[发明专利]一种多相钠离子电池电极材料结构设计及性能调控技术

说明书

一种多相钠离子电池电极材料结构设计及性能调控技术，属于钠电池技术领域。通式为A(P2)·B(T1)·(1‑A‑B)(T2)，0≤A≤1，0≤B≤1，0＜A+B≤1，P2相、T1相、T2相均为钠和其他金属的复合氧化物。通过高低温原位合成技术设计了以钛为主要基体元素与其他过渡金属形成的多相复合电极材料，通过改变不同相的比例来调控其电化学性能，探索具有最优综合电化学性能的材料。实现了多相材料在充放电过程中的协同作用，从而得到优于单相材料的循环稳定性能和倍率性能等，成为下一代可充电钠离子电池最具潜力的材料之一。

技术领域：

本发明提供了一种多相钠离子电池电极材料结构设计及性能调控技术，属于钠电池技术领域。

背景技术：

锂离子电池由于具有电压高、能量密度高、使用寿命长的优点，广泛应用于便携式电子设备和汽车行业。然而传统的单相锂离子正极材料容量一般不超过200mAh g^-1，难以满足日益增长的能源需求。富锂锰基层状氧化物Li_1+xMn_yTM_1-x-yO₂(TM＝Ni,Co,Mn等等)包含斜方六面体的LiTMO₂结构和单斜的类Li₂MnO₃结构。这种复合结构材料约有280mAh g^-1的放电容量和约1000Wh/Kg的能量密度，是传统锂离子电池正极材料的两倍。因此研究开发复合结构材料受到人们的广泛关注。

然而锂的储量有限且分布不均，势必会提高锂电池制造成本，成为制约其发展的主要因素。钠元素在地壳中含量丰富，广泛分布于海洋，岩石中，价格低廉，因此致力于研究开发钠离子电池复合材料。目前，过渡金属层状氧化物是钠离子电池电极材料的研究热点，同样，钠离子电池电极材料Na_0.66Li_0.18Mn_0.71Ni_0.21Co_0.08O_2+d包含P2-type和O3-type复合结构，具有较高的可逆容量(185mAh g^-1)和较好的循环性能和倍率性能。然而大多数复合材料是在材料合成后的表征过程中发现的，很少从结构的角度去设计复合结构材料。这主要是由于复合材料的工艺复杂，结构表征难度大，分析困难。不仅如此，结构设计完成后要想通过调控结构从而改善电化学性能仍存在巨大的挑战，严重限制了复合结构材料的发展。

为了进一步设计、调控材料，提高电极材料性能，本发明采用高低温原位技术设计了以钛为主要基体元素与其他过渡金属形成的三相复合电极材料A(P2)■B(T1)■(1-A-B)(T2)，(0≤A≤1，0≤B≤1)。P2：层状结构，钠离子位于三棱柱中心位置，包含两种不同类型的占位，空间群P63/mmc；T1：隧道型结构，具有三种钠离子占位，空间群C2/m；T2：隧道型结构，只有一种钠离子占位，空间群Pnma。通过改变复合电极材料中过渡金属如Fe和/或Mn的掺杂量实现了相结构比例的调控，探索电化学性能最优化相组成及其比例。本发明制备的钠离子电池实现了P2型-如Na_2/3M1_1/3Ti_2/3O₂、隧道型-如Na_2.65Ti_3.35Fe_0.65O₉和隧道型-如NaM₂FeO₄两相或三相的协同作用，具有较好的循环稳定和倍率等综合性能，成为下一代可充电钠离子电池最具潜力的材料之一。同时，本发明采用Fe、Mn等含量丰富，价格低廉，环境友好型过渡金属元素，在保证以往所开发的层状材料的性能的同时，进一步降低材料制备成本。为复合材料体系在二次电池上早日应用奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多相钠离子电池电极材料结构及性能调控技术，在实现多相复合电极材料协同作用的同时，改变材料中不同相的比例来调控其电化学性能，探索具有最优综合电化学性能的材料。

本发明的技术方案为：