一种钠离子电池正极材料及其制备工艺

本发明属于电池材料，具体涉及一种钠离子电池正极材料及其制备工艺。

背景技术：

1、由于化石资源的日益枯竭及在全球变暖大环境下我们国家提出的“碳达峰”“碳中和”的目标，我们迫切的寻求一种新的可持续发展的清洁能源，因此我们把目光投到了可充电的二次电池上。锂资源的分布不均匀及锂矿的稀缺导致锂资源价格不断上升，严重限制了锂离子电池在大规模储能领域的应用。因此跟锂元素同主族的钠元素就进入了我们的视线，钠与锂处于同一主族，因此有着相似的化学性质，并且锂离子电池的一些经验跟技术也可以应用到钠离子电池中。但是钠离子半径比锂离子大，且分子量也大，导致其迁移动力学缓慢，制约了其快速充放电能力，同时钠离子的脱嵌过程中，较大的离子半径容易造成电极材料较大的体积变化，甚至诱导不可逆结构相变，影响电池的长期循环稳定性。当前的钠离子电池仍无法满足高能量密度和高稳定性的要求。所以开发制备高效、快速、稳定的钠离子电池材料成为重中之重。

2、目前的钠离子电池正极材料包括过渡层状氧化物，聚阴离子型化合物及普鲁士蓝类化合物。其中，过渡层状氧化物因其容易制备，比容量大等优点而被广泛研究。但层状氧化物材，料在充放电过程中通常存在不可逆的相变、空气稳定性差从而导致较差的循环性能跟倍率性能。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题为：提供一种钠离子电池正极材料的制备方法。

2、本发明的技术方案为：一种钠离子电池正极材料，所述钠离子电池正极材料为o3相层状金属氧化物，化学式为nani0.4fe0.2mn0.4o2。

3、上述所述的钠离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）将碳酸钠与氨水混合，得到a溶液；

5、（2）按化学计量比将醋酸镍、醋酸锰、醋酸亚铁加入到去离子水中溶解，得到b溶液；

6、（3）室温下，将a溶液与b溶液缓慢混合并搅拌2-3h，控制ph值为8；

7、（4）升温至60℃搅拌8h，静置离心后得到沉淀，用去离子水和无水乙醇洗涤沉淀，得到碳酸盐前驱体；

8、（5）将得到的碳酸盐前驱体在80℃干燥；

9、（6）将干燥后的碳酸盐前驱体与nahco3研磨均匀，在400-500℃的空气气氛下预焙2-5h，然后在800~1100℃空气气氛下煅烧10-18h，得到钠离子电池正极材料。

10、优选地，所述煅烧温度为850-1050℃。

11、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

12、（1）通过共沉淀法成功制备了一种可用于钠离子电池正极材料的o3相层状氧化物，其结构是由过渡金属层和钠层交替堆叠形成的，且过渡金属层和钠层之间通过氧原子连接，包括o-tm-o和o-na-o；o3相结构是由过渡金属元素与氧元素堆叠形成的八面体结构，其重复单元为3的堆积。与p2相结构相比，o3相结构因其可容纳更多的钠离子而具有更高的比容量，但由于钠离子在通过八面体位点时需要比三棱柱位点更大的扩散能垒导致o3相材料具有更低的na离子扩散效率；且由于o3相结构在充放电过程中往往伴随着过渡金属层的不可逆迁移，从而导致o3相结构的可逆比容量往往随着充放电过程的增加而降低。为了抑制o3相材料的不可逆相变及提高材料的循环稳定性，我们通过元素掺杂的方法引入fe元素跟ni元素取代过渡金属层中的mn元素，mn元素在低电压下可以提供较高的比容量，但mn元素的存在会导致姜泰勒效应的发生，姜泰勒活性mn3+的形成导致mno6八面体的大面积变形，这会在活性材料中引起约束和缺陷，从而导致容量衰减增加；fe元素的掺杂可以抑制电极材料在充放电过程中的体积膨胀并降低o-mn-o键长从而抑制姜泰勒效应，当fe元素含量为20%左右时可以抑制相变的发生，增大板间距离，可使离子快速扩散从而提高容量保持率、倍率性能和循环稳定性；ni元素的引入可提高材料的工作电压从而提升可逆比容量，且ni2+的掺杂可提高mn的平均氧化态，从而实现长期结构稳定性和高容量。

13、（2）本发明提供的钠离子电池正极材料是一种o3相层状氧化物材料，具有较高的na含量，相比其他的正极材料可提供更高的可逆比容量，因此应用于全电池体系中可以弥补负极首效低的缺陷，从而具有更广的适用范围。

14、（3）本发明提供的钠离子电池正极材料具有良好的结晶度，无杂相，结构稳定，合成简单，具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种钠离子电池正极材料，其特征在于，所述钠离子电池正极材料为o3相层状金属氧化物，化学式为nani0.4fe0.2mn0.4o2。

2.权利要求1所述的钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧温度为850-1050℃。

技术总结
本发明公开了一种钠离子电池正极材料及其制备工艺，所述钠离子电池正极材料为O3相层状金属氧化物，化学式为NaNi<subgt;0.4</subgt;Fe<subgt;0.2</subgt;Mn<subgt;0.4</subgt;O<subgt;2</subgt;。通过共沉淀法成功制备了一种可用于钠离子电池正极材料的O3相层状氧化物，其结构是由过渡金属层和钠层交替堆叠形成的，且过渡金属层和钠层之间通过氧原子连接，包括O‑TM‑O和O‑Na‑O；O3相结构是由过渡金属元素与氧元素堆叠形成的八面体结构，其重复单元为3的堆积。本发明提供的钠离子电池正极材料是一种O3相层状氧化物材料，具有较高的Na含量，相比其他的正极材料可提供更高的可逆比容量，因此应用于全电池体系中可以弥补负极首效低的缺陷，从而具有更广的适用范围。

技术研发人员：翁阳,刘振
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17