[发明专利]高熵层状氧化物钠离子电池正极材料和制备方法及应用

说明书

本发明属于钠离子电池技术领域，具体涉及高熵层状氧化物钠离子电池正极材料和制备方法及应用，步骤包括：将镍源、锰源、钛源、锆源混合，加入钠源，经球磨和真空烘干后进行高温煅烧得到O3相的层状高熵氧化物材料NaNisubgt;0.45/subgt;Mnsubgt;0.3/subgt;Tisubgt;0.2/subgt;Zrsubgt;0.05/subgt;Osubgt;2/subgt;(可简写为NaNMTZ正极材料)；将NaNMTZ材料、碳源、无机物和有机溶剂混合、磁力搅拌后旋蒸脱除有机溶剂，将得到的混合物经热处理脱除其中的无机物后，进行离心洗涤并真空干燥，得到氮掺杂NaNMTZ/C复合材料。本发明制备的正极材料表面规整、结晶度高、分散均匀、导电性能优良，该结构其具有可观的宽电位窗口可逆容量、优异的倍率性能和稳定的循环寿命。

技术领域

本发明属于钠离子电池技术领域，具体涉及高熵层状氧化物钠离子电池正极材料和制备方法及应用。

背景技术

信息技术飞速发展的今天，能源的生产和利用对于维持现代化社会的正常运转起着至关重要的作用。随着化石燃料的不断消耗以及环境问题的日益加剧，人们对于风能、太阳能和潮汐能等可再生清洁能源的需求迅速增长，而为了将这些具有间歇性和区域性的能源整合到可实际应用的大规模电网中，廉价、高效的电能存储系统在充分存储峰谷期能量并在高峰期释放中是极其重要的一环。锂离子电池自1991年被索尼公司商业化以来，在便携式电子产品和电动汽车市场已经取得了巨大的成功，也引发了其在电网规模化中可持续发展特性的关注。然而有限的锂资源，限制了锂离子电池的进一步发展。相比于锂，钠资源在地壳中丰富的储量导致钠基原料价格低廉(Li₂CO₃的成本约是Na₂CO₃的200倍)；与锂相似的物理化学性质以及与锂离子电池类似的“摇椅式”工作原理，使得钠离子电池能够充分借鉴锂离子电池成熟的方法、工艺进行发展。当前钠离子电池的比容量、能量密度和倍率性能主要受限于正极材料，如何制备出一种低成本、高能量密度、高功率密度的钠离子正极材料是目前面临的主要问题。

高熵氧化物(HEO)是由美国科学家Jon-PaulMaria和StefanoCurtarolo在2015年首次提出的，它通常由5种或5种以上元素按等原子比或接近等原子比组成。各元素通过共享相同的原子位点形成一种联合晶格，且在晶体中呈无序排布。这种无序分布以及不同金属离子间的相互作用使其具有很大的混合熵，从而有效抑制金属间化合物或复杂相的形成，因此趋向于生成单相固溶体结构。基于与高熵合金类似的热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、结构的晶格畸变效应及性能上的“鸡尾酒”效应等，高熵氧化物展现出远优于传统氧化物的一些特性，例如极高的结构稳定性、异常的介电常数、超高的锂离子和钠离子电导率等。这些特性激发了储能研究者们对高熵氧化物的研究兴趣。但是上述材料作为钠离子电池正极材料，仍有离子、电子电导率低，电荷转移阻抗高，倍率性能低的缺陷。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供高熵层状氧化物钠离子电池正极材料和制备方法及应用，所述的材料为具有稳定相结构的O3型氮掺杂层状材料NaNi_0.45Mn_0.3T_i0.2Zr_0.05O₂(NaNMTZ)，具有良好导电性的氮掺杂碳的分级结构，具有分散均匀、结晶性好、粒径小且分布均匀等结构优点，为其具有优异的电化学性能提供良好的基础。而且，通过合理的设计掺入的过渡金属元素以及氮掺杂的碳提高了材料整体的电导率，有效提高了高熵氧化物作为钠离子电池正极材料的离子扩散速率、提高电子电导率并改善其倍率性能。

本发明高熵层状氧化物钠离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将镍源、锰源、钛源和锆源混合均匀后制成物料A；

(2)将物料A与钠源混合进行球磨，得到充分混匀的浆料，然后将浆料进行干燥制成前驱体B；