锰基层状氧化物材料、正极材料、钠离子电池及用电装置的制作方法

本发明涉及电池，特别是涉及一种锰基层状氧化物材料、正极材料、钠离子电池及用电装置。

背景技术：

1、近些年来，钠离子电池产业化的步伐已然临近，需要开发具有高能量密度、低成本的钠离子电池正极材料。具有混合阳离子和阴离子氧化还原活性的金属层状氧化物具有工作电压较高，可以在传统过渡金属阳离子氧化还原反应的基础之外提供额外的容量等优点，被产业界和学术界寄予厚望。但当前金属层状氧化物在电压较高条件下容易产生严重的电极材料/电解液界面副反应，造成电解液的分解和产气问题，而且电极材料的结构收到破坏。因此，需要开发在结构稳定的前提下，还具有较高的活性和可逆性的金属层状氧化物。

技术实现思路

1、基于此，本申请的目的包括提供一种锰基层状氧化物材料，该锰基层状氧化物在阴离子氧化还原反应中具有高活性和高可逆性，而且结构稳定性较高；还提供一种锰基层状氧化物材料的制备方法、正极材料、钠离子电池及用电装置。

2、本申请的第一方面，提供一种锰基层状氧化物材料，其包括锰基层状氧化物，该锰基层状氧化物的化学式为nau[axbyczmn1-x-y-z]o2，其中u为0.6～0.8，x+y+z为0.1~0.5，a、b、c不同且分别选自al、li、cu、mg、co、ti、ni和cr中的一种，所述锰基层状氧化物的晶相含有p2相且所述锰基层状氧化物具有多超晶格有序结构，所述多超晶格有序结构为由多种超晶格结构组成的有序结构。

3、在本申请的一些实施例中，在所述多超晶格有序结构中，a原子、b原子和c原子均被6个mn原子包围，所述锰基层状氧化物在xrd测试图谱中能够表现出位于20°~23°之间的与所述多超晶格有序结构相对应的两个特征峰。

4、在本申请的一些实施例中，a选自li，b选自al、cu、co、ti、ni和cr中的一种，c选自mg。

5、在本申请的一些实施例中，所述锰基层状氧化物的化学式为nau[lixcuymgzmn1-x-y-z]o2，其中，x≥0.05，y为0.08～0.15，z为0.06～0.15。

6、进一步地，本申请还提供了一种上述任一实施例的锰基层状氧化物材料的制备方法，其包括以下步骤：

7、将钠源、锰源、a源、b源和c源按照化学计量比进行球磨混合处理得到前驱体固体；

8、对所述前驱体固体进行压片处理、煅烧处理，得到所述锰基层状氧化物材料。

9、在本申请的一些实施例中，该制备方法满足如下特征中的一项或多项：

10、所述钠源为碳酸钠，所述锰源为含有锰元素的氧化物，所述a源为含有a的氧化物，所述b源为含有b的氧化物，所述c源为含有c的氧化物；

11、所述球磨混合处理的时间为6～15h；

12、进行所述压片处理的压力为10～25mpa；

13、进行所述压片处理的时间为10～25mins。

14、在本申请的一些实施例中，该制备方法满足如下特征中的一项或多项：

15、进行所述煅烧处理的温度为700℃～950℃；

16、进行所述煅烧处理的时间为10h～15h。

17、进一步地，本申请还提供了一种正极材料，其包括如上述实施例中所述的锰基层状氧化物材料。

18、进一步地，本申请还提供了一种钠离子电池，其包括正极、负极和电解质，所述正极包括如上述实施例中所述的锰基层状氧化物材料或如上述实施例中所述的正极材料。

19、进一步地，本申请还提供了一种用电装置，其包括如上述实施例中所述的钠离子电池。

20、本申请中提供的锰基层状氧化物材料中含有锰基层状氧化物，其中a原子、b原子和c原子与锰原子的半径和价态存在差异，并形成多超晶格有序结构。该多超晶格有序结构有利于实现阴离子氧化还原反应的高活性和高可逆性，多超晶格有序结构还有利于抑制三价锰离子的jahn-teller效应和多重相转变、缓解晶体结构的扭曲和畸变、提高锰基层状氧化物结构稳定性，改善钠离子扩散动力学，提高该锰基层状氧化物在电化学应用中例如作为电极材料时的在多次充放电过程中的稳定性，从而改善循环寿命、进而具有优异的电化学性能。

