[发明专利]一种钠基层状氧化物材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钠基层状氧化物材料及其制备方法。针对钠基层状结构稳定性差的问题，于钠离子层状氧化物中同时掺入钾和锂，其中钾离子直径比钠离子大了三分之一，嵌入过渡金属层之间时可以作为梁柱支撑，可以防止钠含量过低时层状结构发生坍塌，这样就降低了钠脱出的下限，进而提高了正极材料的比容量和稳定性；掺锂则可以减轻高电压下发生的相变，还可以抑制过渡金属离子从正极的溶解，变相提高层状结构的稳定性，进而提高循环稳定性。且本发明中所掺入的钾和锂元素是微量的，不会导致钠基层状氧化物容量较低，从而可有效避免钠含量低于一定值时层状结构会发生坍塌进而导致容量快速下降，相较于单独掺杂一种碱金属离子的方式性能更为优异。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，特别涉及一种钠基层状氧化物材料及其制备方法。

背景技术

具有高能量密度和长循环寿命的锂离子电池已成为电子设备和电动汽车中的主导储能技术。然而，近些年随着锂离子电池原料如碳酸锂、钴酸锂等价格持续走高，引发行业对于锂电池行业成本的担忧，同时锂资源的有限且分布不均，难以满足日益增长的储能需求。而钠离子电池有着与锂离子电池相似的反应机理，因其成本低廉、原料来源广泛、快充性能优异以及良好的低温性能被认为是最有希望的替代品，潜在的应用场景包括短途代步两轮车、电网储能等。

从成本上来看，正极材料占据钠离子全电池的三分之一，层状氧化物类正极材料是其中备受瞩目的一类材料，其凭借层状结构提供了大容量、高倍率能力等优异特性，但在实际充放电过程中材料会发生复杂的相变；且当钠含量低于一定值时，层状结构会发生坍塌，导致容量快速下降，因此造成了循环稳定性差、比容量也不甚理想的结果。目前的解决手段包括掺杂过渡金属元素和包覆隔层，前者通常在电势窗口范围内不表现出电化学活性，后者虽能保护材料免受电解液侵蚀，但又会降低有效容量。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中钠基层状氧化物材料所存在的循环稳定性差、能量密度低的技术问题，从而通过在其中掺杂钾和锂，利用钾在嵌入过渡金属层之间时作为梁柱支撑，防止钠含量过低时层状结构发生坍塌；利用锂则减轻高电压下发生的相变，抑制过渡金属离子从正极的溶解，变相提高层状结构的稳定性，进而提高循环稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案得以实现的。

本发明第一方面提供了一种钠基层状氧化物材料，其化学式为Na_aK_bLi_cMO₂，0.8＜a＜1.1，0.01＜b＜0.3，0.01＜c＜0.3，M选自过渡金属元素中的一种或多种。

应理解的是，在无特别说明的情况下，本发明上下文中所述a、b、c等代表各元素的物质的量，例如当a＝1，b＝0.05，c＝0.1时，所述钠基层状氧化物材料的化学式即为NaK_0.05Li_0.1MO₂，其中Na的物质的量为1mol，K的物质的量为0.05mol，Li物质的量为0.1mol。

作为优选地，所述M选自Ni、Co、Al、Mn、Fe、Cu、Mg、Zr、Ti、V、Zn、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Pb、Cr中的一种或多种。

作为优选地，所述M为A_xB_yC_z，其中A、B、C分别选自Ni、Co、Al、Mn、Fe、Cu、Mg、Zr、Ti、V、Zn、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Pb、Cr中的一种或多种，且x+y+z＝1。

应理解的是，在无特别说明的情况下，本发明上下文中所述x、y、z等代表在过渡金属M中各元素所占的摩尔百分比，例如当x＝0.4，y＝0.4，z＝0.2时，所述过渡金属M即为A_0。4B_0。4C_0。2，其中A元素所占的摩尔百分比为40％，B元素所占的摩尔百分比为40％，C元素所占的摩尔百分比为20％。