[发明专利]一种铜基富钠层状氧化物材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种铜基富钠层状氧化物材料及其制备方法和用途。

背景技术

随着化石能源的逐渐枯竭，环境友好的风能、太阳能等可再生能源得到大力发展，但其间歇性、不稳定性等特点制约了其发展，因此,需要大规模的储能系统用于电网的“削峰填谷”，提高电网的供稳定性和可靠性。钠离子二次电池由于钠原料丰富并且广泛分布于海水中，发展钠离子二次电池作为大规模储能设备再一次引起人们的关注。

近来，钠离子电池电极材料被广泛研究，并有大量钠离子电池正极材料被报道，主要有磷酸盐、氧化物、氟化物、有机化合物等。其中层状氧化物是最有应用前景的钠离子电池正极材料之一。根据钠离子所处环境和氧的堆积方式可分为P2相和O3相【Physical B&C,1980,99,81-85】。O3相的循环性能不好，而且对于空气和水敏感，难以应用；P2相不仅容量较高，而且由于钠离子所处的空间较大，在电化学循环过程中稳定性好。实际上，目前电化学性能良好的P2相材料均含有大量Ni和Co,但是这两种元素不仅成本高，而且还具有毒性。基于此，本发明利用Cu替代Ni和Co，利用地壳含量丰富无毒的元素得到一种比较理想的P2相层状正极材料。

发明内容

本发明实施例提供了一种铜基富钠层状氧化物材料及其制备方法和用途。所述铜基富钠层状氧化物材料制备简单，原料资源丰富、成本低廉，是无污染的绿色材料，可以应用于钠离子二次电池正极活性材料，应用本发明的铜基富钠层状氧化物材料的钠离子二次电池，具有较高的工作电压和首周库仑效率、空气中稳定、循环稳定、安全性能好，可以用于太阳能发电、风力发电、智能电网调峰、分布电站、后备电源或通信基站的大规模储能设备。

第一方面，本发明实施例提供了一种铜基富钠层状氧化物材料，化学通式为：Na_0.76+aCu_bFe_cMn_dM_eO_2+δ；

其中，Cu、Fe、Mn为过渡金属元素，M为对过渡金属位进行掺杂取代的元素；Cu、Fe、Mn和M分别与最近邻的六个氧原子形成八面体结构，多个所述八面体结构共边排布构成过渡金属层；碱金属离子Na⁺位于每两层所述过渡金属层之间，构成空间群为P63/mmc的层状氧化物；所述M具体为Li⁺，Ni²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Zn²⁺，Co²⁺，Ca²⁺，Ba²⁺，Sr²⁺，Al³⁺，B³⁺，Cr³⁺，Co³⁺，V³⁺，Zr⁴⁺，Ti⁴⁺，Sn⁴⁺，V⁴⁺，Mo⁴⁺，Mo⁵⁺，Ru⁴⁺，Nb⁵⁺，Si⁴⁺，Sb⁵⁺，Nb⁵⁺，Mo⁶⁺，Te⁶⁺中的一种或多种；所述M的化合价态为m，所述m具体为一价、二价、三价、四价、五价或六价；Mn的化合价态为x，具体为+4价或者+4价与+3价的混合价态；所述a，b，c，d，e，δ分别为对应元素所占的摩尔百分比；所述a，b，c，d，e，δ，x和m之间的关系满足电荷平衡：(0.76+a)+2b+3c+xd+me＝2(2+δ),并且满足b+c+d+e＝1；其中，-0.1<a≤0.14；0<b≤0.25；0<c≤0.33；0<d≤0.7；0≤e≤0.1；-0.02<δ<0.02；3<x≤4。

优选的，所述铜基富钠层状氧化物材料用于钠离子二次电池的正极活性材料。

在第二方面，本发明实施例提供了一种如上述第一方面所述的铜基富钠层状氧化物材料的制备方法，所述方法为固相法，包括：