[发明专利]纯阳离子变价的高钠含量P2相层状氧化物材料、制备方法和用途

说明书

本发明公开了纯阳离子变价的高钠含量P2相层状氧化物材料、制备方法和用途，所述材料的化学通式为：Na_x[Li_iNi_jMn_kM_y]O_2+β；Li、Ni、Mn、M共同占据晶体结构中的过渡金属离子位置；其中M为对过渡金属位进行掺杂取代的元素，为Cu²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺,Zn²⁺，Al³⁺，B³⁺，Zr⁴⁺，Ti⁴⁺中的一种或多种；x，y，i，j,k,β分别为对应元素所占的摩尔百分比；其中x，y，i，j,k,β之间的关系满足y+i+j+k＝1，且x+my+i+2j+4k＝2(2+β)；0.8≤x≤0.85；0＜i≤0.1；0＜j≤0.4；0＜k≤0.65；‑0.05≤β≤0.05；m为M的化合价态；层状氧化物材料的空间群为P6₃/mmc或P6₃/mcm。该材料用于钠离子二次电池的正极活性材料，在充放电过程中，电荷补偿完全由过渡金属阳离子得失电子来实现，有效地抑制了阴离子参与变价造成的结构变化，极大的提高了材料的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种纯阳离子变价的高钠含量P2相层状氧化物材料、制备方法和用途。

背景技术

随着社会的发展与进步，人类对能源的需求量越来越大，但煤、石油、天然气等传统化石能源由于资源日渐枯竭，再加上其造成的城市环境污染和温室效应问题日益严峻，其应用逐渐受到多方面限制，因此可持续清洁能源的开发一直是各国关注的方向。但是将风能、太阳能和潮汐能等转换成电能的过程中，这些可再生能源受自然条件的限制较大，并具有明显的时间不连续性、空间分布不均匀性等特点，这导致它们提供的电力可控性和稳定性较差，不能直接输入电网使用。因此，只有配套高性能的大规模储能系统，以此解决发电与用电的时差矛盾、调节电能品质，才能确保电力系统可靠供电。当前我国能源的可持续发展对大规模储能技术需求较为迫切，同时这也是世界各国的研究热点。

目前已有的储能方式分为物理储能和化学储能。物理储能中抽水蓄能是目前使用最多，储能量最大的，但是抽水蓄能受到地理位置的限制，且建设工期较长，其它物理储能如压缩空气储能、飞轮储能等都还未成规模。电化学储能是指通过发生可逆的化学反应来储存或释放电量，它以其高能量转换效率和功率密度、循环寿命长、建设周期短、维护成本低等优势受到人们的普遍关注。

现今阶段，电化学储能主要包括高温钠硫电池、液流电池、铅酸电池和锂离子电池等这几大类。钠硫电池Na-S电池的工作温度为300℃，金属钠和单质硫处于熔融状态，如果高温下材料破损容易在电池模块中引起火灾，因此安全问题很大，未能大规模应用。液流电池能量密度较低、体积较大。铅酸电池相对于Ni-Cd电池无记忆效应、成本低，目前一直占储能市场的绝大部分比例，应用广泛。但是其缺点也比较明显，例如铅对环境污染大、电池能量密度低、质量重、体积较大，维护费用也会增加。由于储能系统需要具有成本低廉、绿色环保、寿命长和安全性能高等特点，在众多的电化学储能材料中，锂离子二次电池和钠离子二次电池成为储能技术中比较重要的技术。

目前作为电化学储能的锂离子电池以高能量密度、高循环稳定性、长循环寿命、体积小重量轻及无污染等优点，在日常生活中得到了广泛应用。考虑到钠在元素周期表中与锂同属于碱金属元素，因此具有相似的物理化学性质。钠离子电池和锂离子电池有相似的充放电储存机制，更重要的是钠在自然界中储量丰富且分布广泛，还有很显著的价格优势。除了钠离子价格低外，钠离子电池的正负极集流体均可以使用铝箔，而锂离子电池负极只能用铜，显然铜比铝贵的多，因此原材料成本低廉且容易获得，这些优势使得钠离子电池越来越受到世界范围的广泛关注。