[发明专利]一种用于钠电池的正极材料及其制备方法、钠电池

说明书

本发明提供了一种用于钠电池的正极材料及其制备方法、钠电池，所述正极材料通式为Na_3+x(M_1‑xFeRu)O₆，其中M为Na、Li以及Cu的至少一种，且‑1<x<1。本发明提供的正极材料通过钌离子掺杂制备的正极材料解决过渡金属离子不可逆迁移和颗粒内晶体间裂纹问题，使用所述正极材料制备的钠电池具有优异的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及电池正极材料技术领域，具体涉及一种用于钠电池的正极材料及其制备方法、钠电池。

背景技术

随着能源不断开发，能源短缺和环境污染已经成为了全球性的问题，这促使科学家聚焦开发清洁可持续能源。锂离子电池因其具备高容量、高能量、循环可逆性好且产业化技术成熟等特点，已广泛应用于便携式电子产品、电动汽车等消费市场领域。但是，由于地壳中锂元素的含量有限，加上目前锂离子电池回收技术尚未成熟，导致锂离子电池生产成本及销售价格持续升高，限制了锂离子电池在未来大型储能系统的应用。因此，未来大规模储能技术迫切需要一种廉价的电化学储能设备和器件，实现可再生能源循环且高效的利用。钠离子电池由于钠元素资源丰富、能量转换效率高、循环寿命长、维护成本低，以及其与锂离子电池类似的工作原理，被认为是锂离子电池的最好的替代。

钠离子电池正极材料是钠离子电池的重要组成部分，负责提供活性钠离子，需要具有较高的氧化还原电位，正极材料的活性会直接影响电池的容量和工作电压。在钠离子电池正极材料中，过渡金属层状结构氧化物NaxTMO₂(TM为过渡金属元素)由于能量密度高，制备简单等优势，成为了科学家的热门研究对象。对于过渡金属层状结构氧化物而言，根据钠元素含量的多少以及钠元素在材料晶体结构占据位置的不同，目前研究较多的层状材料主要可分为O3型和P2型。相比于P2型层状材料，O3型层状材料的主要优势在于这种材料具有较好循环稳定性和大电流下材料稳定性较好。但是层状氧化物正极材料也存在着一些问题，当NaxTMO₂充电到高截止电压时，会出现过渡金属阳离子从TMO₆层板迁移到钠层的现象。金属阳离子的不可逆迁移阻塞了钠离子的传输通道，从而导致容量的不可逆衰减。就以NaFeO₂为例，当NaFeO₂充电到3.4V时，有80mAh g^-1的可逆容量。当截止电压提高，容量保持率变得较差，是因为铁离子的迁移到钠层导致电池容量的大幅度不可逆衰减，电池的循环寿命降低。进而，铁离子的混排会导致晶格间产生较大的应力，从而导致裂纹的产生，裂纹使得电化学性能进一步的恶化。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种用于钠电池的正极材料及其制备方法、钠电池，通过钌离子掺杂制备的正极材料解决过渡金属离子不可逆迁移问题和颗粒内晶体间裂纹问题，使用所述正极材料制备的钠电池具有优异的循环性能和倍率性能。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种用于钠电池的正极材料，所述正极材料通式为Na_3+x(M_1-xFeRu)O₆，其中M为Na、Li以及Cu的至少一种，且-1<x<1。

进一步，所述正极材料为六方晶体结构。

进一步，所述正极材料为颗粒状，所述颗粒的粒径为0.5-10μm。

本发明还提供了用于钠电池的正极材料的制备方法，包括如下步骤：混匀，将钠盐、铁的氧化物、钌的氧化物和其他金属氧化物按照比例混合均匀，得混合物；压片，将所述混合物装在模具内在一定的压力下压片，得片材；煅烧，将所述片材进行煅烧并室温冷却，得所述正极材料；其中，所述钌的氧化物为RuO₂，所述正极材料通式为Na_3+x(M_1-xFeRu)O₆，M为Na、Li以及Cu的至少一种，且-1<x<1。