[发明专利]构筑钠电层状金属氧化物有序结构提升其空气稳定性的方法

说明书

本发明公开了构筑钠电层状金属氧化物有序结构提升其空气稳定性的方法，通过选择离子半径差异大的过渡金属离子，构筑过渡金属层有序排列，进而提升钠离子层状正极材料Na_mA_xB_1‑xO₂的空气稳定性，0.45≤m≤1，0≤x≤1。由于无序结构材料容易遭受空气中的水和二氧化碳等因素的影响，致使材料中钠离子含量减少或形成水合相结构，导致材料性能变差、电化学性能退化。在这种情况下，构筑钠电层状金属氧化物有序结构用于提高空气稳定性，对高性能的钠离子电池正极层状材料的优化设计提供新的见解，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电化学电源领域，具体涉及构筑钠电层状金属氧化物有序结构提升其空气稳定性的方法。

背景技术

随着人们对环境问题和化石燃料快速消耗的担忧持续增长，现代社会对可再生能源的利用和智能电网的推广的强烈需求推动了先进储能技术的发展，大型电化学储能系统的需求在过去的数十年中受到了极大的关注。在各种电能存储系统中，充电电池由于其高安全性、高转换效率、低成本和环境友好被认为是先进储能技术最典型的代表之一。碱金属离子电池由于能量密度高、循环寿命长等优点在储能领域占据着极为重要的地位。

近年来，碱金属离子电池中层状氧化物正极材料由于具有可逆脱嵌锂、钠离子等的晶体结构、比容量高、制备方法简单以及价格低廉等一系列优势，使其得到储能领d域的科学家们的深入研究，成为备受关注的焦点。

空气稳定性是电极材料在实际应用中最重要的考虑因素之一。然而空气不稳定的钠离子电池正极层状氧化物材料和空气之间的接触通常会产生裂纹、电绝缘物质和水合相等不良反应，这导致空气暴露后的层状氧化物寿命更短，电化学性能更差。因此，空气稳定性被认为是评价合格的电极材料的一个重要因素。

发明内容

本发明的目的是提供过渡金属有序的钠离子层状正极材料，该正极材料是通过构筑钠电层状金属氧化物有序结构提升其空气稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一类过渡金属有序的钠离子层状正极材料，该正极材料是通过构筑钠电层状金属氧化物有序结构来提升正极材料的空气稳定性。所述的过渡金属有序的钠离子层状正极材料为Na_mA_xB_1-xO₂，0.45≤m≤1，0≤x≤1；A、B为过渡金属且在过渡金属层呈有序排列，其有序结构有效抑制了材料在空气中的自发性结构变化和过渡金属离子的氧化，从而实现材料在空气中的稳定存储。

进一步的，A和B选择离子半径相差15％～45％、与氧结合键能差异较大的过渡金属离子；A为+2价或+3价的过渡金属阳离子，该过渡金属元素从Ni、Cu、Mg、Zn、Fe、Co、Al、Y中选择，B为+4价或+5价的过渡金属阳离子，该过渡金属元素从Sc、V、Cr、Zr、Sb、Nb、Mo、Ir、Pt、Bi、Te、Hf中选择。钠离子层状正极材料Na_mA_xB_1-xO ₂中，A、B价态不同且在未充放电前的价态有且只有一个，与氧形成有一定排序的过渡金属氧化层，使Na离子层形成有序状态，XRD图谱上存在超晶格有序结构峰。

本发明还提供了所述的过渡金属有序的钠离子层状正极材料的制备方法，包括共沉淀法、溶胶凝胶法或固相法一种，优选固相法，方法如下：由对应比例的金属氧化物经过研磨混匀，压片，然后程序升温煅烧得到。

上述的制备方法中，煅烧温度为800-1000℃，优选950℃；煅烧时间为10-24h，优选15h；升温步骤中，升温速率为3-8℃min^-1，优选5℃min^-1。