一种钠离子电池正极材料及其制备方法和应用

本发明属于能源材料，具体涉及一种钠离子电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近十年来，由于现代社会对可再生能源利用的强烈需求和智能电网的推广，对大型电化学储能系统的需求受到了极大的关注。钠离子电池与锂离子电池在类似“摇椅”式的钠存储机制下运行。作为下一代电池，由于其低成本和丰富的钠原料资源，在电网规模存储应用中具有巨大的潜力。因此，许多新型的na离子插层化合物得到了广泛的研究。正极材料的性能对电池的电化学性能具有至关重要的影响。目前主流的正极材料包括层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类似物、有机正极材料。其中层状过渡金属氧化物具有能量密度高、种类多、合成工艺简单等优点，是最有竞争力的钠离子电池正极材料之一。因此，开发具有较高容量，循环稳定性较强的钠离子正极材料具有较大的实际意义。

技术实现思路

1、针对上述现有技术，本发明提供一种钠离子电池正极材料及其制备方法和应用，以解决钠离子电池正极材料在充放电循环过程中的结构不稳定和倍率性能较差的问题。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种钠离子电池正极材料，钠离子电池正极材料为硼锆双掺杂的钠离子电池正极材料，其化学组成为nani0.5mn0.5bxzryo2，其中0.02≤x≤0.06，0.01≤y≤0.03。

3、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

4、进一步，x为0.02，y为0.01；或者是，x为0.04，y为0.02；或者是，x为0.06，y为0.03。

5、进一步，硼锆双掺杂的钠离子电池正极材料为粉末状，粉末粒径为2~4μm。

6、本发明采取上述技术方案的有益效果是：硼与氧和锆与氧的强共价键确保了正极材料具有强健的配体框架。同时b-o键的存在有助于抑制不可逆的氧化还原，减少晶格氧的损失，提高材料在高压（4.0v以上）段的稳定性；且在锆掺杂的过程中，部分残余的锆与表面钠源结合会形成氧化锆钠层，有助于保护材料的界面，可以避免电解液渗入颗粒内部，从而防止颗粒内部相变，减少活性钠的损失。即锆和硼掺杂到晶体内部，结合表面形成的保护层可以减轻晶格畸变，减轻电池运行过程中不可逆的结构变化从而提高稳定性。

7、进一步，钠离子电池正极材料的制备方法为：称取原料，用球磨法制成前驱体粉末，经压制、煅烧和研磨后，即得；原料包括碳酸钠、氧化镍、氧化锰和硼化锆，其用量摩尔比为0.5:0.5:0.25:x，其中，0.01≤x≤0.03。

8、进一步，球磨法为湿磨法，湿磨所用液体介质为无水乙醇。

9、进一步，球磨转速为200~250rpm，球磨时间为1.5~2.5h。

10、进一步，压制的过程为：将前驱体粉末放入模具中压制成圆片，压力为18~22mpa，圆片的直径为250mm，厚度为2.5mm。

11、进一步，煅烧的升温速度为2.5~3.5℃/min，升温终温为800~1000℃，煅烧时间为11~13h。

12、本发明采取上述进一步技术方案的有益效果是：制备方法所需原材料简单，易获得，利用球磨后压片再烧结工艺，简便易操作，节约了制备成本和时间；在煅烧过程中残留在材料表面的钠源会与锆反应生成钠锆化合物，形成包覆层，防止了表面上的副反应，这可以保持结构的完整性和稳定性。硼锆双掺杂协同包覆改性作用对探索钠离子或锂离子电池的其他正极材料同样具有指导意义。

13、进一步，钠离子电池正极材料在制备钠离子电池中的应用。

14、本发明的有益效果是：

15、1.本发明利用高温固相法，在o3型nani0.5mn0.5o2正极材料的基础上通过硼锆双掺杂改善了原有材料的不足。材料表面形成的包覆层保护材料的活性部分不受空气中水分和co2的影响，减少材料表面naoh和na2co3等绝缘物质的形成，使材料晶格稳定性提高。同时，材料表面形成的包覆层可减少电极材料与电解质的直接接触，从而减少电极材料与电解质界面的副反应，并实现优异的电池性能。

16、2.本发明的制备方法避免了传统上多次高温长时间固相烧结的制作流程，节约了制备成本和时间，操作简单，发明配方简单，原材料便宜，重复性好。

17、3.本发明制备的正极材料，在高电压范围内以及高电流密度下，具有较高的可逆容量、优异的电化学性能以及良好的稳定性。

技术特征：

1.一种钠离子电池正极材料，其特征在于：所述钠离子电池正极材料为硼锆双掺杂的钠离子电池正极材料，其化学组成为nani0.5mn0.5bxzryo2，其中0.02≤x≤0.06，0.01≤y≤0.03。

2.根据权利要求1所述的钠离子电池正极材料，其特征在于：所述x为0.02，所述y为0.01；或者是，所述x为0.04，所述y为0.02；或者是，所述x为0.06，所述y为0.03。

3.根据权利要求1所述的钠离子电池正极材料，其特征在于：所述硼锆双掺杂的钠离子电池正极材料为粉末状，粉末粒径为2~4μm。

4.权利要求1~3任一项所述的钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：称取原料，用球磨法制成前驱体粉末，经压制、煅烧和研磨后，即得；所述原料包括碳酸钠、氧化镍、氧化锰和硼化锆，其用量摩尔比为0.5:0.5:0.25:x，其中，0.01≤x≤0.03。

5.根据权利要求4所述的钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述球磨法为湿磨法，湿磨所用液体介质为无水乙醇。

6.根据权利要求5所述的钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：球磨转速为200~250rpm，球磨时间为1.5~2.5h。

7.根据权利要求4所述的钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述压制的过程为：将所述前驱体粉末放入模具中压制成圆片，压力为18~22mpa，所述圆片的直径为250mm，厚度为2.5mm。

8.根据权利要求4所述的钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述煅烧的升温速度为2.5~3.5℃/min，升温终温为800~1000℃，煅烧时间为11~13h。

9.权利要求1~3任一项所述的钠离子电池正极材料在制备钠离子电池中的应用。

技术总结本发明公开了一种钠离子电池正极材料及其制备方法和应用，属于能源材料技术领域。钠离子电池正极材料为硼锆双掺杂的钠离子电池正极材料，其化学组成为NaNi<subgt;0.5</subgt;Mn<subgt;0.5</subgt;B<subgt;x</subgt;Zr<subgt;y</subgt;O<subgt;2</subgt;，其中0.02≤x≤0.06，0.01≤y≤0.03；制备方法为：称取原料，用球磨法制成前驱体粉末，经压制、煅烧和研磨后，即得；原料包括碳酸钠、氧化镍、氧化锰和硼化锆，其用量摩尔比为0.5:0.5:0.25:X，其中，0.01≤X≤0.03；可应用于制备钠离子电池，可有效解决钠离子电池正极材料在充放电循环过程中的结构不稳定和倍率性能较差的问题。技术研发人员：张从芬,苗小强,徐子平,姚卫棠,孔清泉,安旭光,张靖,李小磊,刘倩,谢丽思受保护的技术使用者：成都大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25