[发明专利]钠离子电池的锰基正极材料

说明书

本发明涉及一种钠离子电池的锰基正极材料，其通式为NaMn_XTi_YM_1‑X‑YO₂，其中M＝Ni、Co或Fe，且0.5<X<1，0<Y<0.5，所述正极材料呈颗粒状，所述正极材料的表面为钛氧化物层。本发明的材料制备方法简单，原料丰富，价格低廉，实用化程度高，合成出来的正极材料粒径均一，钛元素富集在表面，在湿态空气和有机电解液中具有很好的稳定性，在充放电过程中的材料结构可以很好的保持。将这材料作为钠离子电池的正极材料，可以有效的提高电池的循环稳定性以及倍率性能。这种方法在优化钠离子电池储能器件性能上具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其涉及一种钠离子电池的锰基正极材料。

背景技术

钠元素是地壳中第六丰富的元素，具有与锂元素相类似的物理化学性质和价格低廉的特点，因而钠离子电池被认为是最有希望替代锂离子电池的新型储能材料之一。然而钠离子电池存在着钠离子的迁移困难，稳定性差，能量密度偏低等问题。

近年来，层状过渡金属氧化物具有高比容量、制备方法简单以及环境友好等一系列优点而广受研究人员关注。特别是锰基层状材料具有低价、高容量等特点被认为是最有希望商业化的正极材料之一。但是锰基层状材料也有其固有的缺点，这类材料暴露在空气易与水和二氧化碳反应，另外，这类材料在电池充放电过程中锰元素容易溶解到电解液中，这两种情况最终都会使得材料结构改变，大大降低了锰基层状材料的实用性。

目前还不存在一种符合钠离子电池商业化要求的环境稳定性的钠离子电池层状正极材料，使得钠离子电池的广泛推广受到制约。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种钠离子电池的锰基正极材料，本发明提供了一种表面富钛的层状材料，本发明的正极材料在湿态空气和有机电解液中具有很好的稳定性。

本发明提供了一种钠离子电池的锰基正极材料，其通式为NaMn_XTi_YM_1-X-YO₂，其中M＝Ni、Co和Fe中的一种或几种，且0.5<X<1，0<Y<0.5，正极材料的表面为钛氧化物层。

本发明的钠离子电池的锰基正极材料由两种以上金属离子组成，具有层状晶体结构，本发明的正极材料中，Mn元素含量较高，目的是可以降低材料价格和提高电池容量。本发明的钠离子电池层状正极材料，表面富集钛的氧化物，即Ti元素主要位于材料的表层，原因是由于钛离子和锰离子的半径差别较大，在反应过程中钛离子掺杂到NaMnO₂的晶格点阵中会发生比较大的晶格失配，导致材料整体的自由能升高，从而使的材料不是处在热力学最稳定的状态，所以钛离子更趋向于在材料表面富集，而非均匀的掺杂入材料内部，从而使得最终的材料获得热力学最稳定的状态。本发明的钠离子电池层状正极材料的这种结构能够限制了空气中水分的嵌入，有效抑制锰元素在充放电过程中的溶解，有效地提高锰基层状正极材料在充放电过程中的结构稳定性以及暴露空气时的稳定性，从而改善电池性能。

进一步地，正极材料呈颗粒状，正极材料的粒径为2-10μm。

进一步地，钠离子电池的锰基正极材料的制备方法包括以下步骤：

将钠盐、锰的氧化物、二氧化钛和其他金属氧化物混匀后压片，然后在700-1100℃煅烧5-48h，得到钠离子电池的锰基正极材料。

进一步地，钠盐为碳酸钠、硝酸钠和氯化钠中的一种或几种。

进一步地，锰的金属氧化物为二氧化锰、三氧化二锰和四氧化三锰中的一种或几种。

进一步地，其他金属氧化物为氧化镍、氧化钴和氧化铁中的一种或几种。