[发明专利]一种锂钇共掺杂高性能钠离子电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂钇共掺杂高性能钠离子电池正极材料及其制备方法，所述钠离子电池正极材料为锂钇共掺杂的P2型层状过渡金属氧化物材料，具体的化学式为Na_xFe_aMn_bLi_cY_dO₂，其中0.6≤x≤0.7，0a≤0.27，0.62≤b≤0.75，0.11≤c≤0.175，0d≤0.1；其制备过程是利用湿式球磨法制备前驱体，再采用中低温固相烧结法分步煅烧来合成目标材料，并且材料的首次可逆容量约为200～220mAh/g。本发明所制得的材料可应用于钠离子电池领域，其中的氧离子能够参与氧化还原反应，并且稀土Y³⁺离子具有支柱效应，使得材料具有工作电压高、能量密度高及结构稳定性好的优点；所制备的材料合成涉及的元素储量丰富，环境友好，制作成本低，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种钠离子电池正极材料，尤其是一种锂钇共掺杂高性能钠离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

目前，锂离子电池已经被广泛应用于能源和信息转换与驱动等各种领域，例如移动电话、便携式电子产品和电动汽车；然而，锂资源匮乏严重限制了其在大规模储能上的应用，与锂处于同一主族的钠，在自然界中的含量丰富、分布均匀且价格低廉，因此钠离子电池具备较低的制作成本和良好的商业前景。尽管如此，钠离子电池的发展仍然面临严重的瓶颈，存在一些发展中的瓶颈问题，比如正极材料比容量低、循坏性能差等。近年来，相关研究发现，基于过渡金属阳离子与晶格氧阴离子共氧化还原反应的层状过渡金属氧化物具有高的比容量，被认为是下一代高比能量密度钠离子电池的首选正极材料，随研究表明，碱金属锂的引入可以激发材料中阴离子的氧化还原反应，然而，阴离子氧化还原反应的不可逆性导致其电化学性能迅速恶化，这严重阻碍了阴离子氧化还原反应的实际应用。

本发明专利采用“湿法球磨-固相反应”两步合成法，在过渡金属层中引入弱电负性的Li⁺以及稀土钇金属离子，以激活阴离子O^2-的氧化还原反应活性并改善阴离子反应可逆性，从而达到提升稀土基层状氧化物正极材料能量密度以及其结构稳定性的目的；此外，本发明提出的锂钇共掺杂高性能钠离子电池正极材料可以为开发高能量密度、高稳定性钠离子电池正极材料提供新的技术思路和理论储备。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的P2型层状铁锰基钠离子电池正极材料中阴离子氧化还原反应不可逆的问题，提供一种具有高结构稳定性、高容量、操作简单、成本低等优点的稀土基钠离子电池层状结构正极材料及其制备方法。

本发明提供了一种锂钇共掺杂型层状氧化物材料，其化学通式为Na_xFe_aMn_bLi_cY_dO₂；所述材料中各元素的摩尔百分比的范围为0.6≤x≤0.7，0.075a≤0.27，0.62≤b≤0.75，0.11≤c≤0.175，0d≤0.1，其中a，b，c，d的关系满足a+b+c+d＝1，并且整个化学式要保持电中性。

本发明中Na_xFe_aMn_bLi_cY_dO₂(0.6≤x≤0.7，0.075a≤0.27，0.62≤b≤0.75，0.11≤c≤0.175，0d≤0.1)的晶体结构由X射线衍射确定，归属于六方晶系，属于P2型结构层状材料，对应的空间群为P63/mmc；所述稀土基层状氧化物正极材料为粉末形式，所述稀土基层状氧化物正极材料的一次颗粒尺寸范围在1-5μm之间。

经研究表明，基于可逆的阴离子氧化还原反应，所述正极材料具有高能量密度及循环稳定性，可作为高性能钠离子电池的正极材料。

上述的稀土基层状氧化物材料由“湿法球磨-固相反应”两步合成法制备而成，具体制备步骤如下：