CN107827165A - 一种钠钴氧化物钠离子电池正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钠钴氧化物钠离子电池正极材料及其制备方法。具体是将泡沫镍裁剪成2×4cm2，用稀盐酸超声清洗之后继续用大量水冲洗。Na0.7CoO2纳米片直径为2‑4µm，厚度为5‑10µm，Ni网上单位面积活性物质量高达6‑8mg cm‑2，所述的片状Na0.7CoO2钠离子电池正极片以六水合硝酸钴、氟化铵、尿素和氢氧化钠为原材料，在水热条件下发生化学反应，并在空气中退火，得到片状Na0.7CoO2阵列。该钠离子电池正极材料合成方法简单，同时单位面积活性物质质量高达6‑8mg cm‑2。由Na0.7CoO2正极片组装成的钠离子电池循环性能稳定，在钠离子电池中具有潜在的应用价值。

Description

一种钠钴氧化物钠离子电池正极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型的阵列型钠离子电池材料，特别涉及一种片状结构的Na0.7CoO2阵列材料的制备方法，属于钠离子电池领域。
背景技术
随着当前储能设备的发展，锂离子电池储能设备开始在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。但是当前锂离子电池主要是应用于如手机、数码相机、笔记本等便携式电子产品中，而在大型交通运输设备如电动车方面的应用仍然面临不少困难，其中的挑战之一便是成本问题。由于地球上锂资源的储量相当有限，而锂又是锂离子电池的必备原料，因此成本问题是限制锂离子电池大规模应用的重要原因。钠资源在地球上的储量远远多于锂，因此研究钠离子电池的应用对于解决锂离子电池的成本问题具有重要意义。最近，Na0.7CoO2作为一种新型的钠离子电池正极材料开始走入研究人员的视野，但是当前报道的Na0.7CoO2材料仅仅局限于粉末材料，且相关的研究相当有限，关于的Na0.7CoO2阵列材料更鲜有报道，因此对Na0.7CoO2钠离子正极材料进行深入研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于以六水合硝酸钴、氟化铵、尿素为原料以Ni网为基底，通过水热反应利用高温高压环境制备出Co(OH)2阵列前驱体，然后通过高浓度的NaOH对以上前驱体进行锂化以及退火制备出Na0.7CoO2纳米片阵列。
本专利发明了一种制备Na0.7CoO2纳米片阵列的方法，同时这种材料在Ni集流体上具有6-8 mgcm-2的高负载量，与Ni基底接触紧密，组装成的钠离子电池具有稳定的电化学性能和高面积比容量，具有巨大的潜在应用价值。
本发明所涉及的原料为六水合硝酸钴、氟化铵、尿素，氢氧化钠。材料制备过程中先将六水合硝酸钴、氟化铵、尿素放置于烧杯中并加入一定量蒸馏水进行一定时间的均匀搅拌。然后将以上溶液转移到水热釜中并加入处理过的Ni网在80-160 oC反应6-24 h，制备得到无定形的Co(OH)2纳米阵列。然后将Co(OH)2纳米阵列置于1-10 M NaOH溶液中在80-100oC环境下保持8-24 h。最后将以上纳米阵列直接置于空气中600 oC退火 6-12 h。得到Na0.7CoO2纳米片阵列。
本专利发明的Na0.7CoO2纳米片阵列钠离子正极材料及其制备方法具有以下特点：
（1）本发明制备成本低、实验过程简单、极易操作。
（2）本发明得到的Na0.7CoO2阵列材料与基底之间接触相当紧密，将其置于蒸馏水中进行长时间超声几乎没有活性物质脱落。
（3）制备得到Na0.7CoO2纳米片直径为2-4 µm，厚度为5-10 µm，这种纳米片阵列具有分层多级结构，同时纳米片具有均匀多孔的形貌。