21、本申请中提供的锰基层状氧化物材料的可通过固相法制备得到，工艺相对简单且易于控制，安全无污染，同时，本发明所选用的原料为碳酸盐或氧化物、原料丰富、成本低廉，具有环境友好性，易于规模化生产。

22、本申请中提供的正极材料具有较好的稳定性和优异的电化学性能，有助于改善电池的循环寿命。

23、本申请中提供的钠离子电池中的正极包括第一方面所述的锰基层状氧化物材料或第二方面所述的制备方法制备得到的锰基层状氧化物材料，该具有多超晶格有序结构的锰基层状氧化物在阴离子氧化还原反应中具有高活性和高可逆性，而且该锰基层状氧化物的结构稳定性较高，可以改善钠离子电池的循环寿命。

24、本申请中提供的用电装置，采用该钠离子电池具有较长的循环寿命和使用稳定性，不仅可以降低成本，还可以提高使用的可靠性和安全性。

技术特征：

1.一种锰基层状氧化物材料，其特征在于，包括锰基层状氧化物，锰基层状氧化物的化学式为nau[axbyczmn1-x-y-z]o2，其中u为0.6～0.8，x+y+z为0.1~0.5，a、b、c不同且分别选自al、li、cu、mg、co、ti、ni和cr中的一种，所述锰基层状氧化物的晶相含有p2相且所述锰基层状氧化物具有多超晶格有序结构，所述多超晶格有序结构为由多种超晶格结构组成的有序结构。

2.根据权利要求1所述的锰基层状氧化物材料，其特征在于，在所述多超晶格有序结构中，a原子、b原子和c原子均被6个mn原子包围，所述锰基层状氧化物在xrd测试图谱中能够表现出位于20°~23°之间的与所述多超晶格有序结构相对应的两个特征峰。

3.根据权利要求1~2任意一项所述的锰基层状氧化物材料，其特征在于，a选自li，b选自al、cu、co、ti、ni和cr中的一种，c选自mg。

4.根据权利要求3所述的锰基层状氧化物材料，其特征在于，所述锰基层状氧化物的化学式为nau[lixcuymgzmn1-x-y-z]o2，其中，x≥0.05，y为0.08～0.15，z为0.06～0.15。

5.一种根据权利要求1~4任意一项所述的锰基层状氧化物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，满足如下特征中的一项或多项：

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，满足如下特征中的一项或多项：

8.一种正极材料，其特征在于，包括权利要求1～4任一项中所述的锰基层状氧化物材料。

9.一种钠离子电池，其特征在于，包括正极、负极和电解质，所述正极包括权利要求1～4任一项中所述的锰基层状氧化物材料或如权利要求8所述的正极材料。

10.一种用电装置，其特征在于，包括权利要求9所述的钠离子电池。

技术总结本发明涉及一种锰基层状氧化物材料、正极材料、钠离子电池、动力装置及交通工具。该锰基层状氧化物材料包括锰基层状氧化物，锰基层状氧化物的化学式为Na<subgt;u</subgt;[A<subgt;x</subgt;B<subgt;y</subgt;C<subgt;z</subgt;Mn<subgt;1‑x‑y‑z</subgt;]O<subgt;2</subgt;，其中u为0.6～0.8，x+y+z为0.1~0.5，A、B、C不同且分别选自Al、Li、Cu、Mg、Co、Ti、Ni和Cr中的一种，锰基层状氧化物的晶相含有P2相且锰基层状氧化物具有多超晶格有序结构，多超晶格有序结构为由多种超晶格结构组成的有序结构。该锰基层状氧化物具有多超晶格结构，可以实现高活性和高可逆性的阴离子氧化还原反应，提高锰基层状氧化物结构稳定性，进而提高钠离子电池的寿命。技术研发人员：赵恩岳,李娜,赵金奎受保护的技术使用者：松山湖材料实验室技术研发日：技术公布日：2024/5/27