[发明专利]一种用于钠离子电池正极材料亚锰酸钠的制备方法

说明书

本发明公开了一种钠二次电池高电压正极材料亚锰酸钠Na₂MnO₃的固相制备方法。其特征在于所制备的方法包括以下步骤：将一定化学计量比的锰源化合物与钠源化合物，研磨混合均匀；所得的混合物转移至管式炉中，在惰性气体保护下，400~700℃下高温反应后冷却至室温；将上述前驱体研磨经蒸馏水洗涤至中性，干燥除水研磨后即得目标产物亚锰酸钠。该方法一次性加入物料，工艺操作简单，原料廉价易得，产品纯度高，过程控制和产品性能都具有很好的重现性。所制备的Na₂MnO₃材料电位平台高，表现出优异的电化学性能，将为这类高能量密度正极材料的进一步研究并实用化提供新思路。

技术领域

本发明涉及一种钠离子电池高电压正极材料亚锰酸钠Na₂MnO₃的制备方法，尤其是涉及利用简单易行的固相法制备高纯度的钠离子电池正极材料亚锰酸钠的方法，属于钠离子电池材料技术领域。

背景技术

随着人口的增长，化石燃料燃烧带来的全球变暖，化石燃料开采费用的提高，人类越来越需要从对不可再生能源的依赖中解放出来。取之不尽用之不竭的能量来源也并非不存在，风能、太阳能就是理想的选择，然而其昼夜、季节性的分布不均限制了大规模的开发和利用。风能、太阳能转化而来的电能必须集中储存起来以便于满足不同时间段的电力供应需求。我们面临的挑战就是把来自太阳能和风能的能源转化成便携式或静态电源，并且实现快捷有效的相互转换，实现可再生能源的可持续开发利用。

锂离子电池作为新一代的储能装置，具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长、自放电率低、体积小、环境相容性好等优点，已经成为继铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池之后的一种重要储能设备，广泛的应用于电子产品、动力汽车、航空航天等领域。然而，随着锂离子电池的开发及应用，锂的需求量迅速提高，价格也随之上涨，而锂资源的储量十分有限，这将对锂离子电池的发展产生一定的阻碍。相比之下，有着与锂离子电池储能机理相似的钠离子电池的优势就凸显出来。钠在地壳中的含量排在第六位，储量丰富，价格低廉。Na⁺/Na 电对的标准电极电位(-2.71 V vs SHE)只比Li⁺/Li(-3.04 V vs SHE)高出大约0.3V。在大规模储能或对便携性没有很高要求的应用条件下，就可以发挥钠离子电池的钠储量高、成本低的优势。

钠和锂同属于第一主族，有着相似的化学性质，而钠离子半径比锂离子大30%，较大的原子质量使得钠离子电池能量密度降低。虽然与锂离子电池的起始研究时间相近，但钠离子电池的研究进展相对滞后，现有的钠离子电池正极材料比容量低，工作电压低。因而，研发一种具有高电压，高容量的钠离子电池正极材料有着重要意义。锂离子电池正极材料中，以亚锰酸锂为基础的富锂锰基层状氧化物因其高容量高电压的特性受到了广泛研究，2013年，AIST的两个课题组先后报道了对富钠材料的研究（Development of HighCapacity Cathode Material for Sodium Ion Batteries Na_0.95Li_0.15(Ni_0.15Mn_0.55Co_0.1)O₂. Journal of The Electrochemical Society, 2013, 160 (6): 933-939. //Designing high-capacity cathode materials for sodium-ion batteries.Electrochemistry Communications, 2013, 34: 215–218.），二者均是通过对富锂材料进行电化学脱锂及嵌钠的方式初步得到了富钠材料。富钠材料中亚锰酸钠是一个不稳定相，难以直接合成。本发明用简单的固相法成功合成了亚锰酸钠材料，原料廉价易得，工艺操作简单，产物纯度高，过程控制和产品性能都具有很好的重现性。