[发明专利]一种层状过渡金属氧化物材料的制备及应用该材料的钠离子电池

说明书

一种层状过渡金属氧化物材料的制备及应用该材料的钠离子电池，属于钠离子电池技术领域。化学通式Na_xMn_yNi_zCo_1‑y‑zO₂，x的范围取值为0.2‑0.78，y的取值范围为0.5‑0.85，z的取值范围为0.05‑0.33，为P3相的层状结构。该材料用于钠离子电池，表现出良好的电化学性能，优选利用草酸沉淀法和高温煅烧两步，即可成功的合成出目标材料，该方法制备过程简单，操作方便。所述的方法使用中低温烧结大大降低了合成过程中的能耗，同时使用自然界中储量较为丰富的元素，大大降低了材料的成本。

技术领域

本发明是关于一种P3相的层状过渡金属氧化物钠离子电池正极材料制备方法和使用方法，属于钠离子电池技术领域。

背景技术

由于可再生能源具有不连续性、季节性、不稳定性等特点，发展可再生能源的转换和存储技术迫在眉睫。在这种形势下，由于锂离子电池具有自放电小、循环寿命长、安全稳定等优点，全世界掀起了锂离子电池研究的热潮。然而全球Li资源预测量大约45Mt(包括：卤水、伟晶岩、黏土)，目前的锂储量为14Mt(目前经济上可以提取出来的资源量)，而每年的需求为32.5kt，预计到2050年，Li的需求为3-35Mt，也就是说到2030年Li资源的供求关系将白热化。由于Li资源的稀缺以及分布不均，迫使我们开发其他可替代的能源技术。钠离子电池工作机理与锂离子电池类似，成本低廉，其在对体积和能量密度要求不高的大型储能装置和低速的电动车领域具有广阔的应用前景。并且借助于目前现成的锂电池工业化生产仪器，技术成熟的钠电池可迅速实现产业化。

Na作为与Li同主族第二位的碱金属，与Li具有类似的理化性质。与Li金属相比，Na的储量丰富，因此为发展钠离子电池提供有效的保障。但目前钠离子电池正极材料存在易形成有序结构、容量保持率低、Na离子扩散慢等问题，需要新不断的优化、以及材料与技术进步才能开发出来性能更加优越的钠离子电池技术，丰富储能手段。

目前，广泛报道的钠离子正极材料主要有：1.层状过渡金属氧化物Na_xTMO₂,0<x<1,(TM:过渡金属和参杂在晶格中的一些其他金属元素)；2.聚阴离子化合物(磷酸盐等)；3.普鲁士蓝；4.有机正极材料。其中，层状过渡金属氧化物具有较高的理论容量和结构稳定性，是其中最具潜力的正极材料之一。根据过渡金属层的排列顺序和Na离子所处的配位环境，可将Na_xTMO₂划分为P2，P3，O2，O3相，由于原子排列顺序的不同，材料将展现不同的电化学行为。目前广泛报道的包括P2，O3相等材料，在钠离子电池中有较好的性能。

目前研究的重点在于合成出P2，O3型正极材料制备，且上述材料的制备一般需要经历900摄氏度以上的高温煅烧过程，且煅烧时间长，工序复杂等问题。因此，本发明提出一种P3相的层状过渡金属氧化物的合成新方法，并用于钠离子电池，对钠离子电池的发展具有重要意义。

发明内容

本发明提出一种P3型正极材料并用于钠离子电池的正极。该P3型钠离子电池正极材料的制备方法所需的合成温度低，合成步骤简单；本发明还提供了该材料的使用方法，可用于钠离子电池正极材料，是对现有的材料体系完善和发展，但并不限于此。

本发明所述一种P3相层状过渡金属氧化物材料，其特征在于，化学通式Na_xMn_yNi_zCo_1-y-zO₂，x的范围取值为0.2-0.78，y的取值范围为0.5-0.85，z的取值范围为0.05-0.33，为P3相的层状结构；其中所述x优选为0.55～0.75，所述y优选为0.6-0.75，所述z优选为0.1-0.25。

采用本发明所述的材料，作为正极材料进行半电池的测试，其电压范围为1.5V～4.5V，优选为2.0V～4.5V。