[发明专利]一种用于钠离子电池的三元层状氧化物正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属电化学技术领域，具体涉及一类用于钠离子电池的正极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着电子设备、电动工具、小功率电动汽车等迅猛发展，研究高能效、资源丰富及环境友好的储能材料是人类社会实现可持续性发展的必要条件。为满足规模庞大的市场需求，仅依靠能量密度、充放电倍率等性能衡量电池材料是远远不够的。电池的制造成本与能耗是否对环境造成污染以及资源的回收利用率也将成为评价电池材料的重要指标。电池发展有以下显著特点:绿色环保电池发展迅猛;一次电池向二次电池转化,这有利于节约地球有限的资源,符合可持续发展的战略;电池进一步向小、轻、薄方向发展。钠是地球上储量较丰富的元素之一，与锂的化学性能类似，因此也可能适用于锂离子电池体系。钠离子电池相比锂离子电池有诸多优势，如成本低，安全性好，随着研究的深入，钠离子电池将越来越具有成本效益，并有望在未来取代锂离子电池而被广泛应用。而且在在钠离子电池中，Al和Na没有合金，所以负极集流体可以选择用Al箔，能够进一步降低价格。钠离子电池作为大规模储能应用的电池将会有很大优势。并且合适的正极材料体系是影响钠离子电池发展的关键因素之一，因此寻找大容量，高能量密度的钠离子正极材料显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于提出一种性能良好的钠离子电池正极材料及其制备方法。

本发明提出的锂离子电池正极材料，同时含有过渡金属Fe、Cr、Mn，为一种三元层状过渡金属氧化物，化学式为：NaFe_xCr_yMn_zO₂，0< x, y, z<1。

经研究表明，此类材料具有良好的电化学性能，可作为高性能钠离子电池的正极材料。目前为止没有关于NaFe_xCr_yMn_zO₂材料用作钠离子电池正极材料的报道。

本发明提出的作为钠离子电池正极材料的NaFe_xCr_yMn_zO₂为粉体形式，其一次颗粒大小为0.5~1μm。

本发明使用一种简单的固相合成方法制备NaFe_xCr_yMn_zO₂正极材料，具体步骤如下：

将过氧化钠或碳酸钠，氧化铁，氧化铬，氧化锰 (或者高温分解只能生成其氧化物的其他前驱体)等按照化学计量比混合均匀，然后压成小圆片，将其放入氧气流和空气的电炉内进行高温反应，反应温度在800-1000℃之间，反应时间为10-24h。然后用研钵研磨至精细颗粒。

粉末的颗粒形貌可由扫描电镜测定。

本发明中，NaFe_xCr_yMn_zO₂的晶体结构由X射线衍射仪测定。

本发明中，NaFe_xCr_yMn_zO₂，炭黑，粘结剂（聚偏佛乙烯，PVDF）按照7:2:1的比例，加入N,N-二甲基吡咯烷酮，磁力搅拌为浆料，用自动涂膜机在Al箔上涂膜，60℃12h烘干极片，然后用冲片机冲成直径为12mm的小圆片。电化学性能测试采用扣式电池，其中，NaFe_xCr_yMn_zO₂极片用作工作电极，Whatman/GF为隔膜，高纯钠片用作负极。电解液为1M NaClO₄ + EC + PC （V/V=1/1），添加5 % FEC。电池装配在充氩气的手套箱内进行。电池的充放电实验在蓝电（Land）电池测试系统上进行。