[发明专利]掺杂的镍酸盐化合物

说明书

发明领域

本发明涉及新的掺杂的镍酸盐化合物、它们的制备方法，涉及使用包含所述掺杂的镍酸盐化合物的活性材料的新的电极，并且涉及这些电极的应用，例如在储能装置中的应用。

发明背景

钠离子电池在很多方面类似于现今通用的锂离子电池；它们均为可重复使用的，包括阳极(负极)、阴极(正极)和电解质材料的二次电池，二者均能够储存能量，并且它们均通过类似的反应机理来充放电。当钠离子电池(或锂离子电池)充电时，Na⁺(或Li⁺)离子从阴极脱嵌并嵌入阳极。同时，电荷平衡电子从阴极经由含充电器的外电路进入电池的阳极。在放电期间发生相同的过程，不过是在相反的方向上。

近年来锂离子电池技术受到了很多关注，并且为现今使用的大多数电子装置提供了优选的便携式电池；然而，锂不是一种来源便宜的金属，并且对大规模应用中的使用而言太昂贵。相比之下，钠离子电池技术仍然在其相对初期，但是被视为是有利的；钠比锂要丰富地多，一些研究人员预计这会在将来提供更廉价和更耐用的储存能量的方式，特别是对于大规模的应用，例如在电网上储存能量。然而，在钠离子电池成为商业现实之前，还要做许多工作。

NaNi_0.5Mn_0.5O₂是已知的钠离子材料，其中镍作为Ni²⁺存在，而锰作为Mn⁴⁺存在。该材料排列有位于该结构内的离散位点的Na和Ni原子。镍离子(Ni²⁺)是有助于可逆比容量的氧化还原反应元素，而锰离子(Mn⁴⁺)起着结构稳定剂的作用。化合物NaNi_0.5Ti_0.5O₂类似于NaNi_0.5Mn_0.5O₂之处在于，Ni²⁺离子提供了活性氧化还原反应中心，和Ti⁴⁺离子是为结构稳定而存在的。有许多文献描述了NaNi_0.5Mn_0.5O₂(和在较少程度上NaNi_0.5Ti_0.5O₂)的制备，其作为用于通过Na→Li离子交换来制备针对锂离子应用的LiNi_0.5Mn_0.5O₂和LiNi_0.5Ti_0.5O₂的前体。制备这些Li材料的直接合成方法产生了不期望的无序材料，例如，作为共用结构位点的锂和镍原子的结果。

Komaba等人在Adv.Funct.Mater.2011,21,3859上报道的最新电化学研究描述了在碳酸丙烯酯电解质溶液中的硬碳和层状NaNi_0.5Mn_0.5O₂电极的钠嵌入性能。所获得的结果表明，虽然NaNi_0.5Mn_0.5O₂展示出一些可逆充放电能力，但是该材料的容量在仅仅40个循环后衰减了25％或更多。

Kim,Kang等人在Adv.Energy Mater.2011,1,33-336上也讨论了归一化成2O^2-的结构为Na_0.85Li_0.17Ni_0.21Mn_0.64O₂的层状氧化物材料的制备，以及其在钠阴极材料中可逆地嵌入钠的应用。然而，如该文章所述，该材料仅展示出了适度的电化学性能。

本发明旨在提供新的化合物。另外本发明旨在提供成本有效的、含有制备简单的活性材料的电极。本发明的另一个目的在于，提供初始比放电容量高、能够多次重复充电而充没有显著的电容量损失的电极。

因此，本发明的第一个方面提供了具有下式的化合物：

A_UM¹_VM²_WM³_XM⁴_YM⁵_ZO₂

其中

A包括一种或多种碱金属，其选自锂、钠和钾；