[发明专利]用于二次电池的钠金属氧化物材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种制备包含Na_xM_yCo_zO_2‑δ的钠金属氧化物材料的方法，其中M为以下元素中的一种或多种：Mn、Cu、Ti、Fe、Mg、Ni、V、Zn、Al、Li、Sn、Si、Ga、Ge、Sb、W、Zr、Nb、Mo、Ta，0.7≤x≤1.3，0.9≤y≤1.1，0≤5z0.15，0≤δ0.2，并且其中所述钠金属氧化物材料的初级颗粒的平均长度为2至10μm，优选为5至10μm。本发明还涉及这种材料。

发明领域

本发明的实施方案总体上涉及一种制备用于二次电池的电极的钠金属氧化物材料的方法。特别地，本发明的实施方案涉及制备具有Na_xM_yCo_zO₂组成的钠金属氧化物材料，其中M是以下元素中的一种或多种：Mn、Cu、Ti、Fe、Mg、Ni、V、Zn、Al、Li、Sn、Sb，并且其中0.7≤x≤1.3，0.9≤y≤1.1，0≤z0.15，0≤δ0.2。本发明的其他实施方案涉及一种钠金属氧化物材料。特别地，本发明涉及一种包含P2相和O3相的两相钠金属氧化物材料。

背景技术

化石燃料的燃烧导致高水平的二氧化碳释放到大气中。一般的共识是，这种污染是全球气候变化的重要原因。这使得用清洁能源替代传统化石燃料的需求不断增长。当今社会使用的清洁和可再生能源发电具有间歇性，因此需要经济且可持续的能源存储。除了锂离子电池(LIB)和铅酸电池(PbA)外，钠离子电池(SIB)被认为是电网规模存储应用的有前途的替代品，这是因为钠资源的天然丰度和低成本，以及类似于锂离子电池中使用的“摇椅式”钠存储机制。

寻找具有优异电化学性能的最佳电极材料是当前SIB的关键发展领域。在此研究领域中，层状过渡金属氧化物代表了一类优良的电极材料，部分原因是其对环境的友好性以及合成的简便性。但是，Na离子阴极材料的大规模生产仍处于起步阶段，要使SIB技术发展到可与LIB和PbA在商业上竞争，主要的挑战仍然是获得最佳的材料粉末性质(密度、流动性和稳定性)。

发明内容

本发明的实施方案总体上涉及一种用于二次电池的电极的钠金属氧化物材料，以及制备这种钠金属氧化物材料的方法，特别是包含P2和O3相的两相金属氧化物材料。本发明的一个目的是提供一种具有改善的电化学稳定性的钠金属氧化物材料。本发明的另一个目的是提供一种钠金属氧化物材料，其中与已知的钠金属氧化物材料相比，初级颗粒的长度增加。本发明的另一个目的是提供一种具有高振实密度的钠金属氧化物材料，其允许钠金属氧化物材料在商业电极内的高负载。本发明的另一个目的是提供一种具有有利的或甚至最佳的表面积的钠金属氧化物材料。

本发明的一个实施方案涉及一种制备包含Na_xM_yCo_zO_2-δ的钠金属氧化物材料的方法，其中M为以下元素中的一种或多种：Mn、Cu、Ti、Fe、Mg、Ni、V、Zn、Al、Li、Sn、Si、Ga、Ge、Sb、W、Zr、Nb、Mo、Ta，0.7≤x≤1.3，0.9≤y≤1.1，0≤z0.15，0≤δ0.2，并且其中所述钠金属氧化物材料的初级颗粒的平均长度为2至10μm，优选为5至10μm。所述方法包括以下步骤：

a)将包含钠盐和以下元素中至少一种的盐的前体材料混合为经混合的前体：Mn、Cu、Ti、Fe、Mg、Ni、V、Zn、Al、Li、Sn、Si、Ga、Ge、Sb、W、Zr、Nb、Mo、Ta，其中经混合的前体包含碳酸盐；

b)将经混合的前体放在炉中，并将炉加热到至多800至1000℃的温度，以提供钠金属氧化物材料；和

c)在具有低于100ppm CO₂的气氛中将钠金属氧化物材料冷却至室温；

其中步骤b)包括以下子步骤：

b1)将炉加热到900至1000℃的第一温度T1；