[发明专利]混合相结构层状氧化物材料及其制备方法和用途

说明书

本发明实施例涉及一种混合相结构层状氧化物材料及其制备方法和用途，所述混合相结构层状氧化物材料，化学通式为：Na_xNi_iFe_jMn_kM_yO_2+β；其中，M为对过渡金属位进行掺杂取代的元素，所述x，y，i，j，k，β分别为对应元素所占的摩尔百分比；其中y+i+j+k＝1，且x+my+2i+3j+4k＝2(2+β)；其中0.6≤x≤0.9；0＜i≤0.3；0＜j≤0.5；0＜k≤0.5；‑0.02≤β≤0.02；m为所述M的化合价态；所述混合相层状氧化物的结构为P2和O3的混合相，空间群分别为：P63/mmc和R‑3m；在混合相的氧排布中，一部分形成了P型排布，一部分形成了O型排布，两种结构在原子尺度上交错相容。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种混合相结构层状氧化物材料及其制备方法和用途。

背景技术

随着社会的发展，化石能源消耗日益加剧并已接近枯竭。可再生的清洁能源如太阳能风能的大规模利用刻不容缓。但是这类能源因为间断性等性质，在并网时比较困难，电化学储能就显得尤为重要。锂离子电池以其高能量密度和功率密度，已经商业化并且取得了巨大成功。但是，因为锂资源有限且提取成本高，使得锂离子电池成本升高，无法满足大规模应用的低成本需求；而与其处于同一主族的元素钠与锂具有非常相似的物理和化学性质，并且钠在地球上的丰度比锂要高，成本较低，所以发展钠离子二次电池作为大规模储能设备成为一个比较好的选择。

与锂离子电池一样，层状氧化物是钠离子电池研究领域的热点。钠离子电池正极层状氧化物结构式为Na_xMO₂，按照Delmas教授的定义，层状材料可分为P2，P3，O2，O3型等【Solid State Ionics,1985,3/4,165-169】。一般而言，03相材料的钠含量较高，0.8≤x≤1，其可逆比容量也较高，但是其倍率性能较差。P2相材料的钠含量较低，x＜0.8，初始容量低，但是倍率性能好。【Part.Part.Syst.Charact.2016,33,538–544,J.Mater.Chem.A,2016,4,11103–11109】两种结构各有优缺点，各自的缺点都影响到了材料的应用。

另外，因为锂电池应用最为广泛或者发展势头最好的材料为LiCoO₂、NCM(LiNi_xCo_yMn_zO₂，x+y+z＝1)和NCA(LiNi_xCo_yAl_zO₂，x+y+z＝1)，其中都包含了金属Co，而Co的价格已经异常昂贵。随着电动汽车行业的兴盛，Co的价格将进一步提升。这也直接导致了电池成本的升高。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合相结构层状氧化物材料及其制备方法和用途。所述混合相结构层状氧化物材料制备简单，所含有的过渡金属以铁、锰为主，配合以少量的镍优化性能，原材料在地壳中的丰度高，因此制造成本低廉。应用本发明的混合相层状氧化物材料的钠离子二次电池，首周效率高，循环性能优异，倍率性能优异，安全性能好，综合了两种结构的优点，具有很大实用价值，可以用于太阳能发电、风力发电、智能电网调峰、分布电站、后备电源或通信基站的大规模储能设备。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种混合相结构层状氧化物材料，化学通式为：Na_xNi_iFe_jMn_kM_yO_2+β；