能源的日漸枯竭，新型能源的開發勢在必行，理想二次電池的研發刻不容緩。鋰離子電池以其循環性能好、能量密度大、材料體系靈活而被廣泛應用于各類示范工程中，但資源少、價格高和存在安全隱患導致其不能大規模應用。而鈉與鋰處于同一主族，物理化學性質較為相似，并且鈉具有分布廣泛、價格低廉、容易提取、安全性高等優點。近年來在新能源儲存與轉換領域引起了廣泛關注。

相比于已經商業化使用的鋰離子電池，鈉離子電池具有以下特點：

(1)相類似的充放電機制。充電過程中，正極材料發生氧化反應，失去電子，并脫出鈉離子；電子通過外電路到達負極，同時鈉離子也經過電解液遷移到負極；負極材料得到電子，并嵌入鈉離子，發生還原反應；放電過程與充電過程相反。

(2)相似的嵌插化學性質。鈉與鋰屬于同主族元素，物理與化學性質相近，鋰離子和鈉離子可以在相似的材料結構中進行可逆的嵌入與脫出。

(3)更低的資源成本。鈉資源在地殼中的儲量約1％，廣泛存在于海水中；而鋰資源儲量只有約10ppm，且分布不均，70％集中在南美國家。

但是為了更好地滿足實用化要求，鈉離子電池還需要提升比能量、循環壽命、倍率性能等。電池的比能量主要由正負極材料的比容量和電位差決定，比容量與材料的分子量和電荷轉移數有關，當分子量相同時，電荷轉移數越大，比容量越大；當電荷轉移數相同時，分子量越小，比容量越大。工作電位與活性材料的氧化還原能相對應，氧化還原能越高，電位越低；反之則越高。通常，電負性強的陰離子可以通過誘導效應降低材料的氧化還原能，從而提高其工作電位。因此，高比能量要求電池具有比容量大、工作電位高的正極材料和比容量大、工作電位低的負極材料。