[发明专利]磷酸铝/磷酸钠修饰表面的镍铁锰基材料、制备方法、用途

说明书

本发明公开了一种磷酸铝/磷酸钠修饰表面的镍铁锰基材料、制备方法、用途。所述材料为层状氧化物材料，空间群为所述材料中，原位形成的磷酸铝分布在钠镍铁锰材料表面，或分布在钠镍铁锰材料表面且分散在钠镍铁锰材料体相中；原位形成的磷酸钠分布在钠镍铁锰材料表面；所述磷酸铝/磷酸钠修饰表面的镍铁锰基材料的化学通式为：AlPO₄@Na_a[Ni_bFe_cMn_dMe_e]O_2+β；所述其中Ni的价态为+2,Fe的价态为+3,Mn的价态为+4，Me为Mg、Al、Ti中的一种或多种元素，其平均化合价为α；+2≤α≤+4；a、b、c、d、e、β分别为对应元素所占的摩尔百分比；它们之间的关系满足b+c+d+e＝1，且a+2b+3c+4d+αe＝2×(2+β)；其中，0.8≤a≤1.0；0＜b≤0.9；0＜c≤0.33；0＜d≤0.4；0≤e≤0.33；‑0.02≤β≤0.02。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种磷酸铝/磷酸钠修饰表面的镍铁锰基材料、制备方法、用途。

背景技术

工业革命以来，人类社会进入了快速发展的时代，其背后是传统能源的大量消耗以及带来的环境污染。因此要对化石燃料的消费需要加以严格控制并寻找新的能源来源。一直以来，核能被认为是未来能源的解决方案，但是由于该技术存在难以完全解决的安全问题，因此许多国家出现了限制核能利用的趋势。未来的能源可行方法是开发可再生能源，如水力资源、风能以及太阳能，优点是没有污染和安全问题。但是开发这些能源很明显的一个弊端是受地理位置或者时间限制，它们最好需要尽可能地接近电能消费地域。除此以外，风能和太阳能的一个显著缺点是其发电的不连续性，即发电功率的波动较大，不能长时间以恒定的功率输出。风力发电的发电功率波动周期从数小时、数天到数周不等，而太阳能发电则为数分钟或者数小时。此外，太阳能电池只有在太阳照射的中午才能产生接近标称值(峰值电流)的电能，然而中午却并不是一天中电力消耗的最集中时段。从电网来看是非常不便的，这将无法直接并入电网。电力是人们所能接触到的最方便的能源形式，它的稳定供应决定着社会稳定和有序发展。截至2020年底，中国已投运储能项目累计装机规模35.6GW，同比增长9.8％；其中抽水蓄能累计装机占比最大，为89.30％，其次为电化学储能，累计装机规模3.28GW，占比9.2％；对于大规模储能而言，需要考虑的电池参数包括：价格、寿命和功率密度。而这里就需要使用来源广泛(低价格)的原材料。在这个背景下，近年来钠离子电池受到了越来越多的研究人员的重视，世界上的钠资源极其充足，因此钠离子电池在大规模储能领域的应用潜力可谓十分巨大。

钠离子电池相对锂离子电池的主要优势在于其成本低廉，主要来自两点：地壳中钠元素的丰度远高于锂元素，并且在地球的各个角落都有分布，并不像锂资源主要集中分布在南美洲和澳洲；此外钠离子电池中负极的集流体可以使用成本更为低廉的金属铝，而锂会和铝发生反应形成合金，并且不可逆。故锂离子电池中负极只能选择成本更高的铜箔作为集流体。除了成本低廉，钠离子电池另外一个优势还在于可以利用锂离子电池相对成熟的生产线实现快速产业化，这一优势相对于其他新兴储能技术更为明显，因为大多钠离子电池存在的问题大多数在锂离子电池中都可以找到解决方案。

相比锂离子电池的锂而言，钠的相对原子质量和半径要更大，且钠的标准对氢电位要高于锂，因此理论上来说钠离子电池的能量密度相比锂离子电池要低，根据目前钠离子电池的生产制造水平，能量密度约为锂离子电池的一半左右。但是钠离子电池的能量密度远远高于铅酸电池，是铅酸电池的三倍左右。过渡金属层状结构氧化物是一类比较早研究的嵌入型化合物，具有较高的能量密度以及易制备的特点。结构通式为Na_xMO₂(M代表一种或者多种过渡金属元素)。通常各过渡金属元素与周围六个氧结合形成MO₆八面体并通过共棱连接，钠离子位于过渡金属层之间，形成MO₂层与Na层交替排布的层状结构。镍铁锰基层状氧化物类材料的成本很低，其所包含的元素钠、镍、铁、锰的价格远低于钴、钒等元素，但是目前来看这类材料的循环稳定性较差，限制了其进一步发展。

发明内容