[发明专利]用于长寿命和高倍率性能钠离子电池的P2型层状氧化物正极与醚类电解液体系

说明书

用于长寿命和高倍率性能钠离子电池的P2型层状氧化物正极与醚类电解液体系。本发明针对现有钠离子电池正极材料稳定性差的问题，采用一种P2型层状氧化物Na_0.67Ni_xMn_yFe_zO₂(0≤x≤1/3，7/12≤y≤1，0≤z≤1/12)正极材料和醚类电解液的体系，可以解决现有钠离子电池层状氧化物正极在传统酯类电解液中循环稳定性差的问题。通过改进电极表/界面化学，从而提高钠离子电池层状氧化物正极的循环稳定性和倍率性能。在该体系中，在50mA/g的电流密度下，充放电100个循环后的容量几乎无衰减，仍维持在150mAh/g左右，具有非常广阔的应用前景，有望在大规模储能方面得到应用。

技术领域

本发明属电化学技术领域，具体涉及一类P2型层状氧化物正极与醚类电解液体系。

背景技术

由于钠资源储量丰富(钠在地壳中的含量为2.64％)、分布广泛且价格低廉，钠离子电池在电动汽车及大规模储能领域具有巨大的商业价值和应用潜力。

近年来，对钠离子电池的研究日益增多，钠离子电池电极材料的开发也得到了发展。其中，正极材料是电池的关键组成部分，决定着电池的整体电化学性能。在研究中发现，层状过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士蓝类及部分有机化合物等作为正极材料时展示出一定的储钠容量和可逆的电化学行为。然而，由于钠离子半径较大( Li⁺，)，导致电极材料在脱嵌钠离子过程中存在严重的体积变化和诸多的相转变，从而使电池在充放电循环过程中容量衰减迅速，电池寿命短，严重影响钠离子电池的实际应用。过渡金属氧化物的原料价格低且具有特殊的层状结构和较高的储钠活性，是一类很有应用前景的正极材料，但仍存在稳定性差和倍率性能差等问题亟待解决。在钠离子电池中，电极材料与电解液接触时，在一定电位下发生电化学/化学反应，在电极表/ 界面生成钝化膜。该钝化膜的组成、结构及离子传导性等特性决定着电极反应过程中电极表/界面的稳定性和表/界面以及体相的晶体结构变化，对电极反应动力学、电池的循环性能、倍率性能及安全性起着决定作用。研究电极材料与电解液的匹配规律可以有效调控电极表/界面化学，是提升电池综合性能的重要手段，也是各类电池厂商的核心技术。因此，设计电解液和电极材料的组合，提高界面相互作用对提高钠离子电池的寿命和倍率性能具有重要意义，是推动钠离子电池的工业化发展的重要方法。

发明内容

本发明的目的是解决现有氧化物正极材料容量衰减快及倍率性能差等问题，提供一种用于长寿命和高倍率性能钠离子二次电池的P2型层状氧化物正极和醚类电解液组合体系，由该体系制备的钠离子电池容量保持率及倍率性能等都得到了有效提升。

本发明的技术方案如下：

用于长寿命和高倍率性能钠离子电池的P2型层状氧化物正极与醚类电解液体系，所述正极材料由以下质量分数的物质组成：70％或80％的Na_0.67Ni_xMn_yFe_zO₂，0≤x≤1/3，7/12≤y≤1，0≤z≤1/12，20％或10％的导电炭黑，10％的聚偏氟乙烯；所述电解液包括有机溶剂和电解质钠盐，钠盐的物质的量浓度为1.0mol/L。醚类溶剂的电化学性能稳定，能够满足钠离子电池充放电需要的稳定电化学窗口。其中，本发明的钠离子电池电解液可通过醚类溶剂和钠盐直接混合得到。

一种钠离子电池，包括负极片、正极极片、电解液和隔膜等；所述负极片为金属钠。所述正极极片由集流体和涂覆在所述集流体上的以上所述的正极材料组成。

优选的是，所述正极集流体由铝箔制成。

优选的是，所述电解液中的有机溶剂为二乙二醇二甲醚。

优选的是，所述电解液中的钠盐为双(氟磺酰)亚胺钠、六氟磷酸钠或它们的组合。

优选的是，所述电解液中钠盐的物质的量浓度为1.0mol/L。