（4）制备得到的Na0.7CoO2阵列材料活性物质质量高达6-8 mg cm-2，同时在如此高活性物质负载的情况下Na0.7CoO2电极依然表现出了稳定的电化学性能。
附图说明
图1为实施例1所制备样品的XRD图。
图2为实施例1所制备样品的SEM图。
图3为实施例1样品对应的充放电性能图和循环性能图。
图4为实施例2所制备样品的XRD图。
图5为实施例2所制备样品的SEM图。
具体实施方式
实施例1
将六水合硝酸钴、氟化铵、尿素以摩尔比为1:4:5的比例置于烧杯中加入适量蒸馏水中搅拌均匀。将以上溶液转入水热釜中并加入泡沫镍（2×4 cm2）在120 oC下反应9 h，其中泡沫镍斜靠在水热釜内。将反应后的阵列置于浓度为1M NaOH溶液中在80 oC下保持8 h后烘干，随后将其置于空气中在600 oC下退火3 h得到Na0.7CoO2纳米片阵列。图1为制备得到的Na0.7CoO2纳米片阵列的XRD图谱。可以看到除了Ni的特征峰之外，分别在16.4º、37.6º、43.8º、63.0º出现了Na0.7CoO2的特征峰，其XRD图谱与Na0.7CoO2（JCPDS No.87-0274）卡片相一致。如图2，我们对其进行SEM表征可以看到制备得到的Na0.7CoO2阵列为均匀的片状阵列形貌，同时这种片状结构具有明显孔状结构。将其组装成为钠离子电池，在1 C倍率下进行充放电测试，分别在2.75 V、3.25 V和3.75 V具有明显的充电电压平台，在3.6 V、3.25 V和2.5 V具有明显的放电电压平台，具有明显的钠离子正极电化学性能。对其进行循环性能测试，发现在1 C倍率下Na0.7CoO2电极具有较稳定的循环性能，经过接近160圈循环后其比容量依然保持在99.1 mAh g-1, 容量保持率为67.8%。对于活性物质负载量高达6 mg cm-2的电极，电化学稳定性能较为优异，具有潜在应用价值。
实施例2
将六水合硝酸钴、氟化铵、尿素以摩尔比为1:4:5的比例置于烧杯中加入适量蒸馏水中搅拌均匀。将以上溶液转入水热釜中并加入泡沫镍（2×4 cm2）在120 oC下反应9 h，其中泡沫镍斜靠在水热釜内。将反应后的阵列置于浓度为2 M NaOH溶液中在80 oC下保持8 h后烘干，随后将其置于空气中在600 oC下退火3 h得到Na0.7CoO2纳米片阵列。图4为对应Na0.7CoO2纳米片阵列的XRD图谱。可以看到经过较高浓度的NaOH溶液处理之后Na0.7CoO2纳米阵列在16.4º对应的特征峰明显增强。图5为对应2 M NaOH溶液制备得到的Na0.7CoO2纳米阵列的SEM图，发现同样具有明显的片状结构。

Claims (3)

1.一种钠钴氧化物钠离子电池正极材料，其特征在于：该钠钴氧化物的分子式为Na0.7CoO2，Na0.7CoO2为纳米列阵片状。
2.一种如权利要求1所述的钠钴氧化物钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：以六水合硝酸钴、氟化铵、尿素加水混合搅拌均匀后，将Ni网倾斜30-60º置于水热反应釜中于80-160 oC反应6-24 h，制备得到无定形的Co(OH)2纳米阵列；然后将Co(OH)2纳米阵列置于1-10 M NaOH溶液中在80-100 oC环境下保持8-24 h，使Co(OH)2阵列表面均匀沉积Na+，最后将以上纳米阵列直接置于空气中600 oC退火6-12 h使Na+与Co(OH)2充分反应，从而制备得到Na0.7CoO2。
3.根据权利要求2所述的钠钴氧化物钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：六水合硝酸钴、氟化铵和尿素的摩尔比为1：4-6：5-8。
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