[发明专利]一种高比能和高容量保持率的钠离子电池Na0.61

权利要求书

1.本发明提供一种高比能和高容量保持率的钠离子电池Na_0.61Mn_0.27Fe_0.34Ti_0.39O₂正极储钠结构的合成方法，其技术方案是：

第一、室温25℃工况条件下，按照Na∶Mn∶Fe∶Ti化学摩尔计量比为0.61∶0.27∶0.34∶0.39；精确称量分析纯乙酸钠、乙酸锰、乙酸铁、氧化钛粉末，粉末原料总重量30.0000g；同时加入0.1000g高比表面积的石墨烯超细粉体，该石墨烯粉末是由厚度为6～11nm超薄纳米层组装而成，其比表面积为1800m²g^-1；将上述四种粉体材料置于玛瑙研钵中反复混合研磨30～60min，进而得到均匀物料混合物；该物料混合物转移至行星式球磨机的上述球磨罐中，单个304不锈钢球磨罐的内部体积为200ml，研磨球直径为φ5mm，设定球磨设备运转功率为2000W，行星转速为100～1500rpm，球料比10∶1～20∶1，球磨总运转时间为60～600min，球磨运行过程中的罐体温度为25～50℃；

第二、将第一步骤所得到的球磨后均匀组分的混合粉体放到压片模具中，压片成型压力为10～20MPa，压片后的圆片直径为10～60mm、厚度10～20mm的超硬圆片，再将10片超硬圆片置于刚玉舟内，其中刚玉舟直径为60mm、长度120mm；将刚玉舟推入带Ar气惰性气体保护的微波烧结炉的刚玉管中心位置，为除去管路中的氧气先以200ml/min速率吹扫30min，再以加热速率4～10℃/min均匀加温，逐步升温至600～1200℃后持续微波烧结30～2000min；烧结过程中保持Ar气体流量200ml/min；反应结束后将样品冷却至25℃常温；经物相分析可获得P2型单一物相Na_0.61Mn_0.27Fe_0.34Ti_0.39O₂三元正极材料，属于六方晶系；材料色泽均匀，晶粒尺寸规整及表面光滑；这物相为合成高比容且高容量保持率的钠离子电池材料奠定物相纯纯料基础；

此Na_0.61Mn_0.27Fe_0.34Ti_0.39O₂电极材料的超细粉末制备方法：首先，室温下，将P2型Na_0.67Mn_0.65Fe_0.2Ni_0.15O₂电极材料10.0000g；添加到容积为500ml的剪切力机械打磨粉碎机的304材质的不锈钢打磨粉碎罐内，剪切力刀片高速旋转的转速为1000～29000rpm，剪切力机械打磨粉碎机的功率为1000～1200瓦，打磨粉碎罐的外部温度调控于25～50℃；粉碎时间为10～40分钟；开启设备便可获得直径15微米的Na_0.61Mn_0.27Fe_0.34Ti_0.39O₂超细颗粒；其次，将上述Na_0.67Mn_0.65Fe_0.2Ni_0.15O₂超细颗粒加入0.2000～1.0000克石墨烯粉末，其中石墨烯粉末是由厚度为6～11nm超薄纳米层组装而成，其比表面积为1800m²g^-1；再粉碎机转速设置为1000～29000rpm，设备功率为800～1200W，工作时间5～15分钟，打磨粉碎罐的外部温度调控于25～50℃；打磨结束后可得到表面原位包覆石墨烯15nm厚的纳米层的Na_0.61Mn_0.27Fe_0.34Ti_0.39O₂改性颗粒；

第三、将第二步骤所获得的石墨烯表面改性的Na_0.61Mn_0.27Fe_0.34Ti_0.39O₂粉体三元材料组装成新型钠离子电池：以石墨烯表面改性的Na_0.61Mn_0.27Fe_0.34Ti_0.39O₂为正极、PVDF聚偏氟乙烯为粘合剂、高比表面积乙炔黑为导电剂，此三种材料的重量比为8∶1∶1，电池粉体材料的总重量为200mg，充分混合三种电极材料；加入N-甲基吡咯烷酮NMP溶剂，NMP溶剂与电池粉体材料的总重量比例为10∶1，置于行星式球磨机中，研磨球直径为φ5mm，球料重量比为10∶1，球磨机转速200rpm、运转时间40min，获得黑色光亮的正极；浆料采用涂布机中涂布在厚度25微米铝箔上，平放在120℃真空干燥箱加热24小时，获得平整的正极膜材料；负极为电池纯金属钠片，其均匀厚度为0.5mm、表面平整；隔膜采用多孔Celgard隔膜1层，电解液的含锂盐为0.9mol/L六氟磷酸钠、溶剂为体积比1∶1的碳酸乙烯酯EC∶碳酸二乙酯DEC，电解液的水含量小于100ppm；电池装配条件如下：在惰性氩气气体保护的手套箱中，水和氧的含量小于1ppm，钠离子电池的封装压力为50～200kg/cm²；组装电池后在手套箱中放置1天，并在武汉蓝电Land 5V100mA恒电流充放电设备中测定本发明设计的新型三元正极材料，测定材料的比能量、比功率及1C和5C不同倍率循环稳定性指标；研究表明：此改良的电极材料结构稳定性优异，有望大幅提高材料的应用性能，获得良好的创新型、技术效果、实用性及创新性。