[发明专利]一种钠离子电池高镍前驱体及其与正极材料的制备方法

说明书

技术领域

一种钠离子电池高镍前驱体及其与正极材料的制备方法，属于钠离子电池电极材料技术领域。

背景技术

在储能领域中，锂离子电池已经占领了便携式电子设备的电源市场，并逐渐被应用到新型电动汽车的动力电源中。与此同时，随着太阳能、潮汐能、风能等可再生能源的开发，急需构建规模大、成本低、安全性高等特性的电池储能体系以满足未来可再生能源的存储、发电并网以及智能电网的快速发展。然而，受锂元素在地壳中储量(不回收的情况下，估计将在65年内被消耗殆尽)和分布(70％在南美洲地区)的制约，锂资源日益短缺且成本居高不下，严重制约锂离子电池在大规模储能领域的发展。钠与锂同属一主族，其物理化学性质类似，钠离子电池具有与锂离子电池相似的工作原理，同时钠元素的储量更为丰富(为锂元素的420倍)，且分布均匀，价格低廉，因此，从降低成本的角度出发，发展钠离子电池将其用于大型储能领域具有巨大的潜力和重要的现实意义。

目前钠离子电池的开发和发展离实用化及产业化还存在较大的距离，主要是因为钠离子的半径大且质量重(22.99g mol^-1)，导致其动力学缓慢，给电极材料的设计带来了较大的挑战，尤其是决定电池基本特性的正极材料。开发具有高容量、稳定性好、低成本等性质的正极材料成为钠离子电池当下研究的重点。现阶段对于正极材料的研发主要集中在层状Na_xMO₂(M为Co、Ni、Mn、Fe等)材料、隧道型金属氧化物、聚阴离子型化合物和普鲁士蓝类化合物等。其中，层状O₃型Ni基Na(Ni-M)O₂体系由于比容量高(～255mAh g^-1)、电化学活性元素可调、体系丰富而成为研究的热点。然而，该类材料仍存在以下问题：(1)在电化学反应过程中发生较多的相转变，导致其循环稳定性和倍率性能差；(2)同时此类材料在空气中稳定性差，易和水分和二氧化碳发生反应，导致储存成本较高；(3)电化学活性Ni元素含量少(<80％)，未表现出O₃型Na(Ni-M)O₂材料高比容量的特性；(4)未有高效的制备工艺满足该类材料宏量、可控制备的要求。因此，寻求有效的策略(元素掺杂和微纳结构构筑)提高电化学性能和结构稳定性以及发展宏量可控的制备技术，是层状O₃型Na(Ni-M)O₂体系研究的重点和难点。

其中，元素掺杂在Na(Ni-M)O₂体系研究比较成熟、较多，其优点在于(1)提高嵌钠晶体结构的稳定性，(2)改善嵌脱机理从而提升储钠性能，但如何实现多种掺杂元素均匀分布、协同作用仍具有挑战性；而构筑微纳结构的优点在于(1)纳米粒子活性高、利于粒子/电子传导，(2)微米结构保证结构的稳定性、提供高的振实密度，但有关Na(Ni-M)O₂微纳结构材料的报道较少，亟待加强研究。此外，发展宏量可控的高镍Na(Ni-M)O₂(Ni>80％)制备工艺的同时实现微纳结构的设计及多元素均匀的分布具有重要的意义和应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有高的结构稳定性和优异的电化学性能且操作简单，实现连续化批量生产的钠离子电池高镍前驱体及其与正极材料的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该钠离子电池高镍前驱体，其特征在于，化学分子式为Na(Ni_1-x-y-zCo_yAl_zCu_z)O₂，其中0.2≥x+y+z，0.1≥x≥0.03，0.05≥y≥0.03，0.1≥z≥0.02。

一种上述钠离子电池高镍前驱体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)用镍盐、钴盐、铜盐和铝盐配制金属离子浓度为0.3-6mol·L^-1的镍钴铜盐溶液；镍盐、钴盐、铜盐和铝盐中Ni:Co:Al:Cu的摩尔比为0.80-0.90：0.03-0.10：0.03-0.05：0.02-0.1；

配制铝金属离子和氢氧化钠的混合溶液，其中Al³⁺完全以AlO₂^-形式存在；

用络合剂配置浓度为0.5-7mol·L^-1的络合剂溶液；