[发明专利]一种钠离子电池正极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种钠离子电池正极材料及其制备方法与应用。通过在溶胶凝胶法制备O3‑NaNi_0.4Mn_0.4Fe_0.2O₂的基础上掺入有机钛盐中的钛元素，改善O3‑NaNi_0.4Mn_0.4Fe_0.2O₂电化学性能，利用有机钛盐在有机溶剂中稀释后的溶液易与柠檬酸水溶液中的柠檬酸发生络合形成溶液的特点得到掺杂后的O3‑Na[Ni_0.4Mn_0.4Fe_0.2]_1‑xTi_xO₂黑色粉末。这种方法的主要优势在于克服了Ti⁴⁺易与水生成TiO₂沉淀导致Ti⁴⁺无法正常形成水溶液的缺点，使得钛元素能够均匀地引入到NaNi_0.4Mn_0.4Fe_0.2O₂材料中。与NaNi_0.4Mn_0.4Fe_0.2O₂相比，Ti掺杂能有效抑制材料中NiO杂相的产生，起到纯化晶格的作用，有效地提高材料的循环稳定性，从而表现出更加优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于新能源电池领域，具体涉及一种掺杂改善钠离子电池正极材料 O3-NaNi_0.4Mn_0.4Fe_0.2O₂及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池因具有能量密度高、循环稳定性好、寿命长、环保及安全性好等优点而被广泛应用在便携式电子设备、储能站及电动汽车等领域。自1991年后Sony公司成功将锂离子电池投入市场后，锂离子电池商业化规模不断扩大，电化学性能进一步提升，在进三十年内锂离子电池经历了飞速发展，并渗透到我们生活的方方面面，成为不可或缺的动力来源。

然而，锂资源的短缺和锂盐价格不断走高限制了锂离子电池在电动汽车和大规模储能领域的进一步发展。具有类似工作原理的钠离子电池被认为是有希望取代锂离子电池的新一代二次电池技术，与锂离子电池相比，钠离子电池在资源储量和成本上具有天然的优势 (碳酸钠200美元/吨，碳酸锂5000美元/吨)，特别是在大规模储能电站上，钠离子电池的使用能极大地缓解锂资源短缺带来的压力。

在钠离子电池的各种正极材料中，层状过渡金属氧化物(Na_xMO₂，M为一种或多种过渡金属)因其电化学活性高、容量大而被广泛地认为非常具有潜力的钠离子电池正极材料。根据含钠量的不同，目前研究的较多的层状过渡金属氧化物主要分为P2型和O3型两种结构，两类材料中钠离子配位的不同使得材料表现不同的电化学性能。目前的研究结果表明P2型材料具有较大的充放电电压范围，因而表现出较高的比容量，而O3型结构的材料则在循环稳定性上表现更佳。

NaNi_0.4Mn_0.4Fe_0.2O₂是O3型过渡金属氧化物中容量较高的一种钠离子正极材料，但其循环性能较差，1C倍率下具有119mAh·g^-1的比容量，而在200次循环后比容量仅剩下82.8mAh·g^-1，容量保持率为69.6％，有待进一步改善。目前的一些研究结果表明，相转变导致的材料结构不稳以及材料与电解液之间的副反应是导致材料循环性能较差的主要原因，为缓解这些问题，人们提出了元素掺杂、表面包覆以及新颖的结构设计作为提高正极材料循环性能的有效方法。其中，元素掺杂的工艺相对于其他两种方法更为简单有效，大大缩减了生产成本和时间。此外，目前很多掺杂方式都是在固相状态下完成的，这种掺杂方式得到的产物是不均匀的。

发明内容