[发明专利]一种Li/Cu共掺的层状锰基钠离子电池正极材料及制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种Li/Cu共掺的层状锰基钠离子电池正极材料及制备方法和应用，属于钠离子电池材料技术领域；在本发明中通过Li/Cu元素共掺的方式将Cusupgt;2+/supgt;和Lisupgt;+/supgt;掺杂进入锰基正极材料的过渡金属层，从而激活层状锰基钠离子电池正极材料中的阴离子氧化还原，进而提高所述层状锰基钠离子电池正极材料的比容量；所述层状锰基钠离子电池正极材料兼顾大容量、低应变、高倍率、环境友好、寿命长、成本低等优点，有望用于大规模的工业生产。

技术领域

本发明属于钠离子电池材料技术领域，具体涉及一种Li/Cu共掺的层状锰基钠离子电池正极材料及制备方法和应用。

背景技术

近年来，大量化石能源的消耗对环境造成了污染和破坏，可再生能源中利用风能、太阳能、水能、和潮汐能等可再生能源转化为电能的技术受自然条件限制严重，因此具有高能量密度、高能量转换效率和快响应速度等优势的电化学储能开始备受关注。目前，在大规模电化学储能系统中使用锂离子电池(LIB)的尝试已取得初步成功，以金属锂为阳极的固态LIB也得到了很好的发展。然而，LIBs的两种最重要的金属元素(锂和钴)存在成本急剧增加以及储量有限的不足。

钠与锂为同一主族，其在配备先进无钴正极的钠离子电池(SIB)和解决“锂恐慌”和“钴恐慌”方面具有巨大的潜力。对于钠离子电池而言，正极占电池总成本的近三分之一，并主导着电池的输出电压、比容量和工作寿命。经典钠离子电池正极材料包括普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物、隧道氧化物和层状过渡金属氧化物Na_xTMO₂(TM主要为过渡金属元素中的一种或者多种)，其中由于层状锰基正极材料具有高能量密度、环境友好、易制备等特点，受到材料和电池领域研究人员的青睐。但是，P2型层状锰基正极材料中+3价的Mn存在Jahn-Teller效应，这引发了M-O键发生变化，最终发生MO₆八面体结构的畸变，降低电池的循环性能。因此，需要开发一种能够兼顾大容量、应变低、高倍率的长寿命、低成本钠离子电池材料。

发明内容

针对现有技术中存在的一些不足，本发明提供了一种Li/Cu共掺的层状锰基钠离子电池正极材料及制备方法和应用。在本发明中通过Li/Cu元素共掺的方式将Cu²⁺和Li⁺掺杂进入锰基正极材料的过渡金属层，从而激活层状锰基钠离子电池正极材料中的阴离子氧化还原，进而提高所述层状锰基钠离子电池正极材料的比容量；所述层状锰基钠离子电池正极材料兼顾大容量、低应变、高倍率、环境友好、寿命长、成本低等优点，有望用于大规模的工业生产。

本发明中首先提供了一种Li/Cu共掺的层状锰基钠离子电池正极材料，所述层状锰基钠离子电池正极材料为六边形块状结构，直径为1～2μm；所述层状锰基钠离子电池正极材料中Li⁺和Cu²⁺共掺杂进入P2相层状锰基钠离子电池正极材料的过渡金属层中。

本发明中还提供了上述Li/Cu共掺的层状锰基钠离子电池正极材料的制备方法，具体包括如下步骤：

将Na₂CO₃、Li₂CO₃、CuO和MnO₂混合均匀后加入无水乙醇进行球磨，然后对球磨后得到的混合物压片，压片后在900℃下煅烧，煅烧完成后冷却至室温，得到所述Li/Cu共掺的层状锰基钠离子电池正极材料，记为Na_0.7Li_0.1Cu_0.2Mn_0.7O₂